干掛花崗石幕墻節(jié)點設計探討

　　【關鍵詞】：花崗石 ，節(jié)點設計， 抗震， 檢測 

 

　　 我國建筑幕墻行業(yè)經(jīng)過近二十多年的的發(fā)展，已成為世界上產(chǎn)量最多的國家，通過技術引進、吸收、創(chuàng)新，有些技術已經(jīng)接近甚至達到國際先進水平，干掛花崗石幕墻的節(jié)點構(gòu)造處理也與時俱進，不斷的發(fā)展。 

　　幾種典型的干掛花崗石節(jié)點設計 

　　花崗石在外墻工程中的應用越來越普遍。由于濕貼法（又稱灌漿法）固有的缺陷，干掛式花崗石幕墻已被業(yè)主及建筑師廣泛接受，近幾年隨著幕墻技術的發(fā)展及幕墻技術規(guī)范的完善，干掛花崗石的工藝已日趨多樣化和日趨完善，概括目前市場上各種工藝，大概有如下六種較典型的節(jié)點構(gòu)造設計： 

　　鋼銷式干掛法：鋼銷式干掛法又稱為插針法，是干掛石工藝中最早的做法，也是最簡潔的做法，鋼銷式又分為兩側(cè)連接和四側(cè)連接，結(jié)構(gòu)特點是相鄰兩塊石材面板固定在同一支鋼銷上，鋼銷固定在連接板上，連接板再與骨架固定，板片與石材的接觸面積相對來說較大，屬板對邊線狀承載，該種構(gòu)造方法宜做材質(zhì)較軟的石材。 

　　單肢短槽式干掛法：單肢短槽式干掛法是將相鄰兩塊石材面板共同固定在“T”形型材上，“T”形型材即可是不銹鋼也可是鋁合金。“T”形型材再與骨架固定，該種做法在銷釘式掛法的基礎上改進而成，屬目前常用的固定方式，相對于銷釘式掛法，板片與石材的接觸面積較大，但仍屬于板邊點式固定，石材板邊易崩落，與其他干掛方式相比較，板片與石材的接觸面積相對較小，當石材受水平荷載時，這時應力集中所造成的隱患也是最大的，該種結(jié)構(gòu)體系的每塊石材上作為承重支撐點只有2個。 

　　 其典型的節(jié)點圖如節(jié)點①、②（石材的槽口開在石材中央部位）。 

　　雙肢短式干掛法：雙肢短槽式干掛法是在單肢短槽的基礎上進行改進的做法，是將相鄰的兩塊石材面板共同固定在“干”形型材上，“干”形型材一般采用鋁合金擠壓型材，“干”形型材再與骨架固定。 

　　 其典型如節(jié)點圖如節(jié)點③、④。 

　　通槽式干掛法：通槽式干掛法原理與單肢短槽式干掛法相近，只是采用通長卡條將相鄰兩件石材面板固定在骨架上。尤其在單元式石材幕墻中，更多采用這種干掛法。 

　　小單元式干掛法：小單元干掛法是與上述幾種干掛法在設計構(gòu)思上完全不同的一種設計。石材面板雖然還是通過鋁合金掛鉤與骨架相連，但不同的是相鄰石材面板均是獨立與骨架相連，不再是共同連接。僅這一連接方式的改變徹底改變以往傳統(tǒng)的設計思維模式，使干掛石材幕墻的設計方法、加工方法、安裝方法、物理性能等都得到了徹底的改變，板塊與骨架采用防震膠條柔性連接，改變了以往壓塊式結(jié)構(gòu)不能彈性變形的缺陷，具有更優(yōu)的抗震性能，實驗證明可達到9度強設防烈度。 

　　 小單元干掛法典型的節(jié)點如節(jié)點⑤、⑥。 

　　背栓式干掛法：背栓式干掛法是在石材面板的背面采用專用拓孔設備在石材上鉆孔、拓孔，然后安裝無應力螺栓錨固在石材背面，再通過鋁合金掛鉤與骨架連接。其屬新一代石材干掛方式，技術先進；每塊石材的固定點不僅限在板邊，可按更合理的方法布置受力點，以最少的固定點使石材、錨栓均達到強度要求；可使石材受力更均勻,板材獨立安裝，獨立受力，不會發(fā)生荷載傳遞；可根據(jù)裝飾效果作任意大小的石材分格；適合于材質(zhì)較軟的石材。 

　　 其典型的節(jié)點構(gòu)造如節(jié)點⑦、⑧。 

　　 

　　 

　　各種干掛法優(yōu)缺點及經(jīng)濟性比較 

　　 干掛石材幕墻工藝做法多種多樣，但在設計時應針對具體的工程特點，認真對待，合理選型，才能做到滿足規(guī)范要求，科學先進，經(jīng)濟合理。下面對各種不同節(jié)點設計的技術性能及經(jīng)濟指標進行概括性的比較分析： 

　　干掛法 適用范圍 優(yōu)點 缺陷 經(jīng)濟性 

　　 

　　鋼銷式 

　　 非抗震或6度、7度抗震幕墻，高度不宜大于20m，石板面積不宜大于1.0m2 工藝簡單，無需特殊工具 現(xiàn)場作業(yè)，精度低，安全度低，石材面板共同作用，不能拆換 成本最低 

　　單肢 

　　短槽式 建筑高度不大于100m，設防震度不大于8度，石板面積不宜大于1.5m2 工藝簡單，無需特殊工具，承載力較鋼銷式大 現(xiàn)場作業(yè)，精度低，石材面板共同作用，不能拆換 成本低 

　　雙肢 

　　短槽式 建筑高度不大于100m，設防震度不大于8度 工藝簡單，無需特殊工具，承載力較單肢短槽式更大 現(xiàn)場作業(yè)，需注膠調(diào)整，石材面板共同作用，不能拆換 成本低 

　　通槽式 建筑高度不大于100m，設防震度不大于8度 工藝簡單，承載力大，無需特殊工具 開槽作業(yè)量大，石材面板共同作用，不能拆換 成本較高 

　　小單 

　　元式 建筑高度不大于100m，設防震度不大于9度 工廠加工，現(xiàn)場作業(yè)量少，精度高，各板塊獨立作用，可隨意拆換 開槽工藝稍復雜 成本較高 

　　背栓式 規(guī)范無規(guī)定 工廠加工，現(xiàn)場作業(yè)量少，各板塊獨立作用，可拆換 開孔拓孔工藝復雜需專用設備，對石材材質(zhì)要求高 成本高 

　　 現(xiàn)對其中三種典型的石材做法的安裝工藝進行比較： 

　　 鋼銷式干掛法：①與單肢短槽式安裝工藝相似，但石材開槽工作量更大；②掛件材料用量增多；③拆換板材難度在三者中為最大。 

　　 單肢短槽式干掛法：① T型掛件安裝較為簡便，易于調(diào)整；②該掛法在施工中石材的開槽全部為手工操作，導致槽位不準，槽兩邊薄厚不均，在地震及風荷載作用下，槽內(nèi)側(cè)如果較薄，容易產(chǎn)生石材破裂并脫落；③石材板縫填硅酮密封膠防水，故鋼龍骨一般采用鍍鋅或刷防銹漆處理，焊縫易受到腐蝕；④現(xiàn)場工作量大，工廠內(nèi)生產(chǎn)量少。 

　　 背栓式干掛法：①安裝精度較高；②石材孔洞的加工全部采用機器鉆孔，孔位、孔徑、孔深都相當準確，要求現(xiàn)場龍骨安裝要達到相應的準確程度，必須采用三維可調(diào)骨架系統(tǒng)及微調(diào)連接系統(tǒng)；③所有石材全部在工廠加工，質(zhì)量易于控制，這樣對石材的平整度以及板縫的橫平豎直能有較好的控制，減少了石材掛裝過程中的調(diào)節(jié)；④采用特制鋁型材與背栓配合，可按要求制成復雜的截面形狀，設計更科學，能有效解決熱脹冷縮及抗震等諸多問題；⑤維修換板方便；⑥針對工程的開縫體系（外墻作保溫與防水，石材板縫內(nèi)不用打密封膠）橫龍骨采用鋁型材，其他連接件全部采用不銹鋼材料，這就滿足了材料的防腐處理要求。 

 

　　三、各種干掛法的位移變形性能及抗震性能分析 

　　 石材幕墻構(gòu)件由石材面板和金屬框架等組成，其變形能力是很小的。在地震作用和風力作用下，將會產(chǎn)生側(cè)移。由于幕墻構(gòu)件不能承受過大的位移，只能通過彈性連接性來避免主體結(jié)構(gòu)過大側(cè)移的影響。對于鋁板幕墻和玻璃幕墻而言，板塊與骨架的連接基本上都是柔性的，而石材面板則是剛度非常大的板材，且又是脆性材料，極易產(chǎn)生破壞，因此認真研究分析石材面板與骨架的連接方式對于提高石材幕墻的平面內(nèi)位移變形性能和抗震性能非常重要。 

　　 在常遇地震作用下〔大約50年一遇〕，幕墻不能破壞，應保持完好。在中震作用下（相當于設防烈度，大約200年一遇），幕墻不應有嚴重破損，一般只允許部分面板破碎，經(jīng)修理后仍然可以使用。在罕遇地震作用下（相當于比設防烈度高1.5度，大約1500－2000年一遇），必然會嚴重破壞，面板破碎，但骨架不應脫落、倒塌。幕墻的抗震構(gòu)造措施，應保證上述設計目標能實現(xiàn)。 

　　從節(jié)點構(gòu)造來看，上述干掛法中，鋼銷式、短槽式、通槽式等常用方法的石材面板均為共同固定在掛件上，面板與骨架連接成整體，不利于位移變形。在地震作用下，石材面板也缺乏足夠的活動余地，不可避免的會隨著骨架同步振動。因此其抗震措施僅依靠骨架與主體結(jié)構(gòu)之間的活動連接來解決。而小單元式及背栓式則將石材面板獨立分解開，各面板自成連接體系，相鄰板塊間不傳遞荷載作用、塊板與骨架間仍設計成活動連接，可保證面板有足夠的位移變形空間。因此從理論上分析應比其它的干掛法具備更好的位移變形性能和抗震性能。 

　　 上述的理論已由多次的位移試驗和地震臺模擬試驗證實是正確的。如由廣東省建設工程質(zhì)量安全監(jiān)督檢測總站檢測的重慶民族廣場干掛花崗石幕墻（檢測報告編號為C980806），風壓變形性能指標達到4137Pa，水密性達到Ⅰ級，氣密性達到Ⅰ級，平面內(nèi)位移變形性能達到Δ=36mm，而由華南建設學院西院工程結(jié)構(gòu)抗震研究中心與中山盛興股份有限公司（原中山市盛興幕墻有限公司）合作的“干掛花崗石材模擬地震振動臺”試驗（試驗報告編號為99011）更證實了上述的理論。這次模擬試驗分別采用鋼銷式，雙肢短槽式、通槽式、小單元式、背栓式等五種干掛法制作安裝了一幅3.5×3.5×5.4m的實體模型，采用35個加速度傳感器，所用地震波為美國San Francisco波，El Centro Ns波和我國唐山地震波，分別代表Ⅰ類場地、Ⅱ類場地和Ⅲ類場地的地震波形，將地震波的振幅設定為0.1g、0.2g、0.4g、0.6g和0.8g，以模擬不同加速度對干掛花崗石的作用。按試驗方案，對模型的動力反應分別測試和記錄了模型的加速度反應、模型的位移反應、模型的層間位移反應、裂縫開展情況及破壞情況，最后通過現(xiàn)場觀查和記錄數(shù)據(jù)進行分析，通槽式較早發(fā)生干掛膠裂縫，分析原因應是石材面板剛度大，通長卡條限制了板材的荷載傳遞，更容易發(fā)生局部破壞。短槽式結(jié)構(gòu)面板有裂縫，但結(jié)構(gòu)仍保持完好，背栓式結(jié)構(gòu)有松動，但面板未破壞，小單元式無論是面板還是結(jié)構(gòu)均保持完好。 

　　上述分析和試驗說明，在干掛花崗石幕墻設計中，對不同的干掛方法應針對工程的具體特點慎重選型，絕不能一味為節(jié)約成本減低造價而粗制濫造。 

　　四、關于石材幕墻抗震性能檢測方法的建議 

　　 1、關于模擬地震動臺上的建筑物主體結(jié)構(gòu)的模擬鋼框架，采用白噪聲激振法來測定及調(diào)整其自振頻率及幕墻平面內(nèi)的層間變位能力是必要的。但幕墻平面外的層間變位也應控制，防止幕墻試件出現(xiàn)不正常的破壞。 

　　試驗設備應力求將水密性，氣密性，風壓變形與抗震性能等四項測試統(tǒng)一到同一幕墻試件和同一模擬鋼框架。 

　　幕墻工程的主要荷載作用是風壓，地震作用的主要影響是附加效應，因此，建議先做完水密性，氣密性及風壓變形三性檢測后，再做抗震性能的測試。 

　　抗震性能測試的加速度傳感器應至少有2處是用于測定膠縫的垂直和水平變位的，檢測膠的變位能力。特別是隱框幕墻試件。 

　　用于抗震性能測試的試件如果加載到設計烈度仍未破壞，應繼續(xù)加載直到設計烈度的1.25倍。 

　　檢測報告應給出一些比較關鍵的記錄數(shù)據(jù)，供設計人員修正設計及維修時使用。 

　　五、結(jié)束語 

　　隨著“四新”技術的不斷發(fā)展，石材幕墻的也隨之發(fā)展，各種先進的技術和工藝將給這個領域注入新的活力，我們要以此為契機，不斷完善我們的設計理論，使我們的技術水平更上一臺階。 

　　 　 

　　參考文獻： 

　　JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》中國建筑工業(yè)出版社2004 

　　JGJ133-2001 《金屬與石材幕墻工程技術規(guī)范》 中國建筑工業(yè)出版社2001