石材幕墙干挂胶对槽口抗剪性能影响分析

郑燕燕，乐腾胜，刘 俊，项炳泉，李 慧，韩 健，朱 莉

1.安徽省建筑科学研究设计院 绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031

0 引言

幕墙是建筑的外围护结构，石材幕墙又因其庄重典雅而受到人们的喜爱，其主要安装形式有短槽支承、通槽支承、钢销支承和背栓支承四种，这其中短槽支承是在通槽支承和钢销支承工艺基础上取长补短而改进成的一种更为成熟的安装工艺。石材面板安装前需在工厂或施工现场预先在石板端部切割出槽口，再通过金属挂钩与钢框架连接，槽口内部填筑干挂胶。石材幕墙在实际使用过程中，垂直于板面风荷载作用在面板上时会产生风压力或风吸力，这些外部作用通过槽口传递给干挂胶再传递给挂钩最后再传递到钢框架上，因此短槽支承面板的槽口受力性能显得至关重要。王作虎等［1］提出石材幕墙面板脱落往往是由于石材与连接件连接失效造成，主要是石材连接处抗拉强度削弱，且应力过大，从而造成槽口损坏。Camposinhos 等［2］认为石材的破坏荷载仅复核弯曲强度是不安全的，连接处应该按弯剪复合应力，提出了半经验公式来估算连接处的极限荷载。国外试验［2］给出挂件处需考虑弯剪的复合作用，同时还将应力集中系数纳入考虑范围。现行石材幕墙规范［3］提出挂钩在槽口产生的剪力由单边槽壁承担，计算公式如下：

公式中n 表示一个连接边上的挂钩数量，S 表示槽底总长，c 表示槽口宽度，t 表示面板厚度。公式未考虑干挂胶对槽口抗剪性能的影响，也未提及施工现场干挂胶施工质量具体把控条文。本文以某实际工程为背景，通过规范计算公式得到槽口剪应力值，再通过ABAQUS 有限元软件对槽口受力情况进行数值模拟，对比理论计算与数值模拟结果，研究干挂胶对槽口抗剪性能的影响，并对短槽支承石材幕墙面板现场施工质量控制提出参考建议。

1 面板内力计算

某工程石材幕墙顶标高为20m，石材面板最大尺寸为1000mm×1400mm×28mm，该幕墙工程所在地ω0=0.00035N/mm2，地面粗糙度为B 类，7 度标准设防。

作用在面板上的风荷载ωk=βgzμslμzω0，查阅文献［4］得到：βgz=1.6309，μsl=1.2，μz=1.2311，ω0=0.00035N/mm2，计算得风荷载正向标准值=0.000843N/mm2＜0.001N/mm2。

作用在面板上的地震荷载qEK=βEαmaxGK/A，查阅文献［3］得到：βE=5.0，αmax=0.08，GK=0.0011N/mm2，计算得在垂直于板面方向的地震作用qEK=0.000336N/mm2。采用SW+0.5SE的设计组合得到q=1.5WK+0.5×1.3qEK=0.001718N/mm2

依据文献［3］公式算得=0.526N/mm2＜1.86N/mm2，石材面板槽口抗剪强度满足设计规范［3］要求。

2 面板有限元分析

通过ABAQUS 有限元软件对槽口受力情况进行数值模拟，将理论公式的计算结果与有限元分析结果进行对比。

2.1 模型建立

本次分析采用有限元分析软件ABAQUS 建立模型，为了使数值模型和实际情况更接近，采用三维实体单元C3D8R 模拟石材面板、干挂胶和挂钩，建立“实体-实体-实体”有限元分析模型。挂钩与槽壁之间距离分别设置为0mm，1mm，2mm三种，其中0mm 即模拟施工现场挂钩与槽壁硬接触情况，三种模型分别用模型A，模型B 和模型C 表示。ABAQUS 模拟分析中，网格划分不仅要满足计算的精度还要考虑计算结果的收敛性，在模型范围内划分生成规则的六面体单元，其中面板槽口部位网格进行加密划分（见图1）。

图1 数值模型

2.2 约束和荷载

本文不考虑挂钩与石材面板和干挂胶之间的相对滑移，所以挂钩-干挂胶-石材面板三者接触面均采用Tie 绑定约束。由于本文研究的是面板槽口受力性能，因此不考虑面板相对与主体结构位移情况，直接约束挂钩端部方向平动自由度，释放方向转动自由度。设定好边界条件后，对面板施加垂直方向的均布荷载（见图1）。

2.3 有限元分析结果

图2 模型A 应力图

图3 模型B 应力图

图4 模型C 应力图

理论公式计算结果与有限元模拟结果列于表1。

表1 理论公式计算结果与有限元分析结果对比

对比分析图1 与图2、3 可知，当槽口未填筑干挂胶时，仅槽口单边槽壁承担外荷载作用；当填筑干挂胶时，由于干挂胶自身固化后能分担一部分外荷载作用，同时其黏结作用使得槽口对称边槽壁也参与了抵抗外荷载作用，使得槽壁剪应力值降低。

对比分析表1 可知，模型A 槽口剪应力值近似为理论计算公式值的3 倍，槽壁所受剪应力相比于规范［3］允许值的安全富余系数仅16%，因此施工过程中应避免槽壁与挂钩硬接触现象；模型B 剪应力值略大于理论计算公式值，偏于不安全；模型C剪应力值小于理论计算公式值，偏于安全。因此施工现场关于短槽支承石材幕墙槽口部位挂钩与槽壁之间干挂胶厚度建议不宜小于2mm。

3 结论

（1）槽口部位干挂胶固化后自身能分担一部分外荷载作用，且通过黏结作用使得槽口对称边槽壁也参与了抵抗外荷载作用，因此干挂胶能改善短槽支承石材幕墙槽口抗剪性能；

（2）通过有限元分析可知，当槽口部位挂钩与槽壁之间干挂胶厚度小于2mm 时，剪应力值大于理论公式计算值，因此建议施工现场应控制挂钩与槽壁之间干挂胶厚度不宜小于2mm，且注胶前应将槽口石屑等清理干净；

（3）本文为短槽支承石材幕墙面板现场施工安装质量把控措施提供了一定的参考依据。