一．概述
背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻已有二十多年歷史，我國(guó)在二十世紀(jì)九十年代開(kāi)始使用。1998年建成的上海中銀大廈（浦東國(guó)際金融大廈）高235m，+139m以下采用了背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻，復(fù)蓋主體結(jié)構(gòu)表面15000m2，花崗石幕墻（其構(gòu)造型式為凸梯形與凸矩形組合）展開(kāi)面積22000m2，使用了約3萬(wàn)塊花崗石，6萬(wàn)個(gè)背栓，花崗石尺寸為（H×B）2.05m×0.3m，花崗石幕墻最高點(diǎn)為139m。1999年建成的上海交銀大廈采用的背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻最高標(biāo)高達(dá)196m，全國(guó)還有很多工程采用了背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻，總用量超過(guò)100萬(wàn)m2。
“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，在建造這些幕墻時(shí)，除按慣例進(jìn)行風(fēng)壓變形，空氣滲透，雨水滲漏三項(xiàng)物理性能檢測(cè)外，還對(duì)背栓和背栓錨固石材的連接部位進(jìn)行了背栓拉伸試驗(yàn)，背栓錨固石材的拉拔試驗(yàn)，背栓錨固的長(zhǎng)期（8500h）靜載抗剪、抗拉試驗(yàn)，背栓錨固的疲勞試驗(yàn)，以及背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻的抗震性能振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，積累了大量試驗(yàn)參數(shù)，證明了背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻有很高的可靠性，同時(shí)找出了局部構(gòu)造改進(jìn)的方向。下面進(jìn)行詳細(xì)討論：
1.背栓拉伸試驗(yàn)。從調(diào)查資料看出，背栓的材質(zhì)與A2-70不銹鋼螺栓相近，其極限抗拉強(qiáng)度接近700N/mm2，非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力大于480N/mm2，一顆φ12mm（φ8mm、φ6mm）背栓應(yīng)力截面積為84.3mm2 (36.6mm2、20.1mm2)，其極限拉伸強(qiáng)度為59KN(25.6KN、14KN)是背栓錨固石材拉拔力的2.5倍~10倍,也就是說(shuō)背栓錨固石材只會(huì)是石材沖切破壞，因此只要選對(duì)背栓的鋼號(hào)就行了。
背栓伸拉試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)后，應(yīng)按GB50068第5.0.3條規(guī)定取fk=μf-1.645σf ，背栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值按GB50017可取為ftb=fub/2.174，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fvb=fub/2.857。
現(xiàn)在有的廠商提供的參數(shù)，取fk=uf-2.57σf.及抗拉材料分項(xiàng)系數(shù)1.8,和抗剪材料分項(xiàng)系數(shù)3.2和GB50068和GB50017不一致,GB50068第1.0.3條規(guī)定：“制定結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范以及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范-----等設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)遵守本規(guī)范的規(guī)定”。我個(gè)人意見(jiàn)還是按GB50068執(zhí)行。
2.錨固件抗拉拔承載能力試驗(yàn)，
從試驗(yàn)情況看背栓與石材的錨固處全部是石材沖切破壞，破壞狀態(tài)為石材錐度破壞，影響破壞的因素有背栓直徑，背栓錨深，石材本身強(qiáng)度，其中錨深影響最直接，而且當(dāng)錨深等于小于12mm時(shí)，承載能力破壞的離散性較大，經(jīng)回歸統(tǒng)計(jì)，抗拉拔承載能力按錨深的指數(shù)1.5增長(zhǎng)，基材強(qiáng)度對(duì)抗拉拔承載能力按指數(shù)0.5增長(zhǎng)，6mm背栓連接抗拉拔承載能力為4.5KN~8KN，φ8mm背栓抗拉拔承載能力為5KN~10KN，φ12mm背栓抗拉拔承載能力為6KN~12KN。
上述為承載能力標(biāo)準(zhǔn)值，即將拉拔試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，將平均值減去1.645倍標(biāo)準(zhǔn)差，前述錨深≤12mm離散性較大，其標(biāo)準(zhǔn)差也大，按fK=μf-1.645σf計(jì)算已考慮了離散性，不必再用系數(shù)折減。其設(shè)計(jì)值fTV=fK/2.143/2。.對(duì)只進(jìn)行了石材抗壓（抗彎）試驗(yàn)的工程可用應(yīng)力法計(jì)算抗剪強(qiáng)度：
τ=P/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]≤fT
3、錨固件錨固的長(zhǎng)期靜載試驗(yàn)
錨固件長(zhǎng)期靜載試驗(yàn)，測(cè)試背栓錨固不同強(qiáng)度的基材在長(zhǎng)期靜載下的位移松動(dòng)及徐變性能，設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)間為一年（8500H），試驗(yàn)分長(zhǎng)期荷載抗剪試驗(yàn)和抗拔試驗(yàn)，抗剪試驗(yàn)是指背栓在承受荷載抗剪作用下經(jīng)8500H后，對(duì)受拉試件做極限拉拔力試驗(yàn)與未經(jīng)長(zhǎng)期荷載試驗(yàn)的試件作對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明抗剪性能良好，除加載初期觀察到較小因裝配間隙位移（≤0.3mm）外未見(jiàn)其他破壞，在長(zhǎng)期抗拉拔試驗(yàn)中未見(jiàn)破壞和明顯位移。
說(shuō)明背栓與石材的連接即使在長(zhǎng)期外荷載下作用也有很大的可靠性。
4、錨固件錨固的荷載疲勞試驗(yàn)，即反復(fù)荷載的疲勞試驗(yàn)。
在正壓300萬(wàn)次+負(fù)壓300萬(wàn)次往復(fù)動(dòng)力載荷耐疲勞度試驗(yàn)中，對(duì)帶尼龍塑料套墊的背栓在栓與孔之間起到三向隔震減震效應(yīng)，在沖擊作用下起到緩沖作用，使背栓錨固連接部位在數(shù)百萬(wàn)次強(qiáng)勁往復(fù)動(dòng)力荷載耐疲勞試驗(yàn)中未見(jiàn)損壞和明顯位移，而單切面背栓由于背栓本身活動(dòng)，在往復(fù)動(dòng)力的壓、拉作用下，最差的在126次負(fù)壓破壞，因此可以看出背栓最好要帶尼龍?zhí)讐|，并采用雙切面即背栓與石材要首先緊固。
5、抗震試驗(yàn)
華南城建學(xué)院抗震中心、中國(guó)建筑科學(xué)研究院、中國(guó)水科科學(xué)研究院進(jìn)行多次石材幕墻抗震性能振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明在地震加速度0.6g以下（相當(dāng)于烈度9.7度）時(shí)一切正常，華南城建學(xué)院抗震中心試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在0.6g時(shí)背栓有松動(dòng)跡象，0.8g時(shí)（相當(dāng)于烈度10度）幕墻掛勾有脫出橫梁的可能，經(jīng)分析是主要是栓孔未按公差要求加工，采用單切面無(wú)尼龍?zhí)讐|的背栓，幕墻組件的掛勾與橫梁搭接量小于6mm。其他試驗(yàn)采用了帶尼龍?zhí)讐|的雙切面背栓，幕墻單元組件掛勾與橫梁搭接高度大于10mm，即使在0.9g（相當(dāng)于烈度10.2度）、層間變位達(dá)到1/54時(shí)，背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻仍完好無(wú)損，而且經(jīng)過(guò)抗震試驗(yàn)的試件背栓與石材錨固處的石材抗拉拔能力與未經(jīng)抗震試驗(yàn)的試件幾乎沒(méi)有區(qū)別。
從以上試驗(yàn)可以看出，背栓式點(diǎn)連接花崗石幕墻在規(guī)范規(guī)定的使用范圍（6—8度區(qū)）時(shí)，可以采用無(wú)尼龍塑料套墊的單切面背栓，當(dāng)用于9度區(qū)及9度以上烈度區(qū)時(shí)，應(yīng)采用帶尼龍塑料套墊的雙切面背栓。幕墻組件掛勾與橫梁的搭接高度應(yīng)不少于10mm。
二、設(shè)計(jì)與計(jì)算
1、構(gòu)造設(shè)計(jì)
首先要樹(shù)立一個(gè)概念：背栓是一個(gè)緊固件，它把石材和石材幕墻組件中的連接件聯(lián)結(jié)在一起，它屬
于可以自由拆卸的緊固件，連接件可按需要即按照每幅幕墻中與石材幕墻相組合的玻璃（金屬）幕墻的構(gòu)造相匹配的構(gòu)造要求來(lái)設(shè)計(jì)連接件。例如和外插式隱框幕墻（小單元幕墻）相組合時(shí)可采用與外插式相匹配的連接件，用背栓將石材固定在外插式付框上。
石材與連接件的連接，視石板材尺寸和構(gòu)造要求可采用一個(gè)背栓、兩個(gè)背栓、四個(gè)背栓等。
當(dāng)采用一個(gè)背栓時(shí)，孔一般應(yīng)位于板中心，孔中到板邊距離不大于300mm，板與連接件還應(yīng)采用4個(gè)尼龍螺栓頂住板內(nèi)側(cè)，保持板的穩(wěn)定。
當(dāng)采用二個(gè)背栓時(shí)，孔中到板頂邊距離不大于400mm，至側(cè)邊不大于300mm，在背栓兩側(cè)用尼龍螺栓頂住板內(nèi)側(cè)，保持板的穩(wěn)定。
當(dāng)采用四個(gè)螺栓時(shí)，孔中到板邊距離不大于250mm。
背栓及孔的構(gòu)造要求如下表：
背栓與石材錨固部位的施工質(zhì)量的重要一環(huán)是極限（公差）配合的確定和檢驗(yàn)，要求孔位偏差
±0.5mm，孔距偏差±0.5mm，孔距與孔位偏差之和不得大于±1.0mm，孔徑(φ6~8mm)+0.4mm、-0.2mm，
孔深+0.4mm、-0.1mm，底部擴(kuò)孔直徑±0.3mm。
2.設(shè)計(jì)計(jì)算
A.一塊板用一個(gè)背栓
P=qA
σ=（P/t2）*[0.5456Ln(0.64L/t)+1.062]≤fT 或 σ=（P/t2）*[1.2563lg(0.64L/t)+1.062]≤fT
u=C×(P×L2/E×t3)
τ=P/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]
式中: L——LX、 Ly 中較小者（mm）； t —— 板厚（mm）；
D——錨孔直徑（mm）； h——錨孔深度（mm）。
B.一塊板用兩個(gè)背栓錨固，可簡(jiǎn)化為兩端帶懸臂的簡(jiǎn)支板計(jì)算
MA=MB= －qa2/2
R=qL/2
Mφ=qL2/8×[1－4×（a/L）2]
uC=uD=qaL2/24EI[－1+6（a/L）2+3（a/L）3]
uφ=qL4/384EI[5-24（a/L）2]
τ=R/[π*h/cosα*（D+h*tanα）]
C．一塊板用四個(gè)背栓錨固，按四角支承板計(jì)算
σ=6mqL2/t2
式中： L——LX、Ly中較大；
m——彎距系數(shù)。
τ=（qa/4*1.25）/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]
例1． MU110級(jí)(抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值8N/mm2)花崗石500mm*500*30mm，用背栓11*15M6一個(gè)，驗(yàn)算花崗石抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。
WK=4000N/m2, qEK=336N/m2, 。
解：風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值 W=1.4WK=1.4*4000=5600N/m2
地震（作用）設(shè)計(jì)值 qE=1.3qEK =1.3*336=437N/mm2
荷載（作用）組合設(shè)計(jì)值 q=1.0 W+ 0.6 qE =1.0*5600+0.6*437=5862N/mm2
背栓處集中力 P=abq=0.5*0.5*5862=1466N
石板抗彎截面最大設(shè)計(jì)正應(yīng)力值
σ=（P/t2）*[0.5456Ln(0.64L/t)+1.062]
=（1466/302）*[0.5456ln(0.64*500/30)+1.062]=3.83N/mm2>3.7N/mm2
或 σ= （P/t2）*[1.2563lg(0.64L/t)+1.062]
=（1466/302）*[1.2563lg(0.64*500/30)+1.062]=3.83N/mm2>3.7N/mm2
需改用MU130級(jí)(抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值9N/mm2)花崗石fT=4.2N/mm2
石板抗剪截面最大設(shè)計(jì)剪應(yīng)力值
τ=P/[π*h/cos250*(D+h*tan250)]=1466/[15/cos250*3.14159*(13.5+15*tan250)]=1.38N/mm2<1.9N/mm2
例2．上例條件1000mm*1000*30mm花崗石，背栓11*15M6四個(gè)，驗(yàn)算花崗石抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。
解： 板長(zhǎng)寬比 LX/LY=0.7/0.7=1 查彎距系數(shù) mOY=0.1559
石板抗彎截面最大設(shè)計(jì)正應(yīng)力值
σ=6mqLY 2=6*0.1559*5.862*10-3*7002/302=2.98N/mm2<3.7N/mm2
石板抗剪截面最大設(shè)計(jì)剪應(yīng)力值
τ=qa/4*1.25/[π*h/cosα*(D+h*tanα)]
=(5862/4) *1.25/[(15/cos250*3.14159*(13.5+15*tan25o)] =1.72N/mm2<1.9N/mm2
例3．用MU130級(jí)(抗彎標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度9N/mm2的花崗石)
300mm*2050mm*30mm,兩個(gè)13*15M8背栓各距板端400mm,
WK=3500N/mm2，驗(yàn)算花崗石抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。
解：石板自重標(biāo)準(zhǔn)值 GK=28000*0.03=840N/m2
地震作用標(biāo)準(zhǔn)值 qEK=βeαmaxGK=5*0.08*840=336N/m2
面荷載（作用）組合設(shè)計(jì)值
q面=1.4W+0.78 qEK =1.4*3500+0.78*336=5162N/m2
線荷載（作用）組合設(shè)計(jì)值 q線=b q面=0.3*5162=1549N/m2
背栓處支座反力 R1=R2= q線L/2=1549*2.05/2=1588N
彎矩 M=qL2/8{1-4(a/L)2} =1549*1.252/8*[1-4*(0.4/1.25)2]=178.619N/m=178619N/mm
石板截面抵抗矩 W=bt2/6=300*302/6=45000mm3
石板抗彎截面最大設(shè)計(jì)正應(yīng)力值
σ=M/W=178619/45000=3.97N/mm2<4.2N/mm2
石板抗剪截面最大設(shè)計(jì)剪應(yīng)力值
τ=R/[π*h/cosα*（D+h*tanα）]=1585/[15/cos250*3.14159*(15.5+15/tan25o)]
=1.37N/mm2<2.1N/mm2
三．背栓點(diǎn)連接花崗石幕墻用于復(fù)什部位連接設(shè)計(jì)
下圖為有五個(gè)凸角，三個(gè)凹角組成的裝飾線，用背栓將石材緊固在五個(gè)連接件上順利完成了裝飾要求，這對(duì)鋼銷、鋼勾是無(wú)法完成的。
四．雨幕原理（The Rain Screen Principle）和石材幕墻防水構(gòu)造設(shè)計(jì)
雨幕原理是一個(gè)設(shè)計(jì)原理，它指出雨水對(duì)這一層“幕”的滲透將如何被阻止的原理，在這一原理應(yīng)用中其主要因素為在接縫部位內(nèi)部設(shè)有空腔，其外表面的內(nèi)側(cè)的壓力在所有部位上一直要保持和室外氣壓相等，以使外表面兩側(cè)處于等壓狀態(tài)，其中提到的外表面即“雨幕”。壓力平衡的取得是有意使開(kāi)口處于敞開(kāi)狀態(tài)，使空腔與室外空氣流通，以達(dá)到壓力平衡。這個(gè)效應(yīng)是由外壁后面留有空腔所形成，此空腔必須和室外聯(lián)通才能達(dá)到上述目的，由于風(fēng)的隨機(jī)性造成的陣風(fēng)波動(dòng)亦需在外壁兩側(cè)加以平衡。
大家知道，幕墻發(fā)生滲漏要具備三個(gè)要素：
A．幕墻面上要有縫隙；
B．縫隙周圍要有水；
C．有使水通過(guò)縫隙進(jìn)入幕墻內(nèi)部的作用。
這三個(gè)要素中如果缺少一項(xiàng)滲漏就不會(huì)發(fā)生（如果將這三個(gè)要素的效應(yīng)減少到最低程度，則滲漏可降低到最小程度）。在外壁水和縫隙是無(wú)法消除的，只有在作用上下功夫，通過(guò)消除作用來(lái)使水不通過(guò)外壁縫隙進(jìn)入等壓腔。在內(nèi)壁，縫隙和作用（特別是壓差）不能消除，要達(dá)到內(nèi)壁不滲漏，則要使水淋不到內(nèi)壁，這正好由外壁（雨幕）發(fā)揮的效應(yīng)來(lái)達(dá)到，外壁內(nèi)、外側(cè)等壓，水進(jìn)不了等壓腔，就沒(méi)有水淋到內(nèi)壁，內(nèi)壁縫隙周圍沒(méi)有水，內(nèi)壁就不會(huì)發(fā)生滲漏，這樣單元式幕墻對(duì)插部位就不會(huì)有水滲入室內(nèi)了。這個(gè)設(shè)計(jì)的核心原理就是外壁（雨幕）內(nèi)、外側(cè)等壓，使雨水進(jìn)不了等壓腔，達(dá)到內(nèi)壁縫隙周圍無(wú)水，即在內(nèi)壁消除滲漏三要素中水的因素來(lái)達(dá)到整體單元式幕墻接縫體系不滲漏。但是，要達(dá)到完全等壓是困難的，甚至在某些情況下是做不到的，這是由于外壁上的壓力是由風(fēng)引起的，這種由風(fēng)引起的壓力在時(shí)間上和空間上都是動(dòng)態(tài)變化的。由陣風(fēng)所形成的風(fēng)壓變化，使外壁兩側(cè)的壓力隨之變化。在陣風(fēng)波動(dòng)的瞬間，外壁內(nèi)外兩側(cè)壓力是不等的（即等壓腔內(nèi)壓力與室外壓力不相等），要通過(guò)空氣流通來(lái)平衡，在空氣流通時(shí)就有可能將水帶入等壓腔。風(fēng)壓在幕墻外表的分布也是不平衡的，風(fēng)壓隨高度增加，有時(shí)幕墻外表面也有局部（邊角、頂部）呈負(fù)風(fēng)壓狀態(tài)，當(dāng)兩個(gè)開(kāi)口處風(fēng)壓不等或一處為正風(fēng)壓另一處為負(fù)風(fēng)壓時(shí)，等壓腔內(nèi)壓力約為兩個(gè)開(kāi)口處風(fēng)壓（負(fù)風(fēng)壓）的平均值，雨水總是沿著壓力降方向滲入，外側(cè)壓力大于等壓腔壓力的開(kāi)口處就會(huì)有雨水滲入等壓腔，因此應(yīng)該考慮雨幕層（外壁）必然有少數(shù)偶然滲漏的可能，這樣就要使已滲入等壓腔的水即時(shí)排出至室外。這樣單元式幕墻接縫處防水構(gòu)造要使外壁具有防止大量雨水滲入的能力，對(duì)少量滲入等壓腔的雨水能即時(shí)排出，使水淋不到內(nèi)壁，在內(nèi)壁消除滲漏三要素中水的因素，從而達(dá)到雨水不滲漏到室內(nèi)的目的。還必須指出這僅是理論上闡述的原理，實(shí)際工程中要完全消滅滲漏三要素中任何一項(xiàng)是不容易做到的，但不是說(shuō)我們就無(wú)能為力了，雖然不能到達(dá)完全消滅滲漏三要素中任何一項(xiàng)的目的，但可采取措施使?jié)B漏三要素每一項(xiàng)減少到最最低程度。這樣在學(xué)習(xí)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)本國(guó)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)單元式幕墻對(duì)插接縫處防水構(gòu)造設(shè)計(jì)已有一套較成熟技術(shù)方案，即在橫（豎）向接縫的外側(cè)設(shè)置雨披，僅在兩單元組件連接處留一個(gè)小開(kāi)口，使等壓腔與室外空氣流通，以維持壓力平衡，這樣形成一個(gè)自上而下、自左到右一個(gè)連續(xù)的外壁（雨幕），雨披沿接縫全長(zhǎng)阻止大量雨水滲入幕墻內(nèi)部，僅開(kāi)口處有少量雨水滲入，用封口板（集水槽）將沿豎框空腔下落的水分層集水并即時(shí)排至室外面板表面下泄，且排水孔遠(yuǎn)離接縫，減少縫隙周圍水的聚集。封口板又將桿件空腔分隔成較短的分隔單元，減少等壓腔與室外壓力差，從而減少通過(guò)開(kāi)口滲入等壓腔的雨水。增設(shè)外封口板，將沿板材（付框）構(gòu)造厚度處豎向空腔（這個(gè)腔位于披水內(nèi)側(cè)與桿件組成的空腔外壁之間）分層分隔，使沿這個(gè)空腔下落的水分層排至室外，避免水沿全高下落愈往下水層愈厚的情況發(fā)生，減少這些水滲入等壓腔的可能，同時(shí)外封口板將每層豎向接縫的開(kāi)口遮擋成為向下的開(kāi)口構(gòu)造，使水由于重力而下落無(wú)法長(zhǎng)驅(qū)直入等壓腔，而且保持空氣流通，達(dá)到水不會(huì)由于重力作用或氣流滲入等壓腔的目的。采用這些構(gòu)造的單元式幕墻經(jīng)數(shù)次檢測(cè)，其水密性均在2500Pa以上，即在室內(nèi)外壓差超過(guò)2500Pa時(shí)不發(fā)生嚴(yán)重滲漏，氣密性達(dá)到〈0.05m3/m.h。
JGJ102新稿指出：明框幕墻玻璃與鑲嵌槽接縫部位和單元式幕墻組合桿的對(duì)插接縫部位宜按雨幕原理進(jìn)行壓力平衡構(gòu)造設(shè)計(jì)。美國(guó)建筑鋁制品協(xié)會(huì)出版的《鋁幕墻設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)》指出：“這樣室外和建筑物內(nèi)部空氣壓力差的產(chǎn)生部位，不是在外壁表面，而是在內(nèi)側(cè)空氣隔墻部位。因此，這道空氣隔墻絕不能象簡(jiǎn)單的氣密薄膜一樣，而是要具有結(jié)構(gòu)作用，以能承受風(fēng)荷載的形成的壓力。”即如果對(duì)花崗石幕墻采用開(kāi)口設(shè)計(jì)，則內(nèi)壁要和外壁等強(qiáng)，這樣就要花費(fèi)近似兩倍外壁的費(fèi)用，只有當(dāng)內(nèi)壁是剪力墻時(shí)可考慮采用，但還必須注意開(kāi)口構(gòu)造應(yīng)采取能防止重力，動(dòng)能，毛細(xì)，表面張力等作用使水進(jìn)入的構(gòu)造措施。這樣做對(duì)無(wú)墻壁部份是不經(jīng)濟(jì)的。
