玻璃纖維增強水泥外墻板的安裝

司國棟 孫詩兵 呂 鋒 田英良 崔素萍

（北京工業大學 材料科學與工程學院，北京 100124）

玻璃纖維增強水泥（GRC）外墻板是以耐堿玻璃纖維為主要增強材料、硫鋁酸鹽水泥或鐵鋁酸鹽水泥或硅酸鹽水泥為膠凝材料、砂子為集料，采用直接噴射工藝或預混噴射工藝制成的玻璃纖維增強水泥非承重外墻板。

GRC外墻板可根據建筑的需要塑造出各類不同的裝飾風格，質感和色彩豐富，能滿足大規格尺寸、異形化和個性化設計要求，賦予建筑極其豐富設計素材。GRC外墻板具有優良的抗拉、抗彎和抗沖擊性能，且抗裂性好、重量輕，不怕潮、不燃燒，且安裝施工速度快。近年來，裝飾GRC外墻板發展迅速，國內已有GRC外墻板標準，正在制訂相關建筑應用技術規程，但安裝工藝標準、標準圖集和相應的驗收規范比較欠缺，給設計、施工和使用帶來許多困難，不利于GRC外墻板的健康發展。本文在研究國際GRC協會GRCA，歐洲標準化委員會CEN，（美國）預制 /預應力混凝土研究所PCI 三大標準的基礎上[1，2，3]，結合目前國內外GRC外墻板的工程實際[4，5，6]和實際工程經驗，建議了GRC外墻板安裝節點，以期為安裝工藝、質量控制和標準化建設提供幫助。

1 GRC外墻板的分類

按照GRC外墻板的構造可分為單層板、有肋單板、框架板與夾芯板四種類型；按照板有無裝飾層將其分為有裝飾層板和無裝飾層板[7]。

單層板面積較小，加肋可以提高板的強度和剛度，承受風荷載和地震作用，滿足變形要求。由于夾芯板兩面溫度和濕度的差異較大，可能造成板的彎曲變形和局部應力集中，夾芯板的形狀和尺寸都受到限制，一般不超過6m2。

框架板由面板、背附鋼架及錨栓（柔性、重力、抗震）組成，柔性錨栓限制板側向（板面的法線方向）位移，不限制板在板面內水平方向和垂直方向位移。重力錨栓位于板的底部，支撐板的重量，不限制板在板面內水平方向位移。錨栓處局部加厚的厚度應大于或等于面板厚度。框架板一般10-20m2，最大面積可達50 m2，可制造各種復雜形狀，同一鋼架上可安裝多塊面板，框架板選用不銹鋼和鍍鋅處理防止銹蝕。

框架板四周30mm～40mm 的肋能夠提高強度并有利于板縫密封。風荷載和地震作用產生位移，柔性錨栓的數量由側向位移以及板中最大應力確定，重力錨栓的數量由縱向位移以及板的重量確定。GRC面板加肋后，能夠減少錨栓數量，但板的重量增加。重力產生的剪應力和風荷載容易使局部加厚處破壞。

2 GRC板的錨固點設置及板縫處理

安裝GRC外墻板應該確保與結構的連接安全可靠，有足夠的偏差調整能力，能夠滿足一般結構偏差。安裝的GRC板應允許結構位移或板自身因溫度濕度變化產生的變形，所采用的柔性連接應有利于錨固點傳力均勻。

GRC板的收縮包括不可逆的水泥收縮和可逆的濕脹干縮，1：1 砂膠比的GRC板總收縮為0.12%，不可逆收縮為總收縮的1/4-1/3，不可逆收縮約為0.03%～0.04%。取GRC板的彈性模量E 為15 N/mm2；如果限制GRC外墻板脹縮變形，板中產生的壓應力或拉應力能高達18N/mm2。假定溫度變化量ΔT 為30℃，線膨脹系數α 為18×10-6/℃，板長為2.5m 產生的伸長量1.35mm。如果限制GRC外墻板溫差變形，板中產生的壓應力或拉應力高達8.1 N/mm2。這樣收縮變形和溫差變形產生的應力最大可達到26.1 N/mm2，而噴射成型抗彎極限強度（MOP）為18 N/mm2，所以安裝的GRC外墻板應特別注意允許溫度濕度變化產生的變形。過度的約束將限制GRC板的收縮和溫度濕度變化引起的變形，采用柔性連接可以有效地允許變形[8]。

許多因素會引起建筑結構的變形，一塊GRC板不應安裝在可能產生相對位移的結構上，龍骨能夠減少這種變形的影響。通常在GRC板底部設置承重支撐錨固點，使板處于受壓狀態，避免吊掛方式產生張應力。面板安裝時應按照設計要求的數量和位置進行，并調整好重心支撐點，盡可能減少偏心距。為提高抗震性應在重心處增設錨固點。

單板和有肋單板的所有錨固點應限制板在板的法線方向的位移，允許板在板平面方向內一定程度的偏移。安裝板錨固點的合理的布局如圖1所示。底部一個錨固點為重力固定支撐點（緊固點），其他的重力支撐點允許水平方向的位移（滑移點）。底部以外的其它錨固點允許垂直方向和水平方向的位移（滑移點）。

圖1 合理的錨固點布局

GRC板板縫寬度不僅要考慮外觀要求，還應考慮收縮、溫度濕度變化、面板尺寸、固定方式和偏差（制造、現場安裝）的綜合影響。板縫的密封非常重要，為了保證密封膠與板的粘結，首先對板進行界面處理，塞入比板縫大30%背襯條，再打密封膠。對水平企口縫可以先在下層板上粘貼壓縮密封條，然后安裝上層板，再打密封膠，實現雙層密封。搭接可以容許更大的變形，接縫更為平滑，密封膠處于受剪狀態。

鋼結構比混凝土結構變形大，GRC面板的支撐鋼架應不承受主體鋼結構的荷載，鋼架僅承受自重和GRC面板的重量。當主體鋼結構上固定GRC板時，在荷載的作用下，鋼結構的撓度增大，可能造成垂直板縫頂部變窄，板與板之間的接觸，因此考慮適當增大板縫。

3 GRC板連接部分

GRC外墻板連接系統由連接部分（GRC板、掛件的連接部分）、支座部分（預埋件）兩部分之間的轉接部分組成[9]。錨固點應分為緊固點和滑移點，緊固點和滑移點的設置應滿足板材變形的要求。

3.1 單層板連接部分

單層板連接方式一般有銷栓式和槽式，分別如圖2a和圖2b所示。外墻板一般安裝在鋼骨架，GRC板上的連接部位一般采用局部加厚的粘接盤，粘結盤的厚度應大于或等于面板厚度。銷栓通過GRC板邊沿粘接盤上的孔受力，板的銷孔處配合過緊時應力比較集中，局部容易碎裂。槽式可以分為短槽和通槽。擋板與板材邊沿局部加厚或者加肋部分的槽連接，擋板比銷栓能夠將應力分布在更大的范圍，但由于擋板與板材槽的偏差增加安裝難度。

圖2 單層板連接方式

兩塊相鄰的板可以一個銷栓或擋板只連接一塊板如圖3a，也共用一個銷栓或擋板，如圖3b所示。

圖3 單層板與板的連接

槽式安裝用擋板的形式多樣，可以是上下翻頭“T”形卡條，如圖4a所示。因其上下翻頭厚度和彎度迫使所安裝溝槽必須加寬，安裝時對板材容易造成破損，加工槽寬用膠量過大使其綜合成本加大。現場焊接此種掛件降低了板材破損，但因焊接時高溫加熱會產生“退火”現象，降低了掛件強度，容易銹蝕且影響美觀[10]。SE 掛件在一個轉接部位分別固定兩塊板，該方法在石材幕墻安裝中經常用到，如圖4b。也可采用有背支板，將GRC板固定在“F”形卡條上，與骨架固定[11]，如圖4c。另外，還可以采用插指卡件和托卡一體式卡件[12]，分別見圖4d 和圖4e。

3.2 有肋單板連接部分

有肋單板連接部分包括預埋內螺紋件式、穿孔式、銷栓式和槽式。

預埋內螺紋件式通常將不銹鋼內螺紋埋件預埋入有肋單板或夾芯板中，為增加埋件與GRC板的握裹力，采用特殊的端部形狀（如圖5a），盡可能將荷載分布在板的較大范圍內。為避免安裝時緊固螺栓對面板的影響，預置內螺紋埋件高度應超出板面，預置內螺紋埋件到肋邊緣的距離不小于埋入板肋的深度，如圖5b所示。

圖4 槽式連接的主要方式

預埋內螺紋件式通常將不銹鋼內螺紋埋件預埋入有肋單板或夾芯板中，為增加埋件與GRC板的握裹力，采用特殊的端部形狀（如圖5a），盡可能將荷載分布在板的較大范圍內。為避免安裝時緊固螺栓對面板的影響，預置內螺紋埋件高度應超出板面，預置內螺紋埋件到肋邊緣的距離不小于埋入板肋的深度，如圖5b所示。

圖5 預埋內螺紋件式

穿孔式連接用于較小的GRC板，如圖6所示，生產GRC板時預制螺栓孔和預埋墊片，安裝時使用氯丁橡膠彈性墊片調整偏差，用GRC等填封料密封連接件[13]。

銷栓式和槽式類似于單層板，GRC外墻板頂部限制側向位移（如圖7a），扁鐵插入縱向槽錨固墻板。“L”型鋼筋或扁鐵插入面板后局部加厚的預留孔槽，如圖7b所示，這種連接的強度比采用預埋內螺紋件時差，僅適用于小型板。

圖6 穿孔連接

圖7 帶肋板“L”型鋼筋或扁鐵的連接方式

3.3 框架板面板連接

框架板的面板與背附鋼框架采用鋼筋錨桿連接，面板與錨桿為鉸接，如圖8所示。錨桿分為柔性錨桿、重力錨桿和抗震錨桿，如圖9所示。柔性錨桿垂直于面板，將面的法向荷載傳遞給框架，重力錨桿將豎向荷載傳遞給框架，柔性錨桿和重力錨桿不應約束GRC板的收縮和溫度濕度變化引起的變形，錨桿處局部加厚的厚度應大于或等于面板厚度。裝配在夾套內的鋼筋或扁鋼錨桿都應便于面板在板面內自由運動。所有錨桿應指向面板的中心，以緩解收縮應力。當錨桿必須指向另一個方向時，必須有足夠的距離，以適應面板的自由收縮。較大較重的GRC板采用扁鋼錨固。

3.4 夾芯板連接

夾芯板是由兩層GRC板和輕質隔熱芯板組成，GRC板厚度通常在10-15mm。為了防止夾芯板因內外溫度濕度變化產生變形，通常對外層GRC板連接部位局部加厚，采用單板和帶肋單層板的連接方法，夾心板整體構造及固定件形式如圖10所示。

4 GRC外墻板與主體結構的連接

GRC外墻板與鋼筋混凝土的連接可采用膨脹螺栓，化學膨脹螺栓，預埋件的方式。

圖8 框架板構造形式

圖9 錨桿連接形式

圖10 夾芯板連接

預埋件（哈芬槽）如圖11所示，先將帶有固定錨栓的C 型槽預埋于混凝土中，再將T 型螺栓的大頭扣進C型槽中，要安裝的構件再用T 型螺栓固定。

與鋼結構的連接可采用預鉆孔和現場鉆孔的方式，也可采用夾具固定的方式和焊接（保證焊接防腐措施）。在磚墻或砌塊墻體上安裝的GRC外墻板尺寸一般比較小，墻體要進行增強和專門處理。相對大板來說，小板能夠更均勻地將風荷載和板的自重分布在墻體上。錨固點應在磚或砌塊上，不得處于砂漿處。

與玻璃鋼擠拉型材結構連接時，避免荷載作用在最薄弱的方向上或部分截面上，希望將荷載作用在截面最強的拉擠方向上。GRC部件的支撐結構使用擠拉型材有許多優點。但在設計過程中必須充分考慮它們的各向異性特點。另一個重要的考慮因素是撓度，可以通過引入支撐，或者改變支撐結構的形式解決。

圖11 預埋件（哈芬槽）

5 GRC外墻板偏差

安裝GRC外墻板的結構偏差應滿足相關規范的要求，還要考慮生產制造GRC外墻板的偏差和安裝偏差，允許板收縮、溫度濕度變化產生的位移。為了順利安裝，要求針對個體工程設計GRC外墻板和連接系統，由專業安裝人員施工。

安裝GRC外墻板時，三個方向都應該能夠進行調節。角鋼上的孔和帶齒墊片提供多方向調節與固定，墊片提供垂直于墻面的水平調節。角鋼上的水平槽用于平行于墻面的水平調節，通過多個聚四氟乙烯墊片調節垂直方向，為避免GRC外墻板的損壞，應滿足支撐處的最小承受壓力的面積，墊片的最小厚度12mm，墊片的下端低于角鋼的彎起處，如圖12所示。角鋼傾斜的接觸方式將會導致應力集中對GRC板造成損壞，如圖13所示。

圖12 安裝偏差調整

圖13 固定角鋼偏差調節

圖14 預埋哈芬槽偏差調節

預埋哈芬槽能夠提供水平方向或垂直方向較大的調節，帶齒的槽能夠提供調節并鎖死。這種情況下，角鋼上的水平槽必須提供平行于墻面的水平調節，為防止電化學腐蝕，低碳鋼與不銹鋼之間采用聚氯乙烯和聚四氟乙烯隔離墊。如圖14所示。

起吊應該設置專門錨固，避免損壞安裝錨固，起吊時盡可能垂直，起吊點對稱于板的重心，如圖15所示。吊裝點可采用預埋內螺紋件和錨固鋼筋。設置吊裝點的原則是吊裝過程中構件彎曲應力最小，采用鐵扁擔和轉臺使受力合理。如果單塊板的重量超過40-45kg，兩個人抬舉困難，應該采用吊裝設備，GRC框架板容易吊裝，采用吊索直接綁扎框架。

圖15 吊裝示意圖

對建筑結構耐久性的影響因素通常有接觸（電偶）腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕開裂。環境條件（氯離子）是金屬固定件受到腐蝕最常見的原因。潮濕環境腐蝕固定裝置，導致結構損壞。腐蝕后的低碳鋼膨脹到原來厚度的四倍以上，這種膨脹顯然會對GRC面板產生不良影響。通常采用特殊材料來加工固定裝置如鍍鋅固定裝置、不銹鋼固定裝置和玻璃鋼型材。但這些材料因具有良好的耐久性而成本較高。所以應合理選擇耐腐蝕等級與建筑壽命匹配的固定裝置從而節約建筑成本。