石材幕墙—敲击式背栓连接施工技术

2018-05-30李静，邬科

江西建材 2018年6期

李静，邬科

(1.中铁建工集团有限公司,上海 200331；2.南昌铁路局集团有限公司南昌房建工程建设指挥部,江西南昌 330002)

1 前言

随着经济和科技水平的不断发展,越来越多的建筑外墙采用石材进行装饰,使用部位也由以前的底层建筑、裙楼建筑逐渐拓展到高层建筑上,施工工艺也由传统的湿作业法变为干挂法,干挂石材幕墙具有高端、大气、安全性能高等特点。

现有的石材干挂主要分为插销式和开槽式两种形式,其中插销式是通过专业的开孔设备,在石材棱边精确加工成一条圆孔,将销针植入孔中,通过连接件将石材固定在龙骨上；开槽式是通过专业的开槽设备,在石材棱边精确加工成一条凹槽,将挂件扣入槽中,通过连接件将石材固定在龙骨上。插销式和开槽式需要通过专业的设备在棱边开槽,对石材面板的厚度要求较高,且开孔容易崩边,石材损耗较为严重；棱边开孔完毕大范围移动容易造成崩边,故只能在现场进行孔洞开设,施工效率低下。

敲击式背栓式连接是通过专业的开孔设备,在石材背面精确加工里面大、外面小的锥形圆孔,把锚栓植入孔中,拧入螺杆,使锚栓底部完全展开,与锥形孔相吻合,形成一个无应力的凸型结合,通过连接件将石材固定在龙骨上。在石材背面进行孔洞开设,不容易损坏石材,且可在工厂进行专业机械化开孔,开洞完毕运至现场直接安装,不仅提高了现场施工效率,也大大提升了孔洞定位的精准性。通过以上分析,不难看出,石材幕墙采用背栓连接在标准要求高、工期紧张的工程建设中具有极大的优势。中铁建工集团有限公司承建的新建南昌铁路调度所工程为铁路工程,具有质量标准要求高、工期紧张等特点。本工程石材幕墙采用敲击式背栓连接的施工工艺,通过现场实践,形成了本工法。

2 工程概况

新建南昌铁路调度所项目位于南昌市西湖区二七南路128#,工程总占地面积为7047m2,地下两层(局部三层),地上九层,建筑总高度49.9m。

3 工法特点

(1)每块石板材独立安装、独立更换,作为独立单元受力,能排除硬性接触带来荷载反应,具有更好的安全性能及抗风压、抗震动和降低热胀冷缩效应等性能,使用寿命更高,维修更换方便。

(2)在工厂进行孔洞开设,现场安装,无粉尘污染,极大解决了闹市区粉尘污染的难题。

(3)工厂机械化加工,可准确控制石材与锥形孔底的间距,确保幕墙的表面平整度及垂直度。

(4)工人在石材背面打上膨胀螺丝以后,采用紧固工具进行紧固即可,安装相当方便；工厂开洞精准,现场安装完毕调整工作量少,可极大缩短工期。

4 适用范围

适用于非抗震设计或抗震设防烈度不大于10度的建筑石材幕墙工程施工。

5 工艺原理

在专用机器上利用烧结式钻头在石材板背部根据定位(距板边不小于50mm处)先钻出直孔,继而钻头做偏心运动形成底部大上部小的类似花瓶状的背栓孔；其次在石材背栓孔处敲击植入背栓,使锚栓底部完全展开,与锥形孔相吻合,形成一个无应力的凸型结合；最终通过金属连接件与立柱骨架相连,以每块石材板为单元将力直接通过骨架传递到主体结构。

6 施工工艺流程及操作要点

6.1 施工工艺流程

幕墙石材敲击式背栓式连接的施工工艺流程如图所示

图6.1 施工工艺流程

6.2 背栓连接石材的选用与校核

6.2.1 基本参数：

(1)计算点标高：15m；

(2)板块净尺寸(短边×长边)：a×b=900mm×1350mm；

(3)背栓孔到长边端面的垂直距离：a1=150mm；背栓孔到短边端面的垂直距离：b1=150mm；

(4)石材配置：δ25mm,四个背栓；

(5)规范说明：现行《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001中并没有给出背栓相关的计算方法,计算中一些公式参考自北京市地方标准《建筑装饰工程石材应用技术规范》DB 11/T512-2007。

模型简图为：

图6.2 背栓连接板块

6.2.2 石材板块荷载计算

(1)垂直于幕墙平面的分布水平地震作用标准值：

qEAk：垂直于幕墙平面的分布水平地震作用标准值(MPa)；

βE：动力放大系数,取5.0；

αmax：水平地震影响系数最大值,取0.04；

Gk：石材板块的重力荷载标准值(N)；

Gk=abtγg

a：短边边长：900mm；

b：长边边长：1350mm；

t：石材厚度：30mm；

γg：石材密度：0.00003N/mm3；

Gk=abtγg

=900×1350×30×0.00003

=1093.5N

A：幕墙平面面积(mm2)；

qEAk=βEαmaxGk/A 5.3.4[JGJ102-2003]

=5×0.04×1093.5/(900×1350)

=0.00018MPa

(2)石材板块荷载集度设计值组合：

采用Sw+0.5SE设计值组合：5.4.1[JGJ102-2003]

q=1.4wk+0.5×1.3qEAk

=1.4×0.001321+0.5×1.3×0.00015

=0.001947MPa

6.2.3 石材的抗弯设计

(1)计算边长的计算：

b0：支撑点间板块长边边长(mm)；

a0：支撑点间板块短边边长(mm)；

a：板块短边边长(mm)；

b：板块长边边长(mm)；

a1：背栓孔到长边端面的垂直距离(mm)；

b1：背栓孔到短边端面的垂直距离(mm)；

a-2a1=600mm≤b-2b1=1050mm

所以：

a0=600mm

b0=1050mm

(2)抗弯校核计算：

校核依据：σ≤fsc=3.72MPa

σ：石材中产生的弯曲应力设计值(MPa)；

fsc：石材的抗弯强度设计值(MPa)；

m：石材最大弯矩系数,按支撑点间板块短边边长与长边边长的比0.5714,查表得：0.1328；

q：石材板块水平荷载集度设计值组合(MPa)；

b0：支撑点间板块长边边长(mm)；

t：石材厚度：30mm；

应力设计值为：

σ=6×m×q×b02/t2

=6×0.1328×0.001947×10502/302

=1.90MPa

1.90MPa≤fsc=3.72MPa

石材抗弯强度能满足要求。

6.2.4 石材的剪应力校核

校核依据：τ≤τsc=1.86MPa

τ：背栓在石材中产生的剪应力设计值(MPa)；

τsc：石材的抗剪强度设计值(MPa)；

q：石材板块水平荷载集度设计值组合(MPa)；

a：短边边长：900mm；

b：长边边长：1350mm；

h：背栓锚入深度：15；

α：背栓角度：25°；

D：背栓孔直径：13.5mm；

τ=qab×1.25/4(π×h/cosα×(D+h×tanα))

=0.001947×900×1350×1.25/4/(3.14×15/cos25°×(13.5+15×tan25°))=0.694MPa

0.694MPa≤τsc=1.86MPa

石材抗剪强度能满足。

6.2.5 背栓自身强度计算

(1)背栓抗拉强度计算：

校核依据：

N=1.25qLxLy/n 4.5.12-1[DB 11/T512-2007]

N≤Nt/K 4.5.12-2[DB 11/T512-2007]

上面两个公式中：

N：水平荷载作用下单个背栓所受的拉力设计值(N)；

q：石材板块水平荷载集度设计值组合(MPa)；

Lx,Ly：板材面板在X,Y向的边长(mm)；

n：单块板块板材背栓个数；

Nt：背栓受拉承载力标准值(N),查厂家资料取6000；

K：背栓承载力系数,取2.15；

N=1.25qLxLy/n

=1.25×0.001947×900×1350/4=739.252N

739.252N≤6000/K=2790.698N

背栓抗拉强度能满足。

(2)抗剪强度计算：

校核依据：

V=1.5G/n 4.5.13-1[DB 11/T512-2007]

V≤Vt/K 4.5.13-2[DB 11/T512-2007]

上面两个公式中：

V：每个锚栓自身剪应力(MPa)；

G：板块自重设计值；

n：单块板块背栓个数；

Vt：背栓抗剪承载力标准值(N),查厂家资料取4000；

K：背栓承载力系数,取2.15；

其中：

G=1.35abtγg

a：短边边长：900mm；

b：长边边长：1350mm；

t：石材厚度：30mm；

γg：石材密度：0.00003N/mm3；

G=1.35abtγg

=1.35×900×1350×30×0.00003

=1476.225N

V=1.5G/n

=1.5×1476.225/4

=553.58N

553.58N≤4000/K=1860.465N

背栓抗剪强度能满足。

6.2.6 背栓锚固处板材抗拉承载力计算

校核依据：

Nmax=βZP×fcu0.5×Hey1.5 4.5.14-1[DB 11/T512-2007]

Nt≤Nmax/K 4.5.14-3[DB 11/T512-2007]

上面两个公式中：

Nmax：背栓锚固处板材受拉承载力最大值(N)；

βZP：破坏系数,板材取12.5,有效孔深小于15mm时乘以0.8浅孔折减。

fcu：石材基材抗压强度,取110(MPa)；

Hey：背栓的有效锚固深度(mm),可按下面公式取,其中H为背栓锚固深度,查看厂家手册得到：

Hey=H-1 4.5.14-2[DB 11/T512-2007]

=15-1=14mm

Nt：背栓锚固处板材受拉承载力设计值,取水平荷载作用下单个背栓所受的拉力设计值；

K：背栓承载力系数,取1.8；

Nmax=βZP×fcu0.5×Hey1.5

=10×1100.5×141.5=5493.997N

739.252N≤5493.997/K=3052.221N

背栓锚固处板材抗拉承载力能满足要求。

6.3 操作要点

6.3.1 金属骨架施工

(1)测量放线

根据主体结构的基准轴线和水准点进行准确定位,对照幕墙施工图将转角位置、轴线位置、变高截面位进行复核检查,确保放线准确。测量时应控制分配测量误差,不能使误差积累。测量放线应在风力不大于4级的情况下进行,并要采取避风措施。

(2)金属骨架加工及安装

1)立柱安装

①根据施工放样图检查放线位置,以现场尺寸加工下料。

②立柱以一层楼高设置一根,接头应有一定空隙,立柱与立柱之间通过内芯连接,连接件与预埋件采用焊接形式。

③立柱安装前认真核对立柱的规格、尺寸、数量、编号是否与施工图纸相一致；施工人员必须进行有关高空作业的培训并取得上岗证方可进入施工现场施工；施工时严格执行国家有关劳动、卫生法规和现行行业标准《建筑施工高处作业安全技术规范》JGJ80的有关规定,特别要注意在风力超过5级时,不允许进行高空作业。

2)横梁安装

按照设计尺寸安装金属横梁,横梁一定要与竖框垂直。焊接前,应对下方和相邻的已完工作面进行保护；焊接时需采用对称焊,以减少因焊接产生的变形。焊缝质量检查合格后,对所有焊点、焊缝去焊渣及刷防锈漆。

(3)避雷：幕墙防雷装置必须严格按照设计及相关标准与主体结构防雷装置进行有效连接。

6.3.2 石材板加工、成孔

(1)背栓石材加工要点

a.对批量生产的同一种石材,经认真挑选(注意色差),剔除缺棱掉角及有裂纹的石材后按部位顺序编号,根据加工图在石材边缘划线打定眼孔,一般每隔45cm设一个孔。

b.石材加工

①石材板成孔工艺：在石材背部距离板边不大于50mm处采用专用设备磨削柱状孔→拓孔→清孔

(注：背栓中心线与石材边缘的距离不宜大于300mm,也不宜小于50mm;背栓与背栓之间的距离不宜大于600mm)

c.背栓孔加工允许偏差

背栓孔加工允许偏差(mm)

d 石材板的背栓数量

石材板与背栓的选择关系

6.3.3 背栓植入

(1)背栓植入方法

完成磨孔的石材置于专用工作台上→复检孔径、孔深、拓底孔径、锚栓位置→将装有弹性不锈钢套筒的锚栓装入孔中→采用敲击式将锚栓紧固完成→组件抗拉拔试验

敲击式：采用专用打入工具推进间隔套筒,在推进期间迫使扩张片张开,与孔底石材形成接触点,并正好填满拓孔体积,和石材形成凸形结合,使应力均布,从而完成了无应力的锚固。

(2)背栓施工要求

①背栓直径允许偏差±0.4mm,长度允许偏差±1.0mm,直线度公差为1mm；

②背栓的螺杆直径不小于6.0mm；锚固深度不宜小于石材厚度的1/2,也不宜大于石材厚度的2/3。

6.3.4 石材安装

(1)多层建筑物石材幕墙安装：将组装完成的石板材按照从下到上、从左到右依次进行安装即可。先按幕墙面基准线仔细安装好底层第一皮石材板,且宜先完成窗洞口四周的石材板镶边。安装完每一楼层后,要注意调整垂直度误差,不要积累。

(2)高层建筑物石材幕墙安装：将组装完成的石板材按照从上到下、从左到右依次进行安装即可。先按幕墙面基准线仔细安装顶层第一皮石材板,且宜先完成窗洞口四周的石材板镶边。安装完每一楼层后,要注意调整垂直度误差,不要积累。

(3)节点示意图

石材幕墙连接节点

石材幕墙安装

6.3.5 石材板拼缝口处理

石材密封胶注胶前必须进行相溶性试验和耐污染试验,合格后方可使用；石材拼缝口密封处理分为敞缝式和密封式。

1)敞缝式密封处理是采用在石材拼缝内侧增加挡水片,防止雨水溅入,能较好地解决挡雨的问题。优点在于提高外墙饰面的美观,缺点在于不适合有热工性能要求的石材幕墙工程,适用范围受限。

2)密封式处理是对石材板拼缝进行注胶密封。优点在于适宜范围广,对有热工性能要求的建筑有利,缺点在于硅胶易发黄变质、沾尘污染等,影响外墙饰面的美观。

①为确保粘结质量,注胶前清洁石材板拼缝口表面的灰尘、水、油污等物,并保持石材板拼缝干净、干燥；

②为确保拼缝注胶质量,注胶前用带有凸头的刮板填装泡沫棒,选用的泡沫棒直径应略大于胶缝宽度；

③为保证石材板面的洁净,注胶前用纸胶带沿缝隙两侧进行粘贴；

④嵌缝胶选用石材板专用硅酮密封胶,注胶温度应在5～40度范围内进行,注胶应尽量连续,胶缝均匀、密实、饱满,胶体不得产生气泡。若不慎将胶体沾在墙面上,应立即除去,并用清洁剂及时清除余胶。胶体厚度一般为缝宽的1/2,且不小于4mm,不得大于缝宽,胶体太厚则容易使胶体受力时被拉断拉裂,造成密封和防渗漏失效；

⑤打完胶后要在表层固化前用刮板将胶缝刮为凹缝,胶面要光滑、圆润,不能有流坠、褶皱现象。胶缝修整完毕后应立即将两侧纸胶带撕掉,打胶操作业应避开阴雨,大风天气；

⑥注胶施工完后,用干净的棉质或脱绒白布倒上溶剂对胶缝两侧石材面进行清洁,禁止将白布入内沾取,溶剂为专用清洁剂或草酸。注意已完工作面的保护。

6.4 劳动力组织

劳动力组织表

6 材料与设备

6.1 材料

(1)石材：石材板弯曲强度值(干燥和水饱和状态)≥8MPa,体积密度不小于2.56g/cm3；干燥压缩强度不小于100.0MPa；吸水率应小于0.8%；石材板的技术要求应符合《天然花岗岩建筑板材》GB/T 18601-2001。

(2)背栓：宜采用A4不锈钢(相当于S316),含合金钼,有较高的防锈性能。

(3)连接件：连接件选用不锈钢制品时,厚度≥3mm；连接件选用铝合金制品时,厚度≥4mm,根据具体计算选用T5或T6材质。

(4)密封胶：应选用含硅油少的中性硅酮密封材料,避免硅油渗透污染石材表面,避免非中性硅酮密封材料对石材产生腐蚀。

6.2 机械设备

后切背栓石材钻孔机、电焊机、型材切割机、电锤、扳手、螺丝刀、自制紧固螺帽和注胶枪等。

7 质量控制

本工法严格按照《建筑装饰装修工程施工质量验收规范》GB 50210-2001、《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ 133-2001的要求执行。

7.1 立柱和横梁安装质量标准

允许偏差表

7.2 表面质量

金属板和石材每平米表面质量

7.3 安装质量

允许偏差

8 应用实例

8.1 工程概况

新建南昌铁路调度所工程设在南昌铁路局大院内靠近二七南路一侧的既有用地,总用地面积为7047m2,该工程北邻南昌铁路局、南靠6层居民楼、西面为铁路第三幼儿园、东面为二七南路。建筑层数为9层,建筑高度49.9m,幕墙干挂高度54.3m,外墙采用石材干挂、玻璃幕墙与金属铝板相结合的方式,其中南北两侧山墙、东西两侧窗间柱以及屋面以上女儿墙采用石材干挂,石材干挂面积约9093m2。

8.2 工艺选择

8.2.1 总述

为了保证能够正常施工,缩短工期,避免扬尘和噪声对周边居民、学校和路局机关造成干扰,且确保石材连接质量,避免高空坠落伤人,石材幕墙采用背栓连接的施工工艺,安装过程中不需在施工现场开孔,无噪声污染,无扬尘,无居民投诉现象。

8.2.2 工艺对比

外幕墙石材安装采用背栓连接施工工艺,成功缩短工期33天,保证了年底节点目标工期的完成,赢得了业主的一致好评。

本次幕墙施工,工期节省体现在石材安装阶段(石材开孔在工厂进行),故：

对于背栓式连接：

本次施工期间,共启用吊篮10台,每台吊篮配备2名工人,每两名工人为一组,每天每组可以完成工作量为:10*0.8*1.2=9.6m2,则需要t1=6300/19.2=32.8天。

对于插销式和开槽式：

本次施工期间,共启用吊篮10台,每台吊篮配备2名工人,每两名工人为一组,每天每组可以完成工作量为:20*0.8*1.2=19.2m2,则需要t1=6300/9.6=65.6天。

则采用背栓式连接可节约天数：65.6-32.8=32.8天。

9 效益分析

9.1 经济效益分析

石材幕墙安装使用背栓连接施工工艺,在提高施工质量、噪声防治、避免扬尘和加快施工进度等方面取得了巨大的经济效益和社会效益。

9.1.1 节约劳动力

幕墙干挂采用背栓连接施工工艺,每500m2幕墙工程,劳动力组织为龙骨施工6人,石材饰面板加工(背栓植入、连接件连接等,)2人(工厂开孔,不计入),石材饰面板安装、调平4人,拼缝注胶1人。采用插销和开槽式连接施工工艺,每500m2幕墙工程,劳动力组织为龙骨施工6人,石材饰面板加工(石材开孔、背栓植入等)4人,石材饰面板安装、调平4人,拼缝注胶1人。

由上可知,每500m2干挂石材可节省石材开孔2人,本工程总计9093m2,施工现场共可节约36人。

9.1.2 加快施工进度

采用背栓连接施工工艺,石材开孔可在可以极大提高施工速率。

采用背栓连接的方式安装石材,两个有丰富经验的工人一天可安装15-20块(1.2m*0.8m)。

采用开槽式与插销式连接的方式安装石材,两个有丰富经验的工人一天仅能安装8-10块(1.2m*0.8m)。

采用背栓式连接的安装方式,石材在工厂统一开孔后运至现场,可直接进行安装；而插销式和开槽式必须在现场开洞(开槽)后方可进行安装。

由上可知,石材安装使用背栓连接的施工方式,效率是插销式和开槽式的2倍。

9.1.3 安全性能高

每块石板材独立安装、独立更换,作为独立单元受力,能排除硬性接触带来荷载反应,具有更好的安全性能及抗风压、抗震动和降低热胀冷缩效应等性能,使用寿命更高,维修更换方便。

振动台试验表明：当台面输入地震加速度相当于烈度10度时,开槽式连接产生破坏,而此时背栓式连接保持完整。板边开槽后,槽口两边石材剩余厚度小,地震下容易破损。(摘自建筑传媒通*石材幕墙连接方式)