资源描述
室内短槽式干挂石材板材厚度研究
室内短槽式干挂石材板材厚度研究
北京市建筑装饰设计工程公司 董斌权
摘 要
在建筑施工技术安全日益受到重视的今天,干挂石材施工过程中石材厚度存在着越来越薄的趋势,这便涉及到干挂石材施工安全的问题。文章借鉴国家规范中石材幕墙对板材厚度最小厚度的规定,在分析干挂石材墙面与石材幕墙不同使用环境和安全要求的基础上,大胆地提出了北京市地方标准中对干挂石材板材墙面最小厚度应重新确定的推断。然后,以国家现行技术规范中规定的计算公式和石材加工要求为依据,通过对短槽式干挂石材板材极限受力状态下的分析计算、石材在使用过程中抗冲击安全验算以及施工过程中石材加工对板材厚度的要求三个方面的综合叙述论证,得出室内短槽式干挂石材板材最小厚度不能小于19mm的结论;并结合得出的结论,简单分析了目前室内干挂石材施工实践中,常见短槽式干挂做法存在的安全隐患及其原因。
文章最后总结性地提出了作者自己关于短槽式干挂石材板材最小厚度数值的观点。是对现行北京市地方标准的一种建议性补充,对于规范干挂石材施工行为,保障人民生命财产安全具有重要意义。
关键词 室内 短槽式 干挂 厚度 最小值
0 引 言
天然石材作为高档建筑装饰材料,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;据不完全统计,国内年均石材装饰板材用于墙面装饰的约2500万平方米左右,已经成为石材装饰板材的使用大国。以石材干挂为代表的天然石材装饰施工工艺的应用也是越来越广泛。
干挂石材工艺是利用连接件,将饰面石材安装在建筑物表面的一种新型施工工艺,按其作用不同大致分为石材幕墙和石材装饰墙两大类。石材干挂工艺可以不受施工环境控制,和其他施工方法相比较,它明显地减少了湿作业,克服了水泥砂浆粘结剂对石材渗透的弊病,能提高施工效率,又具有装饰效果好的特点。但干挂石材一个重要的弱点便是石材自重大,过度地消耗着自然资源,增加了建筑荷载负担。如果因石材本身材质、安装工艺的原因发生石材脱落现象,后果不堪设想。
在建筑行业对于施工安全越来越重视的今天,干挂石材如何控制才能具备足够的安全可靠性,是技术人员必须考虑的重要工作之一。
1 问题的提出
正是基于干挂石材安全性的考虑,规范上对于干挂工艺中石材的厚度有最小值的限制,比如,《金属与石材幕墙工程技术规范》(JGJ133-2001)(以下简称《规范》)明确规定:“用于石材幕墙的石材,厚度不应小于25mm”
[㈠]。但这是对于石材幕墙的基本规定,对于施工应用更为广泛的干挂石材墙面的石材厚度,目前国标和行标中并没有规定。室内干挂石材同样存在一个安全性的问题,需要在石材厚度方面做出规定。
在北方地区广为使用的88J1-1《工程做法》(华北地区建筑设计标准化办公室、西北地区建筑标准设计协作办公室审定,2001年)中没有关于室内干挂工艺的具体做法。倒是《建筑安装分项工程施工工艺规程》(编号:DBJ/T01-26-2003,北京市地方标准)(以下简称《规程》) 中有关于干挂石材墙面的石材厚度具体的规定,“石材厚度不得小于25mm”
[㈡],很显然,该地方标准采用了与行业标准同样的指标,目的同样是保证干挂石材施工的安全性。
笔者认为,该地方标准对于干挂石材最小厚度的规定对于室外墙面是适宜的,对于室内墙面而言,此规定偏于保守,过度地限制了对于石材的选用;石材幕墙和室内干挂石材墙面最小厚度的规定理应区别对待,这是由幕墙和室内干挂石材墙面的区别所决定的:
首先,其使用环境不同,建筑石材幕墙的使用为室外环境。石材除了承受自重、地震力、还要承受风荷载、温度变化的的影响;风力和温度变化的影响与自重、地震作用相比,其荷载效应也很大。而室内干挂石材墙面,只承受自重、地震力的作用,可以不考虑风力和温度变化的影响。
其次,建筑石材幕墙和干挂石材外墙面安装高度一般较高,面向公共场合,一旦出现石材破损、脱落等现象,造成的危害要比室内石材大的多,因而安全度上应该有更高的要求。
第三、干挂石材一旦破损,脱落,修复的难易程度明显不同,室外石材和室内石材相比,修复起来更加困难。
目前北京乃至全国的装饰行业一个不可否认的现象是,市面上可购的石材是越来越薄,尤其是一些造价高的石材,从最开始的20mm左右,到现在的最薄的可以达到15~16mm,越来越多地被应用在干挂工程中。事实上北京市地方标准中关于石材最小厚度的规定并没有被广大的建筑从业主体单位遵守,大多数是采取模棱两可的态度。笔者认为,这种现象的存在有两个方面的危害:首先是不利于维护我国建筑标准和规范的严肃性。如果标准和规范的规定没有被很好地贯彻执行,则失去了规范和指导施工的意义;其次是各建筑主体在室内干挂石材施工管理的随意性,很可能突破干挂石材厚度的“底线”,一旦突破,便是安全隐患。正所谓“不以规矩,难成方圆”。
所以,对于室内墙面干挂石材,应该有更为合理的厚度最小值的规定。
室内干挂石材板材厚度最小值的研究,对于减轻建筑荷载重量、降低施工劳动强度、节约自然资源,保护施工安全有特殊意义,本质上是在寻求干挂石材安全、经济、技术的最佳结合点。
这个最小值应该是多少呢?本文拟通过对室内干挂石材进行分析、研究,以提出更为合理的最小厚度限值。
2 石材板材最小厚度值研究范围的界定
目前石材干挂工艺方法主要有钢销式干挂法、短槽式干挂法、通槽式干挂法、背栓式干挂法和小单元式干挂法。最为常见的工艺方法是钢销式干挂法和短槽式干挂法。由于钢销式干挂石材为薄弱连接,钢销截面面积很小,另一方面钢销将荷载集中传递到孔洞边缘的石材上,受力很不利,这种连接方式已经逐渐被市场淘汰,因此选取市场份额大、更具有代表性的上下两边连接的短槽式干挂方式进行分析,以确定石材最小厚度。
其他干挂方式的研究,不属于本次研究的范畴,这里不予讨论。
3 石材板材厚度的决定因素
短槽式室内干挂石材最小厚度,作为石材安全方面规定的最低要求,是由三个方面决定的:
3.1、石材的强度要求:在各种荷载作用下,石材不发生弯曲和剪切破坏,并且有一定的安全度。
3.2、石材在使用过程中,应该具备一定抵抗外力冲击的能力。比如,干挂石材在投入使用过程中,在小推车等外力的磕碰作用下,不发生挂件连接处的局部剪切破坏。
3.3、石材的最小厚度,应该满足石材加工中侧边开槽的要求,侧边便于开槽又不发生崩裂。
板材厚度的研究正是从这三个方面展开的。
4 石材极限受力状态下厚度最小值的分析
从石材受力状态着手,参考《规范》第5.5款石材设计中的计算公式、计算简图等进行分析计算。在计算过程中,应该遵守《规范》中关于荷载效应组合有关规定,保证计算依据的可靠性。
参考《规范》中短槽式干挂法的计算简图如右:
4.1 石材受力分析基本假定
4.1.1、石材材质本身在平面内是均匀的,各向同性。干挂件材质为不锈钢。干挂件与石材短槽内填充干挂石材胶,石材胶材质均匀、密实、各向同性。
4.1.2、研究对象处在室内环境,因此,石材仅承受地震力和本身自重两种外力。北京地震作用设防烈度按照8度抗震考虑。
4.1.3、石材上所开短槽为弧形,短槽宽度7mm,弧形槽有效长度为80mm
[㈢]。
4.2 水平方向受力计算。
在水平方向地震力作用下的计算简图如右:
――――1
―垂直于石材板面分布水平地震作用标准值
G ―石材重量
A ―石材板面面积,A=a×b
αmax―水平地震影响系数最大值,8度抗震设计时可取0.16
βE―地震力动力放大系数,可取5.0。
4.2.1 水平地震力作用下的弯曲应力分析
按照《规范》,四点支撑板的最大弯曲应力值按照下列公司计算:
[㈣] ――――2
―地震作用在板中产生的最大弯曲应力标准值。
―四点支撑板的计算长边边长。
―石板的厚度。
m ―四点支撑板在均布荷载作用下的最大弯矩系数。按《规范》附录B表B.0.2采用,见附录。
将①式代入2中,得:
简化上式得:
石板水平方向由各种荷载和作用产生的最大弯曲应力设计值不应超过石板的抗弯强度设计值。这正应力应该满足如下条件:
[㈤]
即:1.3*
简化得: ――――3
4.2.2 水平地震力作用下石材剪应力分析
在垂直于板面方向地震作用下,不锈钢挂件挂钩在槽口边产生的剪应力标准值按下式计算:
[㈥] ――――4
qEK――垂直于板面方向地震作用标准值(MPa)
c――槽口宽度,c=7mm
s――单个槽底总长度,弧形槽s=80mm
β――应力调整系数,β=1.25
n―― 一个连接边上的数量,n=2
t―― 石材厚度
将①式代入4式中得,
ρ石――石材密度,取28KN/m3(参考行业标准5.21条)
槽口处石板的剪应力设计值 应符合下式规定:
(1.3为荷载效应组合分项系数) ――――5
f ―抗剪强度设计值(MPa)
[㈦] ――――6
――石材弯曲强度平均值(MPa)
根据《规范》,“弯曲强度试验中任一试件的弯曲强度试验值低于8 Mpa时,该批花岗石板不得用于幕墙”,因此6式中 取8 Mpa进行计算,
由5、6式可知
――――7
简化7式可得,
――――8
4.2.3 垂直作用力下的计算
石材在垂直方向上,主要承受竖向地震力和自身重力的作用,在竖向力的作用下,石材应不出现剪切破坏现象。其受力计算见图如右。
近似地认为剪切破坏发生在45度方向上,将竖向力沿45度方向进行分解,则应该满足如下条件:
――9
、 ―荷载分项系数。
―分项效应组合系数。
―垂直方向地震力作用, =
[㈧]
一个连接边上的挂件数量。
将有关数据代入9得:
简化得: ――――10
4.2.4 板材厚度最小值的分析
3、8、10式分别是水平地震力作用下,石材板的弯曲应力、剪应力和垂直受力状态下石材板材最小厚度限值的条件公式。其中,a,b分别为板材的宽度和高度。
《规范》第4.1.3条要求,“石材幕墙中的单块石材板面面积不宜大于1.5m2”此规定的提出,在《规范》的条文说明中是这样解释的“因石材是天然石材,对于内伤或微小的裂纹有时很难看清,在使用时会埋下安全隐患,如果只注意强度计算,没有考虑到天然石材材料的不可预见性,单板块越大出现问题的概率越高,因此提出了1.5m2的要求”。
[㈨]
可见,《规范》中对板块面积最大值的规定是与强度计算没有关系的,是从石材天然缺陷的角度出发作出的规定;对于室内干挂石材板材,同样存在难以测量的石材缺陷问题。因此,规范中1.5m2 的面积规定同样适用于短槽干管石材的研究。
将 =1.5分别代入8式中求得t 0.0099m=9.9mm。
将 =1.5分别代入10式中求得t 0.0142m=14.2mm。
由于计算模型采用的四点支撑方案,所以,a,b的数值是有一个范围的。它的基本取值应该与前面的计算依据相一致,并且符合规范的有关规定。应该满足如下不等式:
――11
――12
由上式可以推导出 的取值范围: 米
由3式: =0.047*0.1303*3=0.0184米=18.4mm。
由以上分析可知,石材强度方面对厚度的最小要求是18.4mm。
5 石材抗冲击性能对板材厚度的要求
石材干挂是装饰对象实现的手段,装饰产品是为投入使用服务的。因此,干挂石材在使用过程中,也应该在遭受一般的冲击力时,不出现破坏。要研究干挂石材板材厚度限值,也应该验算意外冲击力作用下,石材是否能够满足强度的要求。
由于冲击力的大小取值并没有具体的规定,这里参照《建筑结构荷载设计手册》(陈基发、沙志国编,中国建筑工业出版社)第56页中关于施工、检修荷载和栏杆水平荷载的规定,可以考虑干挂石材应满足100公斤的冲击力,并考虑动力作用的影响,动力系数取1.2,这与实际情况是基本相符的。
[㈩]
在垂直于板面的100KG冲击力作用下,按作用于石材最不利位置考虑,冲击力由2个挂件点的石材承担,石材剪应力应满足如下条件:
( ―动力系数)
即:
简化上式得:
即:石材厚度大于11.03时,是能满足抗冲击力要求的。
6 石材加工过程中对板材厚度的要求
短槽式干挂石材加工一个重要的工序便是石材侧边开槽。《规范》对开槽的宽度和深度都作了规定:石板开槽宽度宜为6mm或7mm,这实际是要求确保开槽处的石板净厚度能有一定保证,避免在干挂受力点处石材体被过度削弱。在不少工程施工中,工人往往为了方便安装调平,将槽口开的较宽,这种不利于建筑长期安全的做法,必须得到纠正。
石材的最小厚度,除了保证开槽宽度外,石材净厚度应该尽可能小,又不能出现由于石材被过度消弱而产生崩裂损坏的现象。
经验表明,石材槽口一边的净厚度大于5mm时,是能够避免槽口出现崩裂损坏现象的出现的。考虑到槽口中心线与石材厚度中心线的允许偏差(按1mm考虑),则开槽对石材厚度的要求为2*(7/2+1+5)为19mm。见右图:
7 板材最小厚度值的调整
以上分别从干挂石材的受力状态、石材的使用抗冲击验算、石材开槽加工过程三个方面对石材的最小厚度要求进行了论述。就石材应力分析计算的结果,可以看出:对石材板材最小厚度起控制作用的是垂直于板面的水平地震力的荷载效应组合。如果石材厚度能够满足t>18.4mm的要求,理论上室内墙面干挂石材的施工是能够满足强度安全和使用安全的要求的。
前述的基本假定是上述计算结果合理的前提。事实上,天然石材在加工时,表面都或多或少地存在不平、背面切割纹路明显、细微裂缝、薄厚不均等缺陷。同时,也为便于实际控制,应确定一个合理的整数,并且这个整数应该满足使用状态和石材加工过程中对板材厚度的要求。
综上所述,笔者认为,将室内干挂石材板材最小厚度限制确定为19mm是合理且易于实施的,能同时满足石材强度、抗冲击性能和石材加工三个方面的要求。
8 常见短槽式干挂石材工艺安全隐患解析
现在可以解释为什么目前装饰市场上干挂石材的厚度是越来越薄,甚至有些工程石材薄到15mm,却依然没有出现安全事故的原因了。
从受力分析的计算结果中可以看出,控制石材最小厚度的是垂直于板面的地震力作用。如果地震力作用是一种非正常使用状态的话,那对于不发生地震力的正常时间段内,一般是能够满足石材在重力作用下的极限受力状态的要求。只是这种状态不能满足我国“大震不倒、中震不坏、小震可修”的抗震设防原则。地震现象的发生具有不确定性,但确实存在,不考虑地震力的作用因素而去确定石材厚度,对于小于19mm的石材,必然存在安全隐患。
实际施工中,通常认为厚度小于18mm 的石材为薄石材。对于薄石材的干挂,由于不便于进行短槽的开槽,一些施工单位通常采用如下两种补救做法:
1、石材干挂件处粘接加强石材,局部加强石材的厚度,然后再开槽,再按照常规方法施工,如下图干挂节点1。
2、直接用石材专用胶粘接挂件,如上图干挂节点2。
以上两种干挂做法尽管解决或避开了薄石材开槽的难题,但是石材的厚度不能满足石材的抗震要求,存在着一定的安全隐患;另外,这种做法对于石材胶的耐久性有很强的依赖性,一旦石材胶实效或耐久性不能满足要求,就会发生石材脱落的严重后果,在工程上是不应该采用的。
因此,在石材板的厚度选择问题上,还是采用19mm以上的石材更能保证其安全性。
9 结论与建议
通过以上分析,笔者认为,室内短槽式干挂石材板材最小厚度值应该有如下方面的明确规定:
* 室内短槽式干挂石材板材厚度不应小于19mm。
* 石材在弯曲强度试验中任一试件的弯曲强度试验值低于8MPa时,不得用于室内干挂。
* 加工短槽时,槽口中心线与石材中心线的允许偏差为1mm。
* 用于室内干挂的石材单块面积不宜大于1.5m2。
将室内短槽式干挂石材的最小厚度由《规程》中规定的不小于25mm,调整为不小于19mm,即放宽了干挂石材板材的选择范围,又通过石材厚度的限制保证了施工的安全可靠性,更符合施工实际,具有重要的现实意义。
附录
四点支承矩形石板弯矩系数( )
计算边长比
0.50
0.0180
0.1221
0.0608
0.1303
0.55
0.0236
0.1212
0.0682
0.1320
0.60
0.0301
0.1202
0.0759
0.1338
0.65
0.0373
0.1189
0.0841
0.1360
0.70
0.0453
0.1177
0.0928
0.1383
0.75
0.0540
0.1163
0.1020
0.1408
0.80
0.0634
0.1149
0.1117
0.1435
0.85
0.0735
0.1133
0.1220
0.1463
0.90
0.0845
0.1117
0.1327
0.1494
0.95
0.0961
0.1100
0.1440
0.1526
1.00
0.1083
0.1083
0.1559
0.1559
注:摘自《金属与石材幕墙工程技术规范》
(编号:JGJ133-2001)第57页表B.0.2。
参考文献
1、《金属与石材幕墙工程技术规程》 (JGJ133-2001)中华人民共和国行业标准。
2、《建筑安装分项工程施工工艺规程》(编号:DBJ/T01-26-2003) 北京市地方标准。
3、《88J1-1工程做法》(建筑构造通用图集第二版),华北地区建筑标准化办公室、西北地区建筑标准设计协作办公室 审定2001年)
4、《建筑结构荷载设计手册》 陈基发、沙志国编 中国建筑工业出版社
展开阅读全文