（机械工程专业论文）幕墙工程中大规格石材结构强度和抗震强度的试验分析.pdf

摘要 背栓干挂石幕墙技术是一种较新的建筑装饰技术，是今后石幕墙装修工 程中的主导作法。然而，当在工程中所用的石材超出规范要求，就没有工程技术 规范可循，这给施工工作带来很大的困难在国内外成功经验和不断探索、研究 工程中问题的基础上，急切制定出工程技术规范，才能使这一新技术在我国 迅速发展。 为了保证施工工程的安全性，研究了石材幕墙工程中的实际应用问题。 这一问题是所应用石材具有的面积为1 7 8 2 8 m 2 远超出了j g j l 3 3 规范规定 的1 5 m 2 板面大小的限制。针对石材幕墙工程结构进行分析和计算，给出合 理的设计方案；通过对振动台上足尺寸模型试件进行模拟地震试验，研究了 该超大规格石材背栓连结石幕墙的抗震性能。通过试验，掌握了试验的关键 技术和积累实际经验；在结构设计计算和试验的基础上，制定了本单位的施 工技术规程”，它是对j g j l 3 3 标准的一个补充。 这些工作不仅解决了实际施工中的困难，同时在本工程取得的实际经验 和研究的结果为石材幕墙工程中问题的解决提供了参考依据。 关键词：超大规格石材：石材幕墙结构设计；抗震试验；施工技术规程 ；丝堡翟鎏墼些箜鍪兰；一 a b s tr a c t i b c h n i q u eo fs t o n ec u r t a i nw a l lc o n n e c t e db ya n c h o r si san e wb u i l d i n g d e c o r a t i v et e c h n i q u ea n da p r e d o m i n a n tm e t h o di ne n g i n e e r i n go ft h es t o n ec u r t a i n w a l lf r o mn o wo n t h e r ei ss t i l ln o tt h ee n g i n e e r i n gt e e h n i q u en o r l nw h e ns t o n e m a t e r i a lp l a n es e tu pi ne n g i n e e r i n gg o e sb e y o n dt h es t a n d a r d ，w h i c hb r i n g sv e r y d i 伍c u l t yt oc o n s t r u c t i o nw o r k b a s e do nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls u c c e s s e x p e r i e n c ea n dc o n t i n u o u s l yi n v e s t i g a t i n ga n dr e s e a r c h i n gt h ep r o b l e m si nt h e e n g i n e e r i n g ，t h a tt h ee n g i n e e r i n gt e c h n i q u en o r mi se s t a b l i s h e di su r g e n td e m a n d ， w h i c hw e l lm a k et h en e w t e c h n i q u eq u i c k l yd e v e l o pi nt h eo u rc o u n t r y i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f e t yi nc o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g ，t h ep r a c t i c e a p p l i e dp r o b l e mi ne n g i n e e r i n g ，i nw h i c ha p p l i e ds t o n em a t e r i a l ，t h a th a sb i ga r e ao f 1 7 8 2 8 m 2 。g o e sb e y o n dt h ej o j l 3 3n o r mr u l eo f1 5 m 2 ，i sr e s e a r c h e d t h r o u g h a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i n go ft h ec o n s t r u c t i o no fs t o n ec u r t a i nw a l l ，t h ed e s i g no f r e a s o n a b l ep r o j e c ti sg i v e n 。b ym e a n so ft h ef u l l - s c a l em o d e lo nt h es h a k i n gt a b l e f o rs i m u l a t i o ne a r t h q u a k ea c t i o n ，t h er e s e a r c h e sh a v eb e e no nt h ea n t is e i s m i c a b i l i t yo fs t o n ec u r t a i nw a l lc o n n e c t e db ya n c h o r s t h r o u g he x p e r i m e n t ，t h e e x p e r i e n c ei sa c c u m u l a t e da n dk e yt e c h n i q u ei nt h et e s ti sm a s t e r e d b a s e do nt h e e x p e r i m e n t a n dt h ea n a l y s i so fc o n s t r u c t i o n ，t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ec o d ei n s t o n ec u r t a i nw a l lc o n n e c t e db ya n c h o r sf o ro u rc o m p a n yi se s t a b l i s h e d ，w h i c hi s a d d i t i o n a lr e g u l a t i o n st on o m lj g j l 3 3 t h e s ew o r k sn o to n l ys o l v et h ea p p l i e dp r o b l e mi ne n g i n e e r i n g ，b u ta l s ot h e a c t u a le x p e r i e n c ea n dr e s e a r c hr e s u l t so b t a i n e dt h ee n g i n e e r i n gc a ns e r v ea s r e f e r e n c ef o rs o l u t i o ni ne n g i n e e r i n go f s t o n ec u r t a i nw a l lc o n n e c t e db ya n c h o r s k e yw o r d s ：s u p e rs t a n d a r ds t o n em a t e r i a l ；t h ed e s i g no ft h ec o n s t r u c t i o no fs t o n e c u r t a i nw a l l ；t h ea n t is e i s m i ct e s t ；t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ec o d e 2 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日 期：年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 建筑构造设计的发展趋势 建筑构造是建筑技术的重要组成部分之一，是以科学技术为基础，涉及 建筑材料、力学、建筑结构、建筑物理等多个专业的建筑技术综合原理与应 用，是建筑创作得以实施的重要技术基础和技术保障。一个优秀的建筑作品 在建筑技术方面也一定是精良的，良好的建筑技术是良好建筑创作的必要条 件。随着科学技术飞速的发展，新技术、新材料、新结构的不断出现，现代 建筑学的科学技术专业化与综合化的发展，必将带来建筑构造方面的技术创 新，为建筑构造设计发挥着巨大的创造力 1 - 2 1 。 在建筑构造发展的历史中，科学技术的每一次发展，必然带来大量的新 型建筑材料、新的结构形式，产生了新的建筑造型和带来新的建筑革命。 在资本主义初期，由于工业大生产的发展，使得建筑技术有了很大进步。 生铁结构、铁和玻璃的使用与配合、提升机和电梯等新材料、新结构、新设 备以及新的施工方法的出现，为近代建筑的发展开辟了广阔的前景。1 8 5 1 年， 英国伦敦为国际博览会建成的“水晶宫”展览馆，开辟了建筑形式的新纪元。 1 8 8 9 年，法国巴黎埃菲尔铁塔和机械馆的建成，标志着新结构的试验成功， 有力地促进了建筑师在新形势下对建筑创作的探索。 进入2 0 世纪以后，随着科学技术的发展，人们不断总结经验，对材料的 性能有了更深层次的认识和理解，并把工程结构的实践经验上升到理论的高 度，充分发挥材料的特性，创造出许多新的结构形式：框架结构、大跨度的 空间结构等等，不但改变了过去传统的建筑形象，建筑的内部空间也去掉了 厚重的墙体和支柱，能够适应不同功能的需要。 2 0 世纪后期，由于结构技术和材料工业的发展，各种新结构形式和轻型 金属材料，新型塑料以及复合材料的相继问世并且广泛应用，为建筑创作提 供了更广阕的技术空间。尽管出现了不同的建筑流派与思潮，但是人们对于 建筑的观念正在发生着巨大的改变。1 9 7 6 年，法国巴黎篷皮杜国家艺术与文 化中心典型的高技术建筑的出现，深深体现了现代高科技的巨大魅力， 引起了人们不同的思考。注重工业技术的最新发展，及时地把最新的工业技 术应用到建筑中去，以成为现代建筑师的责任。现代建筑的精美就在于它的 各细部的节点的精确连接与拼接，正如意大利著名建筑工程师p l 奈尔维 曾经说过：“一旦技术和构造得到了解决和审定，那么就可以进行设计的第二 哈尔滨工程大学硕士学位论文 阶段，这就是确定整体和局部的比例，以便得到最好的艺术上和谐的建筑形 式。这两个设计阶段的重大区别在于前者具有客观的性质，只解决技术问题， 而后者则完全是属于个人意识的，是无法用条条框框来控制的。” 2 l 世纪的科学技术将朝着高、新、失的方向继续发展，面对环境恶化， 资源枯竭的威胁，可持续发展的战略思想己成为人类社会的共同追求。如何运 用高科技手段、注重技术与人结合，发挥建筑构造的创造力，弘扬建筑文化 是每一位建筑师必须思考的问题 3 - 4 1 。 科学技术的发展，使建筑空间的跨度、高度、空间品质有了更大的自由 度。膜结构、树状结构、开合结构以及透明建筑等结构新体系为建筑师开辟 了更广阔的创作空间。 多功能、高效节能的墙体材料。性能优良的复合材料以及智能型材料的 研制开发，将进步促进构造技术的发展。新结构、新材料的发展，为实现 高层建筑的生态化提供了可能，也为建筑幕墙的设计提供了广阔的发展空间。 1 ，2 建筑幂墙 1 2 1 建筑幕墙【5 】 建筑幕墙是在建筑物各部件中将现代建筑技术与艺术结合得到最完美效 果的建筑典范。早在2 0 世纪初，建筑大师们追求形体简洁、新颖的建筑风格， 提出将外墙和窗合二为一的设想。终于在新材料、新结构、新技术不断涌现 和发展中变为现实，使传统的建筑外墙形式从结构承重体系中分离了出来。 建筑幕墙这独特的外墙形式，经过几十年来的不断发展和完善，目前已具 有较完整的技术体系，并在建筑上得到了广泛的应用，使之成为现代建筑的 特征之一。轻、光、透、薄的建筑幕墙作为建筑的外围护结构形式，以其不 同的材质、多变的造型和光影效果，给建筑师以启迪，引发建筑设计的创意。 幕墙作为建筑的外围护结构，与传统的砖、石和混凝土外墙形式有很大差 别。尽管幕墙的造价昂贵，但幕墙的许多优越性能也是传统的外墙材料所不 能比拟的。幕墙的特点如下： 1 、重量轻、抗震性能好 玻璃幕墙重量轻( 3 5 5 0 k g m 2 ) ，它只有砖墙( 带粉刷) 的1 1 0 1 1 2 ， 是混凝土墙板的1 5 1 7 。一般的建筑物外墙及内墙重量约为建筑总重量 的1 5 ，而高层及超高层建筑的重量约为i 4 一i 5 。因此，幕墙可以大大 减轻建筑物的自重，不仅降低基础等结构成本，而且幕墙结构的整体性远比 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 砖墙要好，抗震性能明显优于其他外围护结构。 2 、增大室内空间和有效使用面积 幕墙本身壁薄，从建筑楼板外沿与幕墙立柱之间，一般留出的操作空间 较大，经装修后可以增加室内空间。 3 、立面造型活泼 幕墙的形式打破了传统的外墙与窗户的界限，巧妙将其合二为一，利用 幕墙这一极富表现力的外墙形式，通过各种光学性能和色彩的镀膜玻璃、金 属铝板或花岗岩石板等材料，将建筑物装扮的更加美丽和富有艺术效果，并 容易与周围的环境相协调。 4 、清洁围护方便 高层建筑的幕墙一般都通过设置的擦窗机进行定期维护和清洁，起到美 化城市环境。升降自如的擦窗机也为日后幕墙的检修提供了便利。 5 、缩短施工周期 幕墙工业化生产加工程度较高，且干作业施工，可以大大缩短现场施工 安装周期。 6 、适用旧房改造 幕墙由于重量轻，施工简单快捷，便于旧房外墙的装修改造。 在人类进入2 1 世纪，围绕着如何合理利用资源、保护生态环境和建筑的 可持续发展的主题，人们对现代建筑幕墙的功能也赋予了新的和更高的要求a 在充分发挥幕墙特性的基础上，应用现代高新技术。将建筑幕墙的功能逐步 引向建筑生态、节能和智能化方向发展。可以预测，在不远的将来，将有更 多的高性能组合幕墙展现在我们的面前【6 】。 1 2 。2 背栓式干挂石材幕墙【7 】 石材是古老的建筑材料，在建筑外装修装饰工程中应用比较广泛的天然 石材是花岗岩。花岗岩不仅坚固耐用，具有良好的抗压强度、耐久性、抗冻 性、耐磨性、硬度等，而且具有丰富多彩的天然纹理，美观自然，因而受到 人们的普遍青睐。如今走在大街上随处可见用石材作为建筑物外墙面装饰的 幕墙。它以其独特的风格、高雅亮丽的外形，使建筑物更具时代感和艺术感， 已成为城市建筑步入现代化的重要标志之一。 在早期建筑中，石材为理想的内外墙面的装饰材料。石材墙面多采用湿法 挂贴，由于石材背面灌筑砂浆易污染板面，使用阶段板面易泛碱，影响装饰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 效果。近年来，国内外建筑高级装修广泛采用干挂石材法。日本在工艺上首 先采用干法作业。美国外饰面的快速施工法也属于干挂法之类。我国近几年 在一些大中城市的建筑设计中，也越来越多地采用干挂施工法。 干挂石材的施工方法是用一组金属连接件，将石材与结构可靠地连接，其 间形成的空气间层不作灌浆处理。干挂石材的主要优点是： ( 1 ) 装饰效果好。石材在使用过程中表面不会出现泛碱( 2 ) 没有湿作业， 施工不受季节限制，施工现场清洁文明。施工速度快、效率高。( 3 ) 石材背后 的空腔不灌浆，减轻了建筑物自重，有利于抗震。( 4 ) 可用于八度地震区和大 风地区。 石材通过耐腐蚀、高强度的柔性连接件与建筑结构连接( 或与预埋件焊 接) ，构成有机整体，允许其在风荷载、地震荷载作用下产生适量变形，吸收 部分风力和地震荷载而不使饰面板出现裂纹和发生脱落。当荷载消失后，饰 面板可随结构反位，使建筑饰面防风抗震陛能良好。风洞、静压及抗震的实 测表明：采用合理的设计，在八度抗震设防区和十一级风力地区，采用干挂 石材法也是可行的。 随着我国国民经济的不断发展，在建筑工程中己越来越多地使用天然石 材。为了保证薄板型天然石材的装饰效果，己越来越多地采用干挂的方式。 早期从国外引进的干挂石材采用的是销钉做法，即在石材的边缘打孔，通过 连接件、舌板用不锈钢销钉将石材连接在一起，石材和墙体的连接可以无龙 骨也可以有龙骨，以后销钉逐渐被承载力较高的销板所代替。其中，槽式千挂 石材在钉式干挂和通槽干挂的工艺基础上，扬长避短，改进而成的一种较为 成熟的于挂工艺，多年来，一直在些工程中广泛应用。 槽式干挂石材是通过上下石板接缝处预先留出槽口( 分通槽式和短槽式 两种) ，槽宽6 7 咖，槽深不宣小于1 5 m m 然后将不锈钢燕尾形支撑件 端插入上下石板的槽内，另一端则与主体结构的幕墙金属骨架相连接，以保 证石材幕墙的安全性。为使于挂石材幕墙在安装施工时的准确性，也有通过 在建筑主体结构施工过程中，先将不锈钢导轨( 分长、短两种1 用预埋件直接 安装固定于建筑主体结构表面中，然后再将具有二维调整功能的不锈钢定位 螺栓与挂住石板的不锈钢支撑件用钢销加以连接，安装施工既方便又准确， 也便于拆装更换( 图1 1 ) 。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图i - 槽式干挂石材示意图 然而，由于钢销的上下扣和弹性扣件在实际外载荷作用下会产生疲劳，此 外，加工工艺落后，在工地现场加工质量难以保证。目前新规范【8 1 对此工艺作了 改进，但还存在一系列的问题，如装饰线条方面和窗口等收口难及更换板材难 等等 随着科学技术的不断发展，目前国外已广泛采用更先进更合理的背检式 干挂做法，即在石材的背部打孔用锚栓与龙骨连接的干挂方式。背栓式干挂 的形式和构配件的种类很多，目前世界上广泛采用的背栓式幕墙干挂体系是 由看切式锚栓及后支撑系统组成的通风式幕墙干挂体系。它能将各种不同材 质不同厚度的板材，使用各种不同的锚栓及配件，通过龙骨挂在各种不同的 墙体上，不仅配件完善、受力合理面且加工精确、组装方便 9 - ”l 。 背栓式干挂石材幕墙在施工中，对幕墙构造先在花岗石石板的背面钻孔 哈尔滨工程大学硕士学位论文 并直接安装上不锈钢扩底锚栓f 图1 2 ) 、再由不锈钢用挂件分别与幕墙金属骨 架相连接。这种背栓式干挂石材幕墙的构造技术，构造合理，板与板之间相 对独立、安全性能南，也便于现场安装施工。此外，它也能将各种不同材质、 不同厚度的预制外墙饰面板，通过不同的锚栓及吊挂连接件与幕墙骨架相连， 可以悬挂在各种不同的外墙面上。 图卜2 背栓式干挂石材示煎图 背栓式石材幕墙的优点如下： ( 1 ) 传统销钉销板做法是用销钉或销板通过板边将两块石材组装在一起 受力状态较复杂。而背栓做法是使每块石材在背后固定，板与板之间没有联 系，因而不会产生相互连接而造成的不可确定性应力积累和应力集中。它传 力简洁明确，在正常使用状态下能充分利用板材的抗弯强度。能通过静力计 算精确算出其承载能力，从而控制破坏状态。在主体结构产生较大位移和温 差较大的情况下不会在板材内部产生附加应力，因而特别适用于超高层建筑 和抗震要求较高的建筑，体现了柔性构造连接的设计意图。因为其每块板都 独立安装，因而拆换方便。 ( 2 ) 通过对比试验证明，在同等受力状态下，板材规格相同时，背栓做法 的承载能力高于传统做法3 4 倍，相应位移量仅为传统做法的一半弱，因而 具有更高的安全储备，并且有可能减少板材厚度。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 传统做法从板缝中可以看见连接件，而背栓做法的连接件藏在板材背 后，因而更加美观。 ( 4 ) 可以较自由选择板材背后的锚固位置，构造节点做法灵活，且锚固件 和专用转角板等各种连接件配套齐全，因而适用于各种复杂外形的设计要求。 ( 5 ) 该体系工厂化程度高，现场安装调整的工作量少、能提高工作效率、 1 2 3 背栓式干挂石材幕墙的发展前景t ”1 背栓式千挂石材幕墙成功的范例是1 9 9 8 年建成的上海中银大厦( 埔东国 际金融大厦) 它高2 3 5 m ，在1 3 9 m 以下采用了背栓点连接花岗石幕墙，覆盖 主体结构表面1 5 0 0 0 m 2 ，花岗石幕墙展开面积2 2 0 0 0 m 2 ，使用了约3 万块花 岗石，6 万个背栓，花岗石尺寸为2 m x 0 3 m ，花岗石幕墙最高点为1 3 9 m 。 背栓式干挂体系的诸多优势，从其2 0 世纪8 0 年代初发明至今短短的十 几年中已被国内外各著名建筑师及承包商所青睐，采用背栓体系的项目已遍 布世界各地，有中国、韩国、日本、以色列、波兰、希腊、- 法国、德国、荷 兰、卢森保、比利时、意大利、西班牙、南非、美国等。所采用的幕墙材料 也是多种多样，目前，除天然石材外还有玻璃板、人造陶瓷板、高压板、粘 土烧制板及价值连城的壁画等。意大利的四季大厦外墙挂板随着四季的变化 外墙板不断更换。许多大型项目及高层建筑都采用了背栓体系，如国外的法 兰克福日本中心( 高层) 、俄罗斯国家银行( 莫斯科) ( 高层) 雅典机场曼海姆保险 大厦、意大利四季大厦、h e d e a l e c h i n s h y 的巨幅绘画( 布鲁塞尔) 等。国内的 上海金茂大厦( 超高层) 、上海中银大厦( 浦东国际金融大厦) ( 超高层) 东方明珠 国际会议中心、交通银行总行大厦( 超高层) 、中财大厦、银泰大厦( 超高层) 、 中保大厦、温州建行大厦( 超高层) 、嘉兴建行大厦、嘉兴交行大厦、沈阳电 力大厦( 超高层) 、北辰综合楼、以色列驻京使馆，中国革命历史博物馆等。 因面该系统具有广阔的发展前景 1 3 石材幕墙工程问题的提出 1 3 1 石材幕墙工程问题的提出 自九八年我国引进国外背栓式石材幕墙技术以来，它具备其它工艺无法 实现的许多优点。但实践过程中发现了不完善之处，而且随着幕墙形式多样 性，目前许多产品没被列入规范，迫切需要从实践经验中将现有规范加以完 哈尔滨工程大学硕士学位论文 善，以保证在施工中有章可循。我们完成的某一综合办公楼工程就是一个典 型例子。 应用工程为一综合办公楼工程，总建筑面积4 0 6 5 0 平方米，由主楼、东、 西配楼、南门楼和北门廊组成。其中地上主楼八层、东西配楼四层。建筑檐 高3 9 。7 5 米。结构型式为框架剪力墙结构。框架为一级抗震等级，剪力墙 为二级抗震等级。抗震设防烈度为8 度( 图1 3 ) 。 图卜3 综合办公楼工程模型 石材幕墙主要采用花岗岩、铝合金玻璃及蜂窝铝板组合幕墙。石材幕墙 面积为1 3 8 0 0 呼。所采用的石材板的面积超过规范般要求，石材规格最大 为1 8 m x2 8 m ，厚为4 0 m m ，重达6 0 0 公斤。由于现行国家标准金属与石材 幕墙工程技术规范( j g j l 3 3 2 0 0 1 ) 中规定外幕墙干挂石材板块面积不宜超 过1 5 平方米，在施工过程中没有规范可循，这给实际施工造成无规范标准 可以依据的困难局面。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 2 石材幕墙工程问题中的解决安全性施工方案 圆满完成石材幕墙工程的核心问题之一在于安全性在施工中得到必须的 保证。为了保证安全性，在施工前必须制定合理的、可行的施工设计方案。 设计明确，选材合理，管理规范才能避免导致石材掉落事故的发生，尤其是 在北方多地震影响因素地区，安全因素就更加重要。在安全性保证的基础上， 才能实现质量目标，便于操作，保证工期且降低成本。 在背栓式石材幕墙施工方案的论证中，有两种技术方案，单切面背栓技 术和双切面背栓技术。 单切面背栓技术是在石材板背面用特殊工具通过无损高速切削出四个单 切面扩底孔腔，脆性板材与硬性锚栓直接胀接，而且通过间接式的方法来达到 正面平整造成锚底扩胀点受力。这种技术方法应用较早，可借鉴的工程实例 较多，施工工艺已经基本成熟。然而，这种技术方法采用间隙式安装，承载力 较低，在地震中。在反复震动下容易产生结构的破坏。这种技术适用于低地震 区和低风压区及室内，更多地应用在地震较少，风荷载较小的南方地区和应用 于石材板块面积小，重量轻的工程。 双切面背栓在石材板背面用特殊工具通过无损高速切削出四个可控制 板厚的双切面扩底孔腔，孔腔内安装带有柔性套管和垫片的锚栓，然后再把 锚栓通过连接件与幕墙龙骨连接。这种技术方法为最近几年的新技术，可借 鉴的经验不多。然而，采用这种技术方法，可以其使板材与连接件紧配成整 体，在动荷载的作用下，由于缓冲套垫的作用，耐疲劳性能较强，适用范围较 广，特别是可安装较大板材和具有很强的抗震能力。 通过对施工方案的反复研究和论证，我们采用双切面背栓技术来解决 单块石材重量大，超规范等问题。 背栓式石材幕墙施工工程是一个复杂的系统工程，它不仅要考虑整体 的安全性，也要细致的考虑局部的安全效应，特别是龙骨体系和背栓布点设 计问题。 在工程中，对龙骨体系的要求是在保证安全性能的基础上，尽量降低成 本，施工方便，安装速度快。由于单块石材规格和重量超大，超大的重量使 横梁产生的较大的荷载和较大的交形挠度，严重超出规范的要求。按照常规 选用材料不能满足工程设计要求。因而，必须对龙骨体系进行受力计算，强 度和刚度满足本工程的需要，从而确定龙骨的截面尺寸及材料壁厚。此外， q 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在保证安全性能的基础上，挂件设计要安装方便，降低成本。经过论证，挂 件材料有两种选择，其一是不锈钢挂件，它强度和刚度较大，但安装不便， 旅工慢；其二是高强稀土铝挂件，它强度和刚度是钢材强度的3 4 ，安装方便， 施工质量易控制。因而，在满足工程安全性能和施工方便的前提下，局部选 用不锈钢挂件，整体墙面干挂选用高强稀土铝挂件。 石材幕墙的荷载是依靠背栓来承担的，合理的背栓布点设计是保证安全 的关键。背栓布点的多少必须按照石材的重量以及背栓的承载力进行设计和 布置，并能便于施工，安装合理，提高质量和表现设计意图，达到外观质量 效果。 按照厂家的提供计算公式和布点原则，每块石材上安装4 颗背栓成本低， 安装方便。但安全性能差，质量难控制。对与工程不宜采用。根据厂家提供 的技术参数，并考虑到本工程石材面积大，重量大，选择大石材布置1 0 颗背 栓的原则。这样安全性能提高，强度和刚度能够满足工程需要，但成本也提 高，安装速度慢。从整体安全性能考虑，要采用这种背栓布点设计是合理的。 1 4 本论文研究的内容 干挂石材在我国是种较新的建筑装饰技术，是今后高，级装修中石材 饰面的主导作法。目前，尚无石材饰面工程技术规范，这给施工工作带来很 大的困难，迫切需要在借鉴国内外成功经验的基础上，不断探索与研究，制 定工程技术规范，使这一新技术在我国迅速发展。 本论文对石材干挂发展趋势中比较新颖的施工工艺背栓式干挂施工 工艺技术，在超大规格石材外幕墙工程中的应用问题进行研究与探讨。基于 施工中要保证安全性的要求，针对石材外幕墙工程结构进行分析和计算。给 出合理的设计方案，对超大规格石材进行试验室抗震性能和常规性能试验， 并对试验结果进行分析，力图明确施工规程标准。这些工作不仅解决了此种 工艺施工中的困难，同时为今后的同类工程施工积累了实际经验和提供了理 论依据。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章石材外幕墙设计计算 凡由金属构件与各种板材组成的悬挂在主体结构上、不承担主体结构荷 载与作用的建筑物外围护结构称为建筑幕墙。按建筑幕墙的面材可将其分为 玻璃幕墙、金属幕墙、石材幕墙、混凝土幕墙及组台幕墙。近几年来，随着 我国经济的发展，在一些大中城市中采用金属与石材幕墙作为公用建筑物外 围护结构的越来越多。 幕墙作为建筑物的外围护墙，它的设计应按围护结构进行设计。幕墙的 主要构件应悬挂在主体结构上，幕墙在进行结构设计计算时，不应考虑分担 主体结构所承受的荷载和作用，只应考虑承受直接施加于其上的荷载与作用。 在幕墙施工中，进行幕墙工程的结构设计是保证施工安全的前提，它对 于材料选用、性能要求、加工制作、安装施工，使幕墙工程做到安全可靠、 实用美观和经济合理具有重要的现实意义。 2 1 作用石材幕墙的荷载 幕墙作为建筑物的外围护墙，除自重和风力外一般不承受其他荷载。由 于幕墙设计的形式广泛且变化多，且涉及多学科、跨专业，是一项十分复杂 的系统工程。若要精确地将每一项幕墙设计进行分类，一般而言是比较困难 的。 幕墙是建筑物的外围护构件，它要承受外界施加给它的各种作用。建筑 结构设计统一标准( g b j 6 8 - - 8 4 ) 1 对结构上的作用给出的定义：“施加在 结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，均称 为结构上的作用”。“引起结构外加变形或约束变形的原因系指地震、基础沉 降、温度变化、焊接等作用”。这就是说，作用是指能使结构产生效应( 内力、 变形、应力、应变、裂缝等) 的各种原因的总称，其中包括施加在结构上的集 中力或分布力系，以及形成结构外加变形或约束变形的原因。 标准还指出，结构上的作用可按随时间的变异、按随空间位置的变异分 类和可按结构反应性质进行分类，其中最基本的是按随时间的变异而分类。 考虑作用在结构上随时间的变异性的持续性，可分成三个类别： 1 、永久作用。在设计基准期内，其值不随时间变化，或其变比与平均值 哈尔滨工程大学硕士学位论文 相比可以忽略不计者，如自重、土压力、预应力等。 2 、可变作用。在设计基准期内，其值随时间变化，且其变化与平均值相 比不可忽略者，如：风荷载、活荷载、雪荷载、温度变化等。 3 、偶然作用。在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其量值很大且 持续时间较短，如地震、龙卷风等。 按作用随空间位置的变异性可将作用分为固定作用和可动作用。固定作 用在结构空间位置上具有固定的分布，如结构构件自重等。可动作用在结构 空间位置上的定范围内可以任意分布，如活荷载等。设计时，应考虑可动 作用在结构上引起最不利效应的分布情况，在进行结构内力分析时应作出相 应的计算。 按作用对结构的反应可分为静态作用和动态作用。静态作用不使结构或 结构构件产生加速度或加速度可以忽略不计者，如自重、活荷载等；动态作 用使结构或结构构件产生不可忽略的加速度，如地震、作用在高耸结构上的 风荷载等。当作用在结构上引起不可忽略的加速度时，结构必须按结构动力 学的方法进行分析。 2 2 石材幕墙设计的基本计算公式 石材幕墙设计是十分复杂的过程，在结构设计中，石材幕墙设计必须严 格遵照工程规范和依据工程的实际工况来进行的u ”“1 。工程的实际工况是本 工程层高八层，最高标高4 4 m ，所用幕墙花岗石厚4 0 m m ，幕墙龙骨为镀锌钢材 ( 与石材连接处为不锈钢材) ，所用最大石材尺寸为2 8 m x l 8 m ，石材干挂使 用背栓式螺栓。工程所在地区为北京，抗震烈度为8 度设防。 ( 1 ) 、风荷载计算： 依据规范对场地类别进行划分，由地面粗糙度，场地可划分为以下类别：a 类近海面，海岛，海岸，湖岸及沙漠地区；b 类指田野，乡村，丛林，丘陵以及房 屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区：c 类指有密集建筑群的大城市市区：本 工程按c 类地区计算风压。 风荷载计算公式： w f 声g z 2 s o ( 2 1 ) 式中：w 。为作用在幕墙上的风荷载标准值( k n 。) ；尾为瞬时风压的阵风 系数取为2 2 5 ；，为风压高度变化系数，根据不同场地类型，由文献口，取： 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ，= 1 3 6 芦。：风荷载体型系数，按1 5 取用；w 。为基本风压，按全国基本风 压图，北京地区取为4 5 0n m 2 ，考虑结构重要性，按5 0 年一遇的最大风力考虑， 乘1 1 系数。所以标高为3 4 1 m 的风荷载应力标准值为： c a ) 产熊7 口z q 。= 2 。1 6 1 0 5 1 5 0 4 5 = i 。5 3 k n 时 ( 2 ) 地震作用计算： 兄k = e a m g 日 ( 2 2 ) 式中：忍为平行于幕墙平面的集中水平地震作用标准值( k n ) ：成为动力 放大系数，按5 o 取定；口。为水平地震影响系数最大值，按相应设防烈度 取定。北京设防烈度为8 度，故取am a x = o 1 6 0 ：g 。为幕墙构件的重量( k n ) p e k = 5 口脚g 脒= 0 8 g 肼 ( 2 3 ) q e = p e 瑾6 e k i a 式中：如为垂直于于幕墙平面的分布水平地震作用标准值( k n m 2 ) ；b 。 为动力放大系数，按5 0 取定；c i 。；为水平地震影响系数最大值，按相应设防 烈度取定a 北京设防烈度为8 度，故取d 。= 0 1 6 0 ；g 。为幕墙构件的重量 ( k n ) ：爿为幕墙构件面积( m 2 ) ( 3 ) 荷载组合： 水平荷载应力标准值：q s b - 6 3 , t + o 6 p n 水平荷载应力设计值：q s = i 4 k + o 6 i 3 p n ( 2 4 ) 竖向荷载标准值：q 。= g 。+ q “ 竖向荷载设计值：q c = 1 2 g 。+ 1 3 q “ 2 3 石材幕墙部件的强度校核 2 3 1 、石材板强度校核： 取石材2 8 0 0 x 1 8 0 0 4 0 m e n 3 和1 5 0 0 1 8 0 0 4 0 m m 3 ( 如图2 1 ) 所示进行校核 石材温度变形校核 l 、 石材热裂应力校核： c r r 2 r = 0 7 4 e o t # t # 2 # 3 # 4 ( 砭一五) ( 2 5 ) 其中：仃m 为温差应力( n m m2 ) ：e 为花岗岩的弹性模量取1 o 1 0 ； 口为花岗岩的线膨胀系数取0 8 1 0 。5 ；“为阴影系数取1 o ；t ：为窗帘系数 取1 0 ；鸬为石材面积系数取1 0 7 ；4 为嵌缝材料系数取0 5 0 ；t c 、t s 分别 为石材中央和边缘的湿度( 0 c ) 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 最外侧 栓孔中 图2 - 1 石材尺寸示意图 = 3 5 a + 0 6 5 t o + o 3 5 t ， 瓦= o 6 5 t o + 0 3 5 t ， 式中，日为石材的吸收率，取0 9 5 ；t o 为室外温度3 6 。c t ，为室内温度2 6 c a 经计算得 听2 r = 1 0 5n 咖2 盯r 2 = 1 2o r r 2 r = 1 2 6n 衄2 q 2 8 = 5 1 6n 哪2 式中，o r , 2 为温差应力标准值( n r a m2 ) ，o r , 2 8 为安全温差应力值。 2 、石材变形验算： l = l xd a t ( 2 - 6 ) 其中：l 为材温度变化而改变的尺寸值；l 为长边长度取2 8 0 0 m ，a 为石 材线膨胀系数，取0 8 1 0 一o c ；t 年温度变化取8 0 0 c 则：l = l xax t = 2 8 0 0 x 0 8 x 1 0 5 x 8 0 = 1 7 m m 因石材为宽缝，此变形对石材无影响。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 石材抗弯强度校核 1 、 风荷载由文献 2 5 ( t e k = 5 m d o k b u t 2 ( 2 - 7 ) 其中：仃。为风荷载在板中产生的最大弯曲应力标准值( y p a ) ；。为风荷载 标准值( 肋d a ) ；t 为板厚度( 唧) ；b o 为四点支撑板的计算长边边长( 眦) ， 为四点支撑板在均布荷载作用下的最大弯矩系数。对于2 8 0 0 1 8 0 0 4 0 m m a 的石材 22 2 0 2 3 m p a 而对于1 5 0 0 1 8 0 0 4 0 r a m 3 的石材 o e k = 9 7 7 0 6 m p a 2 、 地震荷载由文献 2 2 有 公式盯d = 6 m q k 矗( 2 8 ) 对于2 8 0 0 x1 8 0 0 x 4 0 r a m 3 的石材 盯“2 1 2 8 9 7 2 m p a 对于1 5 0 0 1 8 0 0 4 0 r a m 3 的石材 仃女2 5 7 2 m p a 3 、 石材承受最大应力设计值 o = y p w s 。+ ye 绎e s e 其中：瓯、s 。：分别为风荷载和地震荷载作为可变荷载产生的效应。y 。、 托：为各效应的分项系数。妒，、伊。：分别为可变荷载各效应的组合系数。 由文献 8 仃= 1 4 2 9 3 1 + 1 3 1 4 6 0 6 = 5 2 4 n m 2 石材应取m u l 9 0 以上等级方可符合要求。在实际施工中，石材取m u 2 3 0 等级，符合要求。 2 3 2 、后切式背栓校核； 背栓干挂方式及尺寸如附图2 - 2 所示 啥尔滨工程大学硕士学位论文 凰2 - 2 背栓干挂方式及尺寸 1 、石板材锥体破坏承载力 曩助厶o 5 x h e y x i 5 ( 2 9 ) 其中：, e z p 为石板锥体破坏系数，当鼻印1 4 r a m 时，有效埋深，z p = 1 4 2 2 ， 当印 1 4 m m 时，有效埋深j 6 z p ：i o 5 ：c u 为石板抗压强度，对b i u 2 3 0 # 石材 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 取f c u = 2 3 0 n m2 ：h e y 为锚栓的有效埋深为2 2 i i l l f 。= 1 4 2 2 x 2 3 0 x 0 5 2 2 x 1 5 = 5 3 9 k n 2 、后切背栓在石板中强度设计值： e = 尻sx z px 厶0 5 h e y l 5 7 ( 2 1 0 ) 式中：i l l s 为石板材离散系数取0 8 ：t z p 为石板锥体破坏系数：幼为石板 抗压强度：# e y 为锚栓的有效埋深：为设计安全系数取1 5 f 。= 0 8 1 4 2 2 2 3 0 0 5 2 2 1 5 = 4 3 1 7 k n 取二者中的较小值f m ，。= 4 3 17 k n 背栓所受水平荷载为： 对于2 8 m x l 8 m 的石材( 每块布1 0 个背栓) f s = ( 1 4 m + 1 3 0 6 q k ) a 4 = 3 1 4 k n 对于1 5 m 1 8 m 的石材( 每块布4 个背栓) 尽= 【1 4 + 1 3 o 6 q ) a 2 = 3 3 6 k n 3 、抗件应力设计值由文献 8 f = o 5 盯7 ， ( 2 一1 1 ) 式中，为锚固件抗拉承载力标准取值，对普通级奥氏体不锈钢取 7 0 0 4 8 6 m p a ，对高强级马氏体不锈钢取8 6 1 5 3 4 m p a ； 凡为抗剪承载力系数；普通级奥氏体不锈钢取1 6 7 7 6 ；高强级马氏体不锈钢 取1 8 ： t = 0 5 7 0 0 1 6 8 = 2 0 8 3 n m 2 剪承载力设计值： v = t 4 式中：tz 为抗剪应力设计值；船为螺纹有效截面积，由文献 8 得 v = 2 0 8 3 3 1 4 3 4 3 4 = 7 5 6 k n 背栓所受剪力值为 ts 2 ( 1 2 品+ 1 3 品) 1 2 = 6 2 5 k n 背栓抗拉剪承载力符合要求。 依斯泰公司所提供公式计算石板中强度设计值 r 。f 3 7 2 8 k n 。背栓所受 水平荷载f m t f 3 7 2 8 k n ，背栓抗剪应力设计值v = 7 5 6 k n ，上述校核表明，设计 满足规范要求。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 3 龙骨系统受力性能校核： 2 3 3 1 横龙骨受力性能校核 横龙骨按z 8 0 x 8 0 8 角钢计算，它的材料参数为：型材强度设计值为 2 1 5 0 0 0 n m m 2 ；型材弹性模量为e = 2 1 1 0 5 n r a m 2 ；惯性矩为i x = i y = 7 3 4 9 c m l ； 抵抗矩为w x = w y = 1 2 8 3 c m 3 ：型材截面积为h = 1 2 3 c 砰；型材计算校核处壁 厚为t = 8 o m m ；型材每米重为( o 0 5 7 + 0 0 8 5 + 0 0 2 5 ) k n m = o 1 8 4 k n m 。 根据石材分格要求，竖龙骨水平间距不大于1 5 m ，水平龙骨横向间距不 大于2 m ，每个横龙骨布置2 个背栓，其位置距该侧横龙骨边缘不大于0 2 m ， 由文献 8 计算得： 每个背栓承受风荷载设计值w 6 = a 。y ，4 = 2 7 0 k n ；标准值 w c f 阡名a s 4 2 1 9 2 k n 。 地震水平荷载设计值q p = g 。a s 儿4 ：o 8 8 2 k n 标准值 岛f g 口a s 4 = 0 6 8 k n a 重力荷载设计值为：g = y g s g 2 = 2 0 3 4 k n ；标准值g k - s 。2 = 1 6 2 k n 。 地震竖向荷载设计值q f b r y 。2 = 1 7 6 4 k n ；标准值q e k ：2 = 1 3 6 k n 。 1 、横龙骨抗弯强度安全性验算： 横龙骨竖向受力如图2 - 3 所示( 忽略横龙骨自重产生的效应) ：其中 n 1 = g + q b = 3 8 0 k n m r = 1 ， = 0 8 6 6 k n m 横龙骨横向受力如图2 4 所示，其中， m x = n 1 ， = o 7 1 6 k n m ( 2 - 1 2 ) n 2 = + q p _ 3 5 8 k n (