石材幕墻干掛膠對(duì)槽口抗剪性能影響分析

鄭燕燕，樂(lè)騰勝，劉 俊，項(xiàng)炳泉，李 慧，韓 健，朱 莉

1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院 綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230031

0 引言

幕墻是建筑的外圍護(hù)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(zhǎng)補(bǔ)短而改進(jìn)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(chǎng)預(yù)先在石板端部切割出槽口，再通過(guò)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(shí)際使用過(guò)程中，垂直于板面風(fēng)荷載作用在面板上時(shí)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)壓力或風(fēng)吸力，這些外部作用通過(guò)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(qiáng)度削弱，且應(yīng)力過(guò)大，從而造成槽口損壞。Camposinhos 等［2］認(rèn)為石材的破壞荷載僅復(fù)核彎曲強(qiáng)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(yàn)公式來(lái)估算連接處的極限荷載。國(guó)外試驗(yàn)［2］給出掛件處需考慮彎剪的復(fù)合作用，同時(shí)還將應(yīng)力集中系數(shù)納入考慮范圍。現(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(dān)，計(jì)算公式如下：

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

1 面板內(nèi)力計(jì)算

某工程石材幕墻頂標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)防。

作用在面板上的風(fēng)荷載ωk=βgzμslμzω0，查閱文獻(xiàn)［4］得到：βgz=1.6309，μsl=1.2，μz=1.2311，ω0=0.00035N/mm2，計(jì)算得風(fēng)荷載正向標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)［3］得到：βE=5.0，αmax=0.08，GK=0.0011N/mm2，計(jì)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(jì)組合得到q=1.5WK+0.5×1.3qEK=0.001718N/mm2

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

2 面板有限元分析

通過(guò)ABAQUS 有限元軟件對(duì)槽口受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬，將理論公式的計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(shí)際情況更接近，采用三維實(shí)體單元C3D8R 模擬石材面板、干掛膠和掛鉤，建立“實(shí)體-實(shí)體-實(shí)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(chǎng)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(jì)算的精度還要考慮計(jì)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(jìn)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(duì)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(duì)與主體結(jié)構(gòu)位移情況，直接約束掛鉤端部方向平動(dòng)自由度，釋放方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。設(shè)定好邊界條件后，對(duì)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(jì)算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果列于表1。

表1 理論公式計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比

對(duì)比分析圖1 與圖2、3 可知，當(dāng)槽口未填筑干掛膠時(shí)，僅槽口單邊槽壁承擔(dān)外荷載作用；當(dāng)填筑干掛膠時(shí)，由于干掛膠自身固化后能分擔(dān)一部分外荷載作用，同時(shí)其黏結(jié)作用使得槽口對(duì)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(duì)比分析表1 可知，模型A 槽口剪應(yīng)力值近似為理論計(jì)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(guò)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(jì)算公式值，偏于不安全；模型C剪應(yīng)力值小于理論計(jì)算公式值，偏于安全。因此施工現(xiàn)場(chǎng)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(dān)一部分外荷載作用，且通過(guò)黏結(jié)作用使得槽口對(duì)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(guò)有限元分析可知，當(dāng)槽口部位掛鉤與槽壁之間干掛膠厚度小于2mm 時(shí)，剪應(yīng)力值大于理論公式計(jì)算值，因此建議施工現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)施工安裝質(zhì)量把控措施提供了一定的參考依據(jù)。