石材幕墻干掛膠對槽口抗剪性能影響分析

鄭燕燕，樂騰勝，劉 俊，項炳泉，李 慧，韓 健，朱 莉

1.安徽省建筑科學研究設(shè)計院 綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230031

0 引言

幕墻是建筑的外圍護結(jié)構(gòu)，石材幕墻又因其莊重典雅而受到人們的喜愛，其主要安裝形式有短槽支承、通槽支承、鋼銷支承和背栓支承四種，這其中短槽支承是在通槽支承和鋼銷支承工藝基礎(chǔ)上取長補短而改進成的一種更為成熟的安裝工藝。石材面板安裝前需在工廠或施工現(xiàn)場預(yù)先在石板端部切割出槽口，再通過金屬掛鉤與鋼框架連接，槽口內(nèi)部填筑干掛膠。石材幕墻在實際使用過程中，垂直于板面風荷載作用在面板上時會產(chǎn)生風壓力或風吸力，這些外部作用通過槽口傳遞給干掛膠再傳遞給掛鉤最后再傳遞到鋼框架上，因此短槽支承面板的槽口受力性能顯得至關(guān)重要。王作虎等［1］提出石材幕墻面板脫落往往是由于石材與連接件連接失效造成，主要是石材連接處抗拉強度削弱，且應(yīng)力過大，從而造成槽口損壞。Camposinhos 等［2］認為石材的破壞荷載僅復(fù)核彎曲強度是不安全的，連接處應(yīng)該按彎剪復(fù)合應(yīng)力，提出了半經(jīng)驗公式來估算連接處的極限荷載。國外試驗［2］給出掛件處需考慮彎剪的復(fù)合作用，同時還將應(yīng)力集中系數(shù)納入考慮范圍?，F(xiàn)行石材幕墻規(guī)范［3］提出掛鉤在槽口產(chǎn)生的剪力由單邊槽壁承擔，計算公式如下：

公式中n 表示一個連接邊上的掛鉤數(shù)量，S 表示槽底總長，c 表示槽口寬度，t 表示面板厚度。公式未考慮干掛膠對槽口抗剪性能的影響，也未提及施工現(xiàn)場干掛膠施工質(zhì)量具體把控條文。本文以某實際工程為背景，通過規(guī)范計算公式得到槽口剪應(yīng)力值，再通過ABAQUS 有限元軟件對槽口受力情況進行數(shù)值模擬，對比理論計算與數(shù)值模擬結(jié)果，研究干掛膠對槽口抗剪性能的影響，并對短槽支承石材幕墻面板現(xiàn)場施工質(zhì)量控制提出參考建議。

1 面板內(nèi)力計算

某工程石材幕墻頂標高為20m，石材面板最大尺寸為1000mm×1400mm×28mm，該幕墻工程所在地ω0=0.00035N/mm2，地面粗糙度為B 類，7 度標準設(shè)防。

作用在面板上的風荷載ωk=βgzμslμzω0，查閱文獻［4］得到：βgz=1.6309，μsl=1.2，μz=1.2311，ω0=0.00035N/mm2，計算得風荷載正向標準值=0.000843N/mm2＜0.001N/mm2。

作用在面板上的地震荷載qEK=βEαmaxGK/A，查閱文獻［3］得到：βE=5.0，αmax=0.08，GK=0.0011N/mm2，計算得在垂直于板面方向的地震作用qEK=0.000336N/mm2。采用SW+0.5SE的設(shè)計組合得到q=1.5WK+0.5×1.3qEK=0.001718N/mm2

依據(jù)文獻［3］公式算得=0.526N/mm2＜1.86N/mm2，石材面板槽口抗剪強度滿足設(shè)計規(guī)范［3］要求。

2 面板有限元分析

通過ABAQUS 有限元軟件對槽口受力情況進行數(shù)值模擬，將理論公式的計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行對比。

2.1 模型建立

本次分析采用有限元分析軟件ABAQUS 建立模型，為了使數(shù)值模型和實際情況更接近，采用三維實體單元C3D8R 模擬石材面板、干掛膠和掛鉤，建立“實體-實體-實體”有限元分析模型。掛鉤與槽壁之間距離分別設(shè)置為0mm，1mm，2mm三種，其中0mm 即模擬施工現(xiàn)場掛鉤與槽壁硬接觸情況，三種模型分別用模型A，模型B 和模型C 表示。ABAQUS 模擬分析中，網(wǎng)格劃分不僅要滿足計算的精度還要考慮計算結(jié)果的收斂性，在模型范圍內(nèi)劃分生成規(guī)則的六面體單元，其中面板槽口部位網(wǎng)格進行加密劃分（見圖1）。

圖1 數(shù)值模型

2.2 約束和荷載

本文不考慮掛鉤與石材面板和干掛膠之間的相對滑移，所以掛鉤-干掛膠-石材面板三者接觸面均采用Tie 綁定約束。由于本文研究的是面板槽口受力性能，因此不考慮面板相對與主體結(jié)構(gòu)位移情況，直接約束掛鉤端部方向平動自由度，釋放方向轉(zhuǎn)動自由度。設(shè)定好邊界條件后，對面板施加垂直方向的均布荷載（見圖1）。

2.3 有限元分析結(jié)果

圖2 模型A 應(yīng)力圖

圖3 模型B 應(yīng)力圖

圖4 模型C 應(yīng)力圖

理論公式計算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果列于表1。

表1 理論公式計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比

對比分析圖1 與圖2、3 可知，當槽口未填筑干掛膠時，僅槽口單邊槽壁承擔外荷載作用；當填筑干掛膠時，由于干掛膠自身固化后能分擔一部分外荷載作用，同時其黏結(jié)作用使得槽口對稱邊槽壁也參與了抵抗外荷載作用，使得槽壁剪應(yīng)力值降低。

對比分析表1 可知，模型A 槽口剪應(yīng)力值近似為理論計算公式值的3 倍，槽壁所受剪應(yīng)力相比于規(guī)范［3］允許值的安全富余系數(shù)僅16%，因此施工過程中應(yīng)避免槽壁與掛鉤硬接觸現(xiàn)象；模型B 剪應(yīng)力值略大于理論計算公式值，偏于不安全；模型C剪應(yīng)力值小于理論計算公式值，偏于安全。因此施工現(xiàn)場關(guān)于短槽支承石材幕墻槽口部位掛鉤與槽壁之間干掛膠厚度建議不宜小于2mm。

3 結(jié)論

（1）槽口部位干掛膠固化后自身能分擔一部分外荷載作用，且通過黏結(jié)作用使得槽口對稱邊槽壁也參與了抵抗外荷載作用，因此干掛膠能改善短槽支承石材幕墻槽口抗剪性能；

（2）通過有限元分析可知，當槽口部位掛鉤與槽壁之間干掛膠厚度小于2mm 時，剪應(yīng)力值大于理論公式計算值，因此建議施工現(xiàn)場應(yīng)控制掛鉤與槽壁之間干掛膠厚度不宜小于2mm，且注膠前應(yīng)將槽口石屑等清理干凈；

（3）本文為短槽支承石材幕墻面板現(xiàn)場施工安裝質(zhì)量把控措施提供了一定的參考依據(jù)。