背栓石材幕墙的发展与旋转背栓

龙文志，张陈泓

摘要：介绍了石材幕墙及背栓石材幕墙的发展，提出了背栓石材幕墙需要考虑和改进的问题，简要分析旋转背栓性能。

关键词：侧面干挂背式连结旋转背栓

1石材幕墙及背栓石材幕墙的发展

1．1石材幕墙的发展

建筑幕墙是由幕墙支承结构体系与面板组成的建筑外围结构，根据建筑幕墙使用的面板材料，可分为玻璃幕墙、金属幕墙、石材幕墙等。实际应用时，尤其是大型工程中，往往采用组合式幕墙，即在同一工程中同时采用玻璃、金属、石材等作为幕墙的面板。2005年我国建筑幕墙达到5200万㎡，其中石材幕墙约占30％，约1500万㎡左右。上世纪90年代中期，石材幕墙年平均约50万㎡，10年时间年平均用量增长了近30倍。现在中国石材幕墙最高度已达到230m；最大风荷载的设计值已达12kPa，单个工程使用石材幕墙用量可达到了10万㎡。

目前用天然花岗石作为幕墙面板的比较普遍，天然花岗石是脆性材料，抗弯、抗剪强度低，自重也比较大。其物理力学性能因产地不同差异很大，即使同一产地不同开采部位也有差异，同时加工设备、加工工艺对其质量影响比较大，尤其强度分散性大。因此，石材幕墙安全性不亚于玻璃幕墙。在石材幕墙快速发展的同时，对其安全使用自然有种种疑虑，在石材幕墙的实际工程中，也出现了不少令人担忧的现象。

1．2 2005年抽查十城市既有幕墙安全情况抽查基本情况见表1，项目总数96项，兼含石材幕墙20项，有故障及隐患的7项，约占总数量的30％。

1．3石材幕墙破裂举例

表1 2005年抽查1O城市幕墙统计

1．4如何提高石材幕墙安全性

安全l生建筑行业普遍关注的课题。

石材幕墙工程实践表明：面板材料安全和连结可靠互为影响、互相依存，面板与支承连结可靠性直接影响石材幕墙安全性。因此，石材幕墙在摒弃水泥湿贴工艺之后，集中在干挂连结结构研究和开发，先后有两个方面的干挂连结结构件，即石材侧面干挂连结结构件和石材背面干挂连结结构件。侧面干挂连结结构件有：销钉挂件、T型挂件、蝴蝶挂件、通槽挂件、L形挂件、复合挂件等。石材侧面干挂连结结构件主要是从国外引进的，经过30年的实践，试验和施工实践经验都表明销钉挂件、T型挂件、蝴蝶挂件等的可靠性、可拆性较差，通用性不强，市场逐渐缩小。从以上一些照片可看出，侧面连结也较背式连接质量问题多，石材的槽壁根部承受弯剪应力，石材面板槽壁板脊根部易发生剪切弯曲破坏。加之传统的开槽工艺容易损坏石材，使得侧面干挂连结结构法的安全性不高。目前石材幕墙市场不断扩展，背式连接挂件也不断改进、完善，先后有慧鱼膨胀环背栓、斯泰双切面背栓，旗鱼旋转背栓，安捷弹性背卡等。

2背栓石材幕墙的发展

背栓式石材幕墙是一组底部拓孔，采用专用工艺，通过锚栓凸形结合与框架支撑协调组合而成的干挂石材的新技术、新工艺。背栓式也称无应力锚固式，采用在专业设备上由专门与锚栓匹配的金刚石钻头拓孔技术，一般对石材不会损伤；锚栓在拓孔部分与锚固技术形成凸形结合，通过啮合将荷载传给锚固基底，膨胀环有三个对称的接触点，保证了应力的均匀分部；其寿命提高，造价降低，易于更换，使用维修也比较方便。

背栓石材幕墙已有二十多年历史，我国在二十世纪90年代开始使用。1998年建成的上海中银大厦(浦东国际金融大厦)高235m，在139m以下采用了背式点连接花岗石幕墙，复盖主体结构表面15000 ㎡，花岗石幕墙(其构造型式为凸梯形与凸矩形组合)展开面积22000 ㎡：，使用了约3万块花岗石，6万个背栓，花岗石尺寸为(H×B)2.05m ×0.3m。类似的还有上海交银大厦，见图6所示。

中组部背式点连接花岗石幕墙花岗石尺寸为(H×B)2m × 2.7m，单块板重600kg。此外，全国还有很多工程采用了背式点连接花岗石幕墙。

用背栓点连接花岗石幕墙进行建筑外饰面花岗石施工是建筑外饰面施工技术的突破，使石材幕墙有了广阔的使用领域，背栓点连接花岗石幕墙的背栓仅用作为石板材与连接件的紧固件，这样连接件可按需要灵活设计，其他干挂连接的使用部位和方法带有很大局限性，背栓点连接方法为石材幕墙和玻璃(金属)幕墙组合成组合幕墙创造了条件，即在同一立柱上可左面安装玻璃幕墙，右面安装石材幕墙，在同一横梁上，可上面安装玻璃幕墙，下面安装石材幕墙。

图6 1999年建成的上海交银大厦采用的后切式背栓点

连接花岗石幕墙，最高标高达196m

3背栓石材幕墙需要考虑和改进的问题

3．1石材的拓孔工艺的改进

钻孔后再摆动扩孔的拓孔工艺，在石材底孔根部造成损伤。易使孔根部产生裂纹或损伤，改进后的打孔方法，是采用特殊工艺加工而成的钻头通过改变钻头的运动方向来一次性完成钻拓孔的打孔工艺。

3．2埋人背栓的可靠性

图7是膨胀环背栓的膨胀环未到位照片，使业内人士对膨胀环背栓的埋人可靠性产生忧虑，旋转背栓进行了改进，提高了埋人背栓深度的精确性和可靠性。

3．3背栓埋深的精确性和抗拔性

试验结果表明：原背栓与改进背栓不同工艺的不同孔深条件下，改进背栓抗拔力高于原背栓抗拔力。通过旋人式工艺背栓埋深的精确性大大得到提高。

3．4薄板及人造板推广应用

应当说明背栓点连接方法和工艺，是德国公司首先在中国推广应用。在中国率先引入背面连接技术理念。德国公司对中国石材幕墙的发展作出了贡献。实践发展表明德国慧鱼背栓有很多优点，但也有值得改进之处，中国一些公司这方面的研发工作也一直未停，这些企业发展了背式连接的长处，不断改进了原背栓一些的短处，尤其是在以上所述的需要考虑的问题上有较大改进。本文介绍其中一例就是其中一例。

4旋转背栓性能简要分析

4．1热胀冷缩及压胀应力对比分析

花岗石属脆性材料，在与不锈钢硬性扩胀抵触时，易造成胀应力，至使花岗石直线进裂破坏，或因此留下安全隐患导致石材在温差、地震时进裂。面对以上问题，旋转背式连接背栓通过旋转式安装的方法并对背栓进行顶进限位设计，背栓套将膨胀到设定大小后，便不再膨胀，避免了敲击所带来的突变荷载造成的胀应力，消除了膨胀环未到位的隐患，有效地解决了由于热胀冷缩及压胀应力带来的不利影响。确保了脆性板材的安全可靠性。如图8所示。

4．2受正风压对比分析

由于石材自身的厚度不一，为控制装饰面的平整度，锚固深度难以控制，当背栓植入深度较深时，在正风压的影响下，可能会出现顶裂石材问题。旋转背式连接背栓利用背栓套根部螺栓形成的切面与石材紧密相连，避免了背栓底部受正风压的影响，从而背栓深度可以加深，大大提高了安全系数。可适用于各种高度，最大风压地区使用。如图9所示。

4．3抗扭剪分析

普通背栓由于间隙与公差，使背栓系统与石材不能形成整体，在外力作用下而产生扭力与剪力，在此综合应力下，板材会造成下垂等缺陷，旋转背式连接背栓由于最大限度克服了间隙与公差，形成了一个整体抗扭抗剪的态势，从而有力了解决了这个问题。见图10所示。

图l0 两种背栓抗扭剪分析

4．4锚固件抗拉拔承载力能力试验及拉伸试验

从实验情况看，旋转式连接背栓对石材的锚固处产生破坏，破坏状态为石材锥度破坏。影响破坏的因素有背栓锚深、石材本身强度、背栓直径等，其中锚深影响最直接。经统计，6mm背栓连接抗拉拔承载能力4.5-8kN，8mm背栓连接抗拉拔承载能力为5-10kN，而6mm背栓其极限拉伸强度为14kN，而8mm背栓其极限拉伸强度25．6kN，是背栓锚固石材拉拔力的2.5-10倍，也就是说背栓锚固石材只会是石材被冲切破坏。从上面的数据分析可知背栓的直径并不能显著提高背栓的连接抗拉拔承载能力，在石材冲切破坏时并不起决定性作用。而通常都是因为石材本身的强度不够而被破坏的。故应在石材选用上多加控制。

4．5抗震性能分析

旋转式连接背栓具有限位扩张无胀应力、无压应力，形成了抗震抗风荷载较理想的悬挂小单元。在通过国家工程质量监督检验中心采用最新规范抗震实验时，幕墙试件在峰值加速度为70gal、100gal、200gal、400gal、620gal的“EL-Centro”地震波和“人工”地震波的X、Y和Z方向模拟地震作用过程中，没有发生任何损伤和破坏。

4．6成孔质量的可预见性

成孔的质量是背栓与板材是否能牢固连接的很关键的一环。所以板材在挂好之前的每一步检测都非常重要。现在市场上敲击式背栓是通过强力敲击进人板材内部，再通过异形螺杆带动背栓套的扩张达到固定的效果。故而它对孔尺寸要求不高，也就是说孔大小不是很重要。这正是其带来安全隐患弊端的不可预见性。其危害程度是潜在的，所以往往不为人所重视，最终造成的损失将是惨痛的。采用最新规范设计的锚栓可以消除敲击式背栓的安全隐患。这种通过独特的设计不仅避免了应力集中过大，而且它可以在背栓安装时就能检测出孔的合格与否并及时纠正，并有良好的可更换性。这是市面上现有的背栓无法做到的。

旋转式背栓在背式连接的石材幕墙及其他脆性薄板幕墙中值得推广，其主要优点见表2。

表2 国内外背栓性能对比分析表

4．7最新研发旋转背栓的介绍

旗鱼公司在保留原背栓旋转式安装、无应力、可重复使用等诸多优点的基础上，最近又进一步开发出更安全、更实用的新产品。

4．7．1 M6、M8系列背栓的背栓套尺寸加大，相应的直孔孔径由原来的7.5mm、9.5 mm增大到9.5mm、l1mm，拓孔直径由原来的9.5mm、l1.5mm增大到11．5mm、13.5mm。由于与基体孔壁的接触面增大，有效地提高了在外力作用下的拉拔力。

4．7．2通过设计把柔性缓冲套置于其中，有利地消除了地震及反复风荷载作用下的应力集中，大大降低了由此引起破坏的风险，提高了安全系数。

4．7．3背栓套裙身及裙脚加厚、加大，避免了在超负荷外力作用下，裙脚被拉断，间接提高了背栓的抗拉拔的能力。

4．7．4新型背栓(二件套)采用平头螺栓，内置内六角孔径(原有3mm改为4mm，扭距加大)，从而避免了安装时的滑丝现象。

4．7．5新型背栓(二件套)与原有背栓相比少了螺帽，安装更简易，降低了安装时的繁锁程度。

4．7．6新型背栓与挂件之间的连接由平头螺栓固定，具有限位措施，从而避免了顶穿板材面现象。并且比原来的螺帽固定在安装上更安全，不必担心螺帽日久松动。

4．7．7新型旋转背栓与原旋转背栓性能比较分析见表3。

表3 新旧背栓性能比较

转载：《石材》2007年6期，24-29