一．概述
背栓點連接花崗石幕墻已有二十多年歷史，我國在二十世紀九十年代開始使用。1998年建成的上海中銀大廈（浦東國際金融大廈）高235m，+139m以下采用了背栓點連接花崗石幕墻，復(fù)蓋主體結(jié)構(gòu)表面15000m2，花崗石幕墻（其構(gòu)造型式為凸梯形與凸矩形組合）展開面積22000m2，使用了約3萬塊花崗石，6萬個背栓，花崗石尺寸為（H×B）2.05m×0.3m，花崗石幕墻最高點為139m。1999年建成的上海交銀大廈采用的背栓點連接花崗石幕墻最高標高達196m，全國還有很多工程采用了背栓點連接花崗石幕墻，總用量超過100萬m2。
“實踐是檢驗真理的唯一標準”，在建造這些幕墻時，除按慣例進行風壓變形，空氣滲透，雨水滲漏三項物理性能檢測外，還對背栓和背栓錨固石材的連接部位進行了背栓拉伸試驗，背栓錨固石材的拉拔試驗，背栓錨固的長期（8500h）靜載抗剪、抗拉試驗，背栓錨固的疲勞試驗，以及背栓點連接花崗石幕墻的抗震性能振動臺試驗，積累了大量試驗參數(shù)，證明了背栓點連接花崗石幕墻有很高的可靠性，同時找出了局部構(gòu)造改進的方向。下面進行詳細討論：
1.背栓拉伸試驗。從調(diào)查資料看出，背栓的材質(zhì)與A2-70不銹鋼螺栓相近，其極限抗拉強度接近700N/mm2，非比例伸長應(yīng)力大于480N/mm2，一顆φ12mm（φ8mm、φ6mm）背栓應(yīng)力截面積為84.3mm2 (36.6mm2、20.1mm2)，其極限拉伸強度為59KN(25.6KN、14KN)是背栓錨固石材拉拔力的2.5倍~10倍,也就是說背栓錨固石材只會是石材沖切破壞，因此只要選對背栓的鋼號就行了。
背栓伸拉試驗對試驗結(jié)果進行數(shù)理統(tǒng)計后，應(yīng)按GB50068第5.0.3條規(guī)定取fk=μf-1.645σf ，背栓抗拉強度設(shè)計值按GB50017可取為ftb=fub/2.174，抗剪強度設(shè)計值fvb=fub/2.857。
現(xiàn)在有的廠商提供的參數(shù)，取fk=uf-2.57σf.及抗拉材料分項系數(shù)1.8,和抗剪材料分項系數(shù)3.2和GB50068和GB50017不一致,GB50068第1.0.3條規(guī)定：“制定結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范以及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范-----等設(shè)計規(guī)范應(yīng)遵守本規(guī)范的規(guī)定”。我個人意見還是按GB50068執(zhí)行。
2.錨固件抗拉拔承載能力試驗，
從試驗情況看背栓與石材的錨固處全部是石材沖切破壞，破壞狀態(tài)為石材錐度破壞，影響破壞的因素有背栓直徑，背栓錨深，石材本身強度，其中錨深影響最直接，而且當錨深等于小于12mm時，承載能力破壞的離散性較大，經(jīng)回歸統(tǒng)計，抗拉拔承載能力按錨深的指數(shù)1.5增長，基材強度對抗拉拔承載能力按指數(shù)0.5增長，6mm背栓連接抗拉拔承載能力為4.5KN~8KN，φ8mm背栓抗拉拔承載能力為5KN~10KN，φ12mm背栓抗拉拔承載能力為6KN~12KN。
上述為承載能力標準值，即將拉拔試驗結(jié)果進行數(shù)理統(tǒng)計，將平均值減去1.645倍標準差，前述錨深≤12mm離散性較大，其標準差也大，按fK=μf-1.645σf計算已考慮了離散性，不必再用系數(shù)折減。其設(shè)計值fTV=fK/2.143/2。.對只進行了石材抗壓（抗彎）試驗的工程可用應(yīng)力法計算抗剪強度：
τ=P/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]≤fT
3、錨固件錨固的長期靜載試驗
錨固件長期靜載試驗，測試背栓錨固不同強度的基材在長期靜載下的位移松動及徐變性能，設(shè)計試驗時間為一年（8500H），試驗分長期荷載抗剪試驗和抗拔試驗，抗剪試驗是指背栓在承受荷載抗剪作用下經(jīng)8500H后，對受拉試件做極限拉拔力試驗與未經(jīng)長期荷載試驗的試件作對比，試驗結(jié)果說明抗剪性能良好，除加載初期觀察到較小因裝配間隙位移（≤0.3mm）外未見其他破壞，在長期抗拉拔試驗中未見破壞和明顯位移。
說明背栓與石材的連接即使在長期外荷載下作用也有很大的可靠性。
4、錨固件錨固的荷載疲勞試驗，即反復(fù)荷載的疲勞試驗。
在正壓300萬次+負壓300萬次往復(fù)動力載荷耐疲勞度試驗中，對帶尼龍塑料套墊的背栓在栓與孔之間起到三向隔震減震效應(yīng)，在沖擊作用下起到緩沖作用，使背栓錨固連接部位在數(shù)百萬次強勁往復(fù)動力荷載耐疲勞試驗中未見損壞和明顯位移，而單切面背栓由于背栓本身活動，在往復(fù)動力的壓、拉作用下，最差的在126次負壓破壞，因此可以看出背栓最好要帶尼龍?zhí)讐|，并采用雙切面即背栓與石材要首先緊固。
5、抗震試驗
華南城建學院抗震中心、中國建筑科學研究院、中國水科科學研究院進行多次石材幕墻抗震性能振動臺試驗。試驗結(jié)果表明在地震加速度0.6g以下（相當于烈度9.7度）時一切正常，華南城建學院抗震中心試驗中發(fā)現(xiàn)在0.6g時背栓有松動跡象，0.8g時（相當于烈度10度）幕墻掛勾有脫出橫梁的可能，經(jīng)分析是主要是栓孔未按公差要求加工，采用單切面無尼龍?zhí)讐|的背栓，幕墻組件的掛勾與橫梁搭接量小于6mm。其他試驗采用了帶尼龍?zhí)讐|的雙切面背栓，幕墻單元組件掛勾與橫梁搭接高度大于10mm，即使在0.9g（相當于烈度10.2度）、層間變位達到1/54時，背栓點連接花崗石幕墻仍完好無損，而且經(jīng)過抗震試驗的試件背栓與石材錨固處的石材抗拉拔能力與未經(jīng)抗震試驗的試件幾乎沒有區(qū)別。
從以上試驗可以看出，背栓式點連接花崗石幕墻在規(guī)范規(guī)定的使用范圍（6—8度區(qū)）時，可以采用無尼龍塑料套墊的單切面背栓，當用于9度區(qū)及9度以上烈度區(qū)時，應(yīng)采用帶尼龍塑料套墊的雙切面背栓。幕墻組件掛勾與橫梁的搭接高度應(yīng)不少于10mm。
二、設(shè)計與計算
1、構(gòu)造設(shè)計
首先要樹立一個概念：背栓是一個緊固件，它把石材和石材幕墻組件中的連接件聯(lián)結(jié)在一起，它屬
于可以自由拆卸的緊固件，連接件可按需要即按照每幅幕墻中與石材幕墻相組合的玻璃（金屬）幕墻的構(gòu)造相匹配的構(gòu)造要求來設(shè)計連接件。例如和外插式隱框幕墻（小單元幕墻）相組合時可采用與外插式相匹配的連接件，用背栓將石材固定在外插式付框上。
石材與連接件的連接，視石板材尺寸和構(gòu)造要求可采用一個背栓、兩個背栓、四個背栓等。
當采用一個背栓時，孔一般應(yīng)位于板中心，孔中到板邊距離不大于300mm，板與連接件還應(yīng)采用4個尼龍螺栓頂住板內(nèi)側(cè)，保持板的穩(wěn)定。
當采用二個背栓時，孔中到板頂邊距離不大于400mm，至側(cè)邊不大于300mm，在背栓兩側(cè)用尼龍螺栓頂住板內(nèi)側(cè)，保持板的穩(wěn)定。
當采用四個螺栓時，孔中到板邊距離不大于250mm。
背栓及孔的構(gòu)造要求如下表：
背栓與石材錨固部位的施工質(zhì)量的重要一環(huán)是極限（公差）配合的確定和檢驗，要求孔位偏差
±0.5mm，孔距偏差±0.5mm，孔距與孔位偏差之和不得大于±1.0mm，孔徑(φ6~8mm)+0.4mm、-0.2mm，
孔深+0.4mm、-0.1mm，底部擴孔直徑±0.3mm。
2.設(shè)計計算
A.一塊板用一個背栓
P=qA
σ=（P/t2）*[0.5456Ln(0.64L/t)+1.062]≤fT 或 σ=（P/t2）*[1.2563lg(0.64L/t)+1.062]≤fT
u=C×(P×L2/E×t3)
τ=P/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]
式中: L——LX、 Ly 中較小者（mm）； t —— 板厚（mm）；
D——錨孔直徑（mm）； h——錨孔深度（mm）。
B.一塊板用兩個背栓錨固，可簡化為兩端帶懸臂的簡支板計算
MA=MB= －qa2/2
R=qL/2
Mφ=qL2/8×[1－4×（a/L）2]
uC=uD=qaL2/24EI[－1+6（a/L）2+3（a/L）3]
uφ=qL4/384EI[5-24（a/L）2]
τ=R/[π*h/cosα*（D+h*tanα）]
C．一塊板用四個背栓錨固，按四角支承板計算
σ=6mqL2/t2
式中： L——LX、Ly中較大；
m——彎距系數(shù)。
τ=（qa/4*1.25）/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]
例1． MU110級(抗彎強度標準值8N/mm2)花崗石500mm*500*30mm，用背栓11*15M6一個，驗算花崗石抗彎強度、抗剪強度。
WK=4000N/m2, qEK=336N/m2, 。
解：風荷載設(shè)計值 W=1.4WK=1.4*4000=5600N/m2
地震（作用）設(shè)計值 qE=1.3qEK =1.3*336=437N/mm2
荷載（作用）組合設(shè)計值 q=1.0 W+ 0.6 qE =1.0*5600+0.6*437=5862N/mm2
背栓處集中力 P=abq=0.5*0.5*5862=1466N
石板抗彎截面最大設(shè)計正應(yīng)力值
σ=（P/t2）*[0.5456Ln(0.64L/t)+1.062]
=（1466/302）*[0.5456ln(0.64*500/30)+1.062]=3.83N/mm2>3.7N/mm2
或 σ= （P/t2）*[1.2563lg(0.64L/t)+1.062]
=（1466/302）*[1.2563lg(0.64*500/30)+1.062]=3.83N/mm2>3.7N/mm2
需改用MU130級(抗彎強度標準值9N/mm2)花崗石fT=4.2N/mm2
石板抗剪截面最大設(shè)計剪應(yīng)力值
τ=P/[π*h/cos250*(D+h*tan250)]=1466/[15/cos250*3.14159*(13.5+15*tan250)]=1.38N/mm2<1.9N/mm2
例2．上例條件1000mm*1000*30mm花崗石，背栓11*15M6四個，驗算花崗石抗彎強度、抗剪強度。
解： 板長寬比 LX/LY=0.7/0.7=1 查彎距系數(shù) mOY=0.1559
石板抗彎截面最大設(shè)計正應(yīng)力值
σ=6mqLY 2=6*0.1559*5.862*10-3*7002/302=2.98N/mm2<3.7N/mm2
石板抗剪截面最大設(shè)計剪應(yīng)力值
τ=qa/4*1.25/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]
=(5862/4) *1.25/[(15/cos250*3.14159*(13.5+15*tan25o)] =1.72N/mm2<1.9N/mm2
例3．用MU130級(抗彎標準強度9N/mm2的花崗石)
300mm*2050mm*30mm,兩個13*15M8背栓各距板端400mm,
WK=3500N/mm2，驗算花崗石抗彎強度、抗剪強度。
解：石板自重標準值 GK=28000*0.03=840N/m2
地震作用標準值 qEK=βeαmaxGK=5*0.08*840=336N/m2
面荷載（作用）組合設(shè)計值
q面=1.4W+0.78 qEK =1.4*3500+0.78*336=5162N/m2
線荷載（作用）組合設(shè)計值 q線=b q面=0.3*5162=1549N/m2
背栓處支座反力 R1=R2= q線L/2=1549*2.05/2=1588N
彎矩 M=qL2/8{1-4(a/L)2} =1549*1.252/8*[1-4*(0.4/1.25)2]=178.619N/m=178619N/mm
石板截面抵抗矩 W=bt2/6=300*302/6=45000mm3
石板抗彎截面最大設(shè)計正應(yīng)力值
σ=M/W=178619/45000=3.97N/mm2<4.2N/mm2
石板抗剪截面最大設(shè)計剪應(yīng)力值
τ=R/[π*h/cosα*（D+h*tanα）]=1585/[15/cos250*3.14159*(15.5+15/tan25o)]
=1.37N/mm2<2.1N/mm2
三．背栓點連接花崗石幕墻用于復(fù)什部位連接設(shè)計
下圖為有五個凸角，三個凹角組成的裝飾線，用背栓將石材緊固在五個連接件上順利完成了裝飾要求，這對鋼銷、鋼勾是無法完成的。
四．雨幕原理（The Rain Screen Principle）和石材幕墻防水構(gòu)造設(shè)計
雨幕原理是一個設(shè)計原理，它指出雨水對這一層“幕”的滲透將如何被阻止的原理，在這一原理應(yīng)用中其主要因素為在接縫部位內(nèi)部設(shè)有空腔，其外表面的內(nèi)側(cè)的壓力在所有部位上一直要保持和室外氣壓相等，以使外表面兩側(cè)處于等壓狀態(tài)，其中提到的外表面即“雨幕”。壓力平衡的取得是有意使開口處于敞開狀態(tài)，使空腔與室外空氣流通，以達到壓力平衡。這個效應(yīng)是由外壁后面留有空腔所形成，此空腔必須和室外聯(lián)通才能達到上述目的，由于風的隨機性造成的陣風波動亦需在外壁兩側(cè)加以平衡。
大家知道，幕墻發(fā)生滲漏要具備三個要素：
A．幕墻面上要有縫隙；
B．縫隙周圍要有水；
C．有使水通過縫隙進入幕墻內(nèi)部的作用。
這三個要素中如果缺少一項滲漏就不會發(fā)生（如果將這三個要素的效應(yīng)減少到最低程度，則滲漏可降低到最小程度）。在外壁水和縫隙是無法消除的，只有在作用上下功夫，通過消除作用來使水不通過外壁縫隙進入等壓腔。在內(nèi)壁，縫隙和作用（特別是壓差）不能消除，要達到內(nèi)壁不滲漏，則要使水淋不到內(nèi)壁，這正好由外壁（雨幕）發(fā)揮的效應(yīng)來達到，外壁內(nèi)、外側(cè)等壓，水進不了等壓腔，就沒有水淋到內(nèi)壁，內(nèi)壁縫隙周圍沒有水，內(nèi)壁就不會發(fā)生滲漏，這樣單元式幕墻對插部位就不會有水滲入室內(nèi)了。這個設(shè)計的核心原理就是外壁（雨幕）內(nèi)、外側(cè)等壓，使雨水進不了等壓腔，達到內(nèi)壁縫隙周圍無水，即在內(nèi)壁消除滲漏三要素中水的因素來達到整體單元式幕墻接縫體系不滲漏。但是，要達到完全等壓是困難的，甚至在某些情況下是做不到的，這是由于外壁上的壓力是由風引起的，這種由風引起的壓力在時間上和空間上都是動態(tài)變化的。由陣風所形成的風壓變化，使外壁兩側(cè)的壓力隨之變化。在陣風波動的瞬間，外壁內(nèi)外兩側(cè)壓力是不等的（即等壓腔內(nèi)壓力與室外壓力不相等），要通過空氣流通來平衡，在空氣流通時就有可能將水帶入等壓腔。風壓在幕墻外表的分布也是不平衡的，風壓隨高度增加，有時幕墻外表面也有局部（邊角、頂部）呈負風壓狀態(tài)，當兩個開口處風壓不等或一處為正風壓另一處為負風壓時，等壓腔內(nèi)壓力約為兩個開口處風壓（負風壓）的平均值，雨水總是沿著壓力降方向滲入，外側(cè)壓力大于等壓腔壓力的開口處就會有雨水滲入等壓腔，因此應(yīng)該考慮雨幕層（外壁）必然有少數(shù)偶然滲漏的可能，這樣就要使已滲入等壓腔的水即時排出至室外。這樣單元式幕墻接縫處防水構(gòu)造要使外壁具有防止大量雨水滲入的能力，對少量滲入等壓腔的雨水能即時排出，使水淋不到內(nèi)壁，在內(nèi)壁消除滲漏三要素中水的因素，從而達到雨水不滲漏到室內(nèi)的目的。還必須指出這僅是理論上闡述的原理，實際工程中要完全消滅滲漏三要素中任何一項是不容易做到的，但不是說我們就無能為力了，雖然不能到達完全消滅滲漏三要素中任何一項的目的，但可采取措施使?jié)B漏三要素每一項減少到最最低程度。這樣在學習國外經(jīng)驗，總結(jié)本國經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對單元式幕墻對插接縫處防水構(gòu)造設(shè)計已有一套較成熟技術(shù)方案，即在橫（豎）向接縫的外側(cè)設(shè)置雨披，僅在兩單元組件連接處留一個小開口，使等壓腔與室外空氣流通，以維持壓力平衡，這樣形成一個自上而下、自左到右一個連續(xù)的外壁（雨幕），雨披沿接縫全長阻止大量雨水滲入幕墻內(nèi)部，僅開口處有少量雨水滲入，用封口板（集水槽）將沿豎框空腔下落的水分層集水并即時排至室外面板表面下泄，且排水孔遠離接縫，減少縫隙周圍水的聚集。封口板又將桿件空腔分隔成較短的分隔單元，減少等壓腔與室外壓力差，從而減少通過開口滲入等壓腔的雨水。增設(shè)外封口板，將沿板材（付框）構(gòu)造厚度處豎向空腔（這個腔位于披水內(nèi)側(cè)與桿件組成的空腔外壁之間）分層分隔，使沿這個空腔下落的水分層排至室外，避免水沿全高下落愈往下水層愈厚的情況發(fā)生，減少這些水滲入等壓腔的可能，同時外封口板將每層豎向接縫的開口遮擋成為向下的開口構(gòu)造，使水由于重力而下落無法長驅(qū)直入等壓腔，而且保持空氣流通，達到水不會由于重力作用或氣流滲入等壓腔的目的。采用這些構(gòu)造的單元式幕墻經(jīng)數(shù)次檢測，其水密性均在2500Pa以上，即在室內(nèi)外壓差超過2500Pa時不發(fā)生嚴重滲漏，氣密性達到〈0.05m3/m.h。
JGJ102新稿指出：明框幕墻玻璃與鑲嵌槽接縫部位和單元式幕墻組合桿的對插接縫部位宜按雨幕原理進行壓力平衡構(gòu)造設(shè)計。美國建筑鋁制品協(xié)會出版的《鋁幕墻設(shè)計指導(dǎo)手冊》指出：“這樣室外和建筑物內(nèi)部空氣壓力差的產(chǎn)生部位，不是在外壁表面，而是在內(nèi)側(cè)空氣隔墻部位。因此，這道空氣隔墻絕不能象簡單的氣密薄膜一樣，而是要具有結(jié)構(gòu)作用，以能承受風荷載的形成的壓力。”即如果對花崗石幕墻采用開口設(shè)計，則內(nèi)壁要和外壁等強，這樣就要花費近似兩倍外壁的費用，只有當內(nèi)壁是剪力墻時可考慮采用，但還必須注意開口構(gòu)造應(yīng)采取能防止重力，動能，毛細，表面張力等作用使水進入的構(gòu)造措施。這樣做對無墻壁部份是不經(jīng)濟的。
