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摘要：点挂背栓式石材幕墙承受垂直于面板的均布荷载时，背栓开孔周围分布着较大的应力，显著影响石材幕墙的承载能力。本文对面外荷载作用下背栓石材的抗剪进行分析。石材在钻背栓孔后，面板在钻孔处剩余厚度很小，在正风作用下，此处存在较大的剪应力，也是现场出现背栓开孔处板块破坏的主要原因之一，因此对石材面板的水平荷载作用下的最大剪应力加以限制是有必要的。[1]
关键词：背栓；抗剪计算；钻孔深度；拓孔直径
1前言
石材幕墙作为一种常见的建筑物外围护形式，具有高抗压性、抗震性好、美观性以及适用性等特点。伴随着我国经济、科技的飞速发展，石材幕墙工程中的新材料、新技术、新工艺、新标准都在发生改变，使石材幕墙与现代科学、技术、艺术的发展更加密不可分。[2]
石材幕墙通常由石板支承结构组成，不承担主体结构荷载与作用的建筑围护结构。石材幕墙常用连接方式有：钢销式、短槽式、通槽式和背栓式等[3]。而背栓式相比其他几种连接方式而言，具有以下优势：受力状态更明确、安全可靠度更高、建筑效果好、安装方便和便于维护等，故在越来越多的工程中被采用。
2正文
点挂背栓式石材幕墙中，石材面板要承受多种荷载，其中包括自重、风荷载、雨雪荷载、地震作用、施工荷载、温度作用、支座位移以及活荷载等。其作用的形式可以分成两类：垂直于石材面板表面的作用和平行于石材面板表面的作用。平行于石材面板表面的作用（称为面内作用）会使石材面板发生边缘剪切破坏。石材边缘剪切破坏可以通过控制孔边距加以控制。垂直于石材面板表面的作用（称为面外荷载）会使石材面板发生弯曲破坏和石材孔的剪切破坏。现行《金属与石材幕墙工程技术规范》（JGJ 133-2001）没有提及石材孔的剪切破坏的计算方法，但实际工程中确实存在面外荷载使石材成孔发生剪切破坏的现象，故点挂背栓式石材幕墙应该考虑及校核面外荷载作用下石材成孔的剪切破坏。
石材在钻背栓孔后，面板在钻孔处剩余厚度很小，在正风作用下，此处存在较大的剪应力，也是现场出现背栓干挂点板块破坏的主要原因之一。本文参考《点挂外墙板装饰工程技术规程》（JGJ 321-2014）中规定的石材抗弯和抗剪计算方法，以实际工程案例，来对石材面板的面外荷载作用下的最大剪应力加以限制进行分析。
深圳某工程，地面粗糙度：A类，基本风压0.75kN/m2；抗震设防烈度：7度，基本地震加速度：0.10g。裙楼采用石材幕墙，裙楼建筑标高为20.0m，石材面板采用30mm厚的花岗岩（石材面板弯曲强度平均值：8.0 N/mm2）标准板块尺寸1200mm（宽），900mm（高），背栓边距150mm。
按照规范计算的风荷载和垂直于面板方向的地震组合作用设计值：正风压情况：qz=0.003184 N/mm2，负风压情况：qf=0.004172 N/mm2。
按照《点挂外墙板装饰工程技术规程》（JGJ 321-2014）5.2.5-1条计算石材面板的抗弯强度设计值、石材面板的抗剪强度设计值分别为：3.721 N/mm2 和1.860 N/mm2。
参数整理：
面板水平边长：Lx=1200mm，面板竖向边长：Ly=900mm，面板厚度：t=30mm，
背栓水平方向边距：ax=150mm，背栓水平方向边距：ay=150mm，
石材面板的抗弯强度设计值：ft_sc=3.721 N/mm2，
石材面板的抗剪强度设计值：fv_sc=1.860 N/mm2。
图1：板块示意图
1）石材面板抗弯强度计算
按照《点挂外墙板装饰工程技术规程》（JGJ 321-2014）5.3.3条进行石材面板截面抗弯强度计算（公式一）：
式中：σ－面板截面最大正应力设计值（N/mm2）；
q－风荷载和垂直于面板方向的地震组合作用设计值（N/mm2）
（此处取正风压情况和负风压情况的较大值）；
m－弯矩系数，可由面板长边与短边及锚固点距板边缘之比，
按附录 A的规定采用；
Lx－面板水平边长（mm）；
Ly－面板竖向边长（mm）；
t－面板厚度（mm）。
按照《点挂外墙板装饰工程技术规程》（JGJ 321-2014）附录 A的规定计算弯矩系数m：Lx/Ly=1.333，ax/Lx=0.125，ay/Ly=0.167，内插得m=0.1009。
将上述已知条件代入公式一，可求得面板截面最大正应力设计值σ=3.031 N/mm2 小于ft_sc=3.721 N/mm2，利用率：σ/ ft_sc=81.5%，满足设计及规范要求！
2）石材面板抗剪强度计算
按照《点挂外墙板装饰工程技术规程》（JGJ 321-2014）5.3.4条进行石材面板截面抗剪强度计算（公式二）：
式中：τ－在风荷载和垂直于面板方向的地震组合作用下背栓在面板
中产生的最大剪应力设计值（N/mm2）；
q－风荷载和垂直于面板方向的地震组合作用设计值（N/mm2）
（此处取正风压情况数值）；
n－一个连接边上背栓个数；
d1－背栓在面板中前端拓孔直径（mm）（由背栓对石材成孔要
求决定）；
h－背栓在面板中的钻孔深度（mm）（由背栓对石材成孔要求
决定）；
t－面板厚度（mm）。
图2：背栓石材局部竖剖 图3背栓石材局部横剖
由公式二可知，影响孔剪应力状态的影响因素有：背栓的开孔直径、深度和石材厚度及孔边距。其中石材厚度（开孔后的残余厚度）对石材背栓孔的剪应力起控制作用。故在设计工程中，背栓式石材幕墙石材面板的厚度应该合理选择。当石材的厚度确定时，背栓的种类也将是影响背栓孔剪应力的因素之一，不同种类的背栓，成孔的要求也是不一样的。
这里介绍两种常见的背栓形式：非旋进式背栓和旋进式背栓。两种背栓工作机理基本相同，但二者对石材板成孔尺寸控制要求是不同的，结合某知名品牌背栓的对石材板成孔尺寸控制要求表可以看出：非旋进式背栓的钻孔直径、拓孔直径都要大于旋进式背栓的要求。
某知名品牌背栓对石材板成孔尺寸控制要求（mm）
注：ds（单切面背栓无）的厚度由石材厚度允许公差决定。
本工程前期拟采用M6旋进式背栓，将拓孔直径d1=11.2mm（考虑0.3mm允许负公差）和钻孔深度h=15.4mm（考虑0.4mm允许正公差）代入公式二，可求得面板中最大剪应力设计值τ=2.092 N/mm2 大于fv_sc=1.860 N/mm2，利用率：τ/ fv_sc=112.4%，不满足设计及规范要求！
最后采用M6非旋进式背栓，将拓孔直径d1=13.2mm（考虑0.3mm允许负公差）和钻孔深度h=15.4mm（考虑0.4mm允许正公差）代入公式二，可求得面板中最大剪应力设计值τ=1.775 N/mm2 小于fv_sc=1.860 N/mm2，利用率：τ/ fv_sc=95.4%，满足设计及规范要求！
值得注意的是：本工程中石材面板的抗剪强度（95.4%）利用率远大于其抗弯强度利用率（81.5%）。由此可见，该工程石材面板强度控制要点恰恰是我们平时容易忽略的成孔抗剪强度，而非我们熟悉的面板抗弯强度。
3结语
点挂背栓石材幕墙在外观、安全性、耐久性、可更换性等方能具有较大的优势，特别适用于高层建筑和抗震建筑幕墙。在国内、国际市场上愈来愈多的的国家和地区广泛使用。[4]
作为设计师，我们不仅要关注石材抗弯强度校核，也应该关注石材抗剪强度校核。设计师应该全方面看待石材面板强度校核，必要时应采取有限元软件辅助进行石材面板、背栓成孔的受力分析。同时，设计师应能够根据工程实际情况，选用合理选用背栓连接方式，以达到结构安全可靠，经济合理，适用美观的要求。
参考文献：
[1] JGJ 321-2014《点挂外墙板装饰工程技术规程》[S].北京：中国建筑工业出版社，2014
[2] 李凡.背栓石材幕墙干挂法的优势研究 [D].长安大学，2011.
[3] JGJ 133-2001《金属与石材幕墙工程技术规范》[S].北京：中国建筑工业出版社，2001
[4]项玲芳，周禄，望天柱.开放式背栓干挂石材幕墙技术及应用 [J].技术探讨，2014（12）.
论文作者:郭瑞峰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第14期
论文发表时间:2018/7/23
标签：石材论文; 面板论文; 荷载论文; 幕墙论文; 应力论文; 强度论文; 厚度论文; 《基层建设》2018年第14期论文;