玻璃纤维增强水泥外墙板的安装

司国栋 孙诗兵 吕 锋 田英良 崔素萍

（北京工业大学 材料科学与工程学院，北京 100124）

玻璃纤维增强水泥（GRC）外墙板是以耐碱玻璃纤维为主要增强材料、硫铝酸盐水泥或铁铝酸盐水泥或硅酸盐水泥为胶凝材料、砂子为集料，采用直接喷射工艺或预混喷射工艺制成的玻璃纤维增强水泥非承重外墙板。

GRC外墙板可根据建筑的需要塑造出各类不同的装饰风格，质感和色彩丰富，能满足大规格尺寸、异形化和个性化设计要求，赋予建筑极其丰富设计素材。GRC外墙板具有优良的抗拉、抗弯和抗冲击性能，且抗裂性好、重量轻，不怕潮、不燃烧，且安装施工速度快。近年来，装饰GRC外墙板发展迅速，国内已有GRC外墙板标准，正在制订相关建筑应用技术规程，但安装工艺标准、标准图集和相应的验收规范比较欠缺，给设计、施工和使用带来许多困难，不利于GRC外墙板的健康发展。本文在研究国际GRC协会GRCA，欧洲标准化委员会CEN，（美国）预制 /预应力混凝土研究所PCI 三大标准的基础上[1，2，3]，结合目前国内外GRC外墙板的工程实际[4，5，6]和实际工程经验，建议了GRC外墙板安装节点，以期为安装工艺、质量控制和标准化建设提供帮助。

1 GRC外墙板的分类

按照GRC外墙板的构造可分为单层板、有肋单板、框架板与夹芯板四种类型；按照板有无装饰层将其分为有装饰层板和无装饰层板[7]。

单层板面积较小，加肋可以提高板的强度和刚度，承受风荷载和地震作用，满足变形要求。由于夹芯板两面温度和湿度的差异较大，可能造成板的弯曲变形和局部应力集中，夹芯板的形状和尺寸都受到限制，一般不超过6m2。

框架板由面板、背附钢架及锚栓（柔性、重力、抗震）组成，柔性锚栓限制板侧向（板面的法线方向）位移，不限制板在板面内水平方向和垂直方向位移。重力锚栓位于板的底部，支撑板的重量，不限制板在板面内水平方向位移。锚栓处局部加厚的厚度应大于或等于面板厚度。框架板一般10-20m2，最大面积可达50 m2，可制造各种复杂形状，同一钢架上可安装多块面板，框架板选用不锈钢和镀锌处理防止锈蚀。

框架板四周30mm～40mm 的肋能够提高强度并有利于板缝密封。风荷载和地震作用产生位移，柔性锚栓的数量由侧向位移以及板中最大应力确定，重力锚栓的数量由纵向位移以及板的重量确定。GRC面板加肋后，能够减少锚栓数量，但板的重量增加。重力产生的剪应力和风荷载容易使局部加厚处破坏。

2 GRC板的锚固点设置及板缝处理

安装GRC外墙板应该确保与结构的连接安全可靠，有足够的偏差调整能力，能够满足一般结构偏差。安装的GRC板应允许结构位移或板自身因温度湿度变化产生的变形，所采用的柔性连接应有利于锚固点传力均匀。

GRC板的收缩包括不可逆的水泥收缩和可逆的湿胀干缩，1：1 砂胶比的GRC板总收缩为0.12%，不可逆收缩为总收缩的1/4-1/3，不可逆收缩约为0.03%～0.04%。取GRC板的弹性模量E 为15 N/mm2；如果限制GRC外墙板胀缩变形，板中产生的压应力或拉应力能高达18N/mm2。假定温度变化量ΔT 为30℃，线膨胀系数α 为18×10-6/℃，板长为2.5m 产生的伸长量1.35mm。如果限制GRC外墙板温差变形，板中产生的压应力或拉应力高达8.1 N/mm2。这样收缩变形和温差变形产生的应力最大可达到26.1 N/mm2，而喷射成型抗弯极限强度（MOP）为18 N/mm2，所以安装的GRC外墙板应特别注意允许温度湿度变化产生的变形。过度的约束将限制GRC板的收缩和温度湿度变化引起的变形，采用柔性连接可以有效地允许变形[8]。

许多因素会引起建筑结构的变形，一块GRC板不应安装在可能产生相对位移的结构上，龙骨能够减少这种变形的影响。通常在GRC板底部设置承重支撑锚固点，使板处于受压状态，避免吊挂方式产生张应力。面板安装时应按照设计要求的数量和位置进行，并调整好重心支撑点，尽可能减少偏心距。为提高抗震性应在重心处增设锚固点。

单板和有肋单板的所有锚固点应限制板在板的法线方向的位移，允许板在板平面方向内一定程度的偏移。安装板锚固点的合理的布局如图1所示。底部一个锚固点为重力固定支撑点（紧固点），其他的重力支撑点允许水平方向的位移（滑移点）。底部以外的其它锚固点允许垂直方向和水平方向的位移（滑移点）。

图1 合理的锚固点布局

GRC板板缝宽度不仅要考虑外观要求，还应考虑收缩、温度湿度变化、面板尺寸、固定方式和偏差（制造、现场安装）的综合影响。板缝的密封非常重要，为了保证密封胶与板的粘结，首先对板进行界面处理，塞入比板缝大30%背衬条，再打密封胶。对水平企口缝可以先在下层板上粘贴压缩密封条，然后安装上层板，再打密封胶，实现双层密封。搭接可以容许更大的变形，接缝更为平滑，密封胶处于受剪状态。

钢结构比混凝土结构变形大，GRC面板的支撑钢架应不承受主体钢结构的荷载，钢架仅承受自重和GRC面板的重量。当主体钢结构上固定GRC板时，在荷载的作用下，钢结构的挠度增大，可能造成垂直板缝顶部变窄，板与板之间的接触，因此考虑适当增大板缝。

3 GRC板连接部分

GRC外墙板连接系统由连接部分（GRC板、挂件的连接部分）、支座部分（预埋件）两部分之间的转接部分组成[9]。锚固点应分为紧固点和滑移点，紧固点和滑移点的设置应满足板材变形的要求。

3.1 单层板连接部分

单层板连接方式一般有销栓式和槽式，分别如图2a和图2b所示。外墙板一般安装在钢骨架，GRC板上的连接部位一般采用局部加厚的粘接盘，粘结盘的厚度应大于或等于面板厚度。销栓通过GRC板边沿粘接盘上的孔受力，板的销孔处配合过紧时应力比较集中，局部容易碎裂。槽式可以分为短槽和通槽。挡板与板材边沿局部加厚或者加肋部分的槽连接，挡板比销栓能够将应力分布在更大的范围，但由于挡板与板材槽的偏差增加安装难度。

图2 单层板连接方式

两块相邻的板可以一个销栓或挡板只连接一块板如图3a，也共用一个销栓或挡板，如图3b所示。

图3 单层板与板的连接

槽式安装用挡板的形式多样，可以是上下翻头“T”形卡条，如图4a所示。因其上下翻头厚度和弯度迫使所安装沟槽必须加宽，安装时对板材容易造成破损，加工槽宽用胶量过大使其综合成本加大。现场焊接此种挂件降低了板材破损，但因焊接时高温加热会产生“退火”现象，降低了挂件强度，容易锈蚀且影响美观[10]。SE 挂件在一个转接部位分别固定两块板，该方法在石材幕墙安装中经常用到，如图4b。也可采用有背支板，将GRC板固定在“F”形卡条上，与骨架固定[11]，如图4c。另外，还可以采用插指卡件和托卡一体式卡件[12]，分别见图4d 和图4e。

3.2 有肋单板连接部分

有肋单板连接部分包括预埋内螺纹件式、穿孔式、销栓式和槽式。

预埋内螺纹件式通常将不锈钢内螺纹埋件预埋入有肋单板或夹芯板中，为增加埋件与GRC板的握裹力，采用特殊的端部形状（如图5a），尽可能将荷载分布在板的较大范围内。为避免安装时紧固螺栓对面板的影响，预置内螺纹埋件高度应超出板面，预置内螺纹埋件到肋边缘的距离不小于埋入板肋的深度，如图5b所示。

图4 槽式连接的主要方式

预埋内螺纹件式通常将不锈钢内螺纹埋件预埋入有肋单板或夹芯板中，为增加埋件与GRC板的握裹力，采用特殊的端部形状（如图5a），尽可能将荷载分布在板的较大范围内。为避免安装时紧固螺栓对面板的影响，预置内螺纹埋件高度应超出板面，预置内螺纹埋件到肋边缘的距离不小于埋入板肋的深度，如图5b所示。

图5 预埋内螺纹件式

穿孔式连接用于较小的GRC板，如图6所示，生产GRC板时预制螺栓孔和预埋垫片，安装时使用氯丁橡胶弹性垫片调整偏差，用GRC等填封料密封连接件[13]。

销栓式和槽式类似于单层板，GRC外墙板顶部限制侧向位移（如图7a），扁铁插入纵向槽锚固墙板。“L”型钢筋或扁铁插入面板后局部加厚的预留孔槽，如图7b所示，这种连接的强度比采用预埋内螺纹件时差，仅适用于小型板。

图6 穿孔连接

图7 带肋板“L”型钢筋或扁铁的连接方式

3.3 框架板面板连接

框架板的面板与背附钢框架采用钢筋锚杆连接，面板与锚杆为铰接，如图8所示。锚杆分为柔性锚杆、重力锚杆和抗震锚杆，如图9所示。柔性锚杆垂直于面板，将面的法向荷载传递给框架，重力锚杆将竖向荷载传递给框架，柔性锚杆和重力锚杆不应约束GRC板的收缩和温度湿度变化引起的变形，锚杆处局部加厚的厚度应大于或等于面板厚度。装配在夹套内的钢筋或扁钢锚杆都应便于面板在板面内自由运动。所有锚杆应指向面板的中心，以缓解收缩应力。当锚杆必须指向另一个方向时，必须有足够的距离，以适应面板的自由收缩。较大较重的GRC板采用扁钢锚固。

3.4 夹芯板连接

夹芯板是由两层GRC板和轻质隔热芯板组成，GRC板厚度通常在10-15mm。为了防止夹芯板因内外温度湿度变化产生变形，通常对外层GRC板连接部位局部加厚，采用单板和带肋单层板的连接方法，夹心板整体构造及固定件形式如图10所示。

4 GRC外墙板与主体结构的连接

GRC外墙板与钢筋混凝土的连接可采用膨胀螺栓，化学膨胀螺栓，预埋件的方式。

图8 框架板构造形式

图9 锚杆连接形式

图10 夹芯板连接

预埋件（哈芬槽）如图11所示，先将带有固定锚栓的C 型槽预埋于混凝土中，再将T 型螺栓的大头扣进C型槽中，要安装的构件再用T 型螺栓固定。

与钢结构的连接可采用预钻孔和现场钻孔的方式，也可采用夹具固定的方式和焊接（保证焊接防腐措施）。在砖墙或砌块墙体上安装的GRC外墙板尺寸一般比较小，墙体要进行增强和专门处理。相对大板来说，小板能够更均匀地将风荷载和板的自重分布在墙体上。锚固点应在砖或砌块上，不得处于砂浆处。

与玻璃钢挤拉型材结构连接时，避免荷载作用在最薄弱的方向上或部分截面上，希望将荷载作用在截面最强的拉挤方向上。GRC部件的支撑结构使用挤拉型材有许多优点。但在设计过程中必须充分考虑它们的各向异性特点。另一个重要的考虑因素是挠度，可以通过引入支撑，或者改变支撑结构的形式解决。

图11 预埋件（哈芬槽）

5 GRC外墙板偏差

安装GRC外墙板的结构偏差应满足相关规范的要求，还要考虑生产制造GRC外墙板的偏差和安装偏差，允许板收缩、温度湿度变化产生的位移。为了顺利安装，要求针对个体工程设计GRC外墙板和连接系统，由专业安装人员施工。

安装GRC外墙板时，三个方向都应该能够进行调节。角钢上的孔和带齿垫片提供多方向调节与固定，垫片提供垂直于墙面的水平调节。角钢上的水平槽用于平行于墙面的水平调节，通过多个聚四氟乙烯垫片调节垂直方向，为避免GRC外墙板的损坏，应满足支撑处的最小承受压力的面积，垫片的最小厚度12mm，垫片的下端低于角钢的弯起处，如图12所示。角钢倾斜的接触方式将会导致应力集中对GRC板造成损坏，如图13所示。

图12 安装偏差调整

图13 固定角钢偏差调节

图14 预埋哈芬槽偏差调节

预埋哈芬槽能够提供水平方向或垂直方向较大的调节，带齿的槽能够提供调节并锁死。这种情况下，角钢上的水平槽必须提供平行于墙面的水平调节，为防止电化学腐蚀，低碳钢与不锈钢之间采用聚氯乙烯和聚四氟乙烯隔离垫。如图14所示。

起吊应该设置专门锚固，避免损坏安装锚固，起吊时尽可能垂直，起吊点对称于板的重心，如图15所示。吊装点可采用预埋内螺纹件和锚固钢筋。设置吊装点的原则是吊装过程中构件弯曲应力最小，采用铁扁担和转台使受力合理。如果单块板的重量超过40-45kg，两个人抬举困难，应该采用吊装设备，GRC框架板容易吊装，采用吊索直接绑扎框架。

图15 吊装示意图

对建筑结构耐久性的影响因素通常有接触（电偶）腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂。环境条件（氯离子）是金属固定件受到腐蚀最常见的原因。潮湿环境腐蚀固定装置，导致结构损坏。腐蚀后的低碳钢膨胀到原来厚度的四倍以上，这种膨胀显然会对GRC面板产生不良影响。通常采用特殊材料来加工固定装置如镀锌固定装置、不锈钢固定装置和玻璃钢型材。但这些材料因具有良好的耐久性而成本较高。所以应合理选择耐腐蚀等级与建筑寿命匹配的固定装置从而节约建筑成本。