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        幕墻石材背面鉆孔掛裝強度測試技術(shù)研究與應用

        2019-10-15 03:33:24段瑞斌李依妮黃得楊張海輝
        廣東土木與建筑 2019年9期

        段瑞斌,李依妮,黃得楊,張海輝

        (廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州510500)

        0 引言

        近年來,隨著建筑工程技術(shù)特別是幕墻技術(shù)的發(fā)展,石材掛裝工藝在許多工程中都得到了廣泛應用[1,2]。由于掛裝工藝多用在室外工程,環(huán)境多變,且板材與金屬材料的連接其實是一種硬性的脆性連接,一旦石材與掛件連接失效,會造成石材掉落,存在相當大的安全隱患[3]??梢哉f,掛裝強度是石材掛裝工藝成敗的關(guān)鍵,其試驗檢測逐漸受到重視,成為了一項重要的力學性能指標。錨栓等安裝組件起到了荷載傳遞的作用[4],其材質(zhì)、安裝質(zhì)量與石材本身的材質(zhì)性能,均對掛裝強度有重要的影響[5,6]。研發(fā)掛裝強度試驗裝置,開展掛裝強度試驗檢測,有利于加強幕墻施工質(zhì)量控制管理,提高工程質(zhì)量,保證人民的財產(chǎn)和生命安全[7]。

        目前,掛裝強度主要按照《天然飾面石材試驗方法第7 部分:檢測板材掛件組合單元掛裝強度試驗方法:GB/T 9966.7-2001》[8]中檢測技術(shù)的要求進行,由于標準中只有簡單的試驗原理示意圖,無具體的試驗裝置說明,在現(xiàn)有技術(shù)中,并無專門的掛裝強度試驗儀器。另外,掛裝產(chǎn)品的種類繁多,規(guī)格不一,也給試驗檢測帶來一定的困難。鑒于上述原因,研究掛裝強度測試技術(shù)與裝置,對于客觀、真實地反映幕墻石材掛裝質(zhì)量狀況具有重要的現(xiàn)實意義。

        1 總體思路

        1.1 標準中的要求

        文獻[8]中要求試樣上的槽或孔按實際使用要求加工,不得有裂紋、缺棱和掉角,每組5 塊。掛件:工程實際使用的掛件,按工程實際使用要求將石材與掛件組成試樣單元。試樣單元上不得有裂紋、缺棱等影響強度的缺陷。

        試驗步驟如下:將試樣放在20℃±2℃的蒸餾水中,浸泡48 h 后取出,用擰干的濕毛巾將試樣表面水分擦去。在平臺上安裝試樣并在夾具與試樣之間墊放膠墊。根據(jù)工程要求的加載方向?qū)υ嚇舆B續(xù)平穩(wěn)地施加載荷,加載速率應保證從試樣受力至試樣破壞的時間約2 mim 或按照設(shè)計要求的速率加載,如圖1 所示。

        圖1 背面鉆孔試驗示意圖Fig.1 Diagram of Back Drilling Test

        記錄掛裝樣品的破壞荷載與破壞位置、破壞形態(tài)等,試樣掛裝強度為試樣破壞時的最大載荷,以牛頓(N)為單位表示。

        1.2 研究設(shè)計思路

        文獻[8]中只有簡單的試驗原理示意圖,無具體的試驗裝置說明。研發(fā)過程中在遵守標準規(guī)定的前提下,要注意體現(xiàn)操作便利,另外,由于掛裝產(chǎn)品的種類繁多,規(guī)格不一,所研發(fā)的試驗裝置需滿足大多數(shù)掛裝工藝試驗要求,且操作簡單、方便快捷。

        掛裝方式主要有2 種,背面鉆孔(拉拔)、背面鉆孔(剪切),其掛裝方式不同,原理也不同[9],需要的試驗裝置各異,需解決的問題亦不相同。除了考慮樣品的規(guī)格各異帶來的定位、限位困難;更有背面鉆孔(拉拔)試件錨栓規(guī)格,力值傳遞、轉(zhuǎn)接;背面鉆孔(剪切)由于示意圖中顯示是水平加載,如何使樣品就位,如何選擇加載設(shè)備,亦是研發(fā)中的難點。

        2 背面鉆孔試件(拉拔)試驗裝置的研發(fā)與應用

        2.1 試驗裝置的構(gòu)造

        試驗裝置主要包括上夾持組件和下夾持組件,上夾持組件包括掛接頭、轉(zhuǎn)接套筒和上連接柱。下夾持組件包括底座、一對長條形的夾板、下連接柱和定位部件。底座上表面的兩側(cè)開有滑槽,滑槽的槽口上方設(shè)有夾板,夾板上開有長條形的調(diào)節(jié)孔。定位部件的下端與滑槽滑動配合,定位部件向上穿過夾板的調(diào)節(jié)孔沿調(diào)節(jié)孔移動并固定,以使夾板壓緊在試驗樣品上,從而將試驗樣品夾持在底座上。下連接柱的上端固定在底座的下表面上,下端用于固定在萬能試驗機平臺上,如圖2、圖3 所示。

        圖2 上夾持組件Fig.2 Upper Clamping Parts

        圖3 下夾持組件及定位T 形螺栓Fig.3 Lower Clamping Parts and Locating T Bolt

        定位部件采用T 形螺栓、墊圈和螺母,所述調(diào)節(jié)孔在每個夾板上設(shè)置一對,每個調(diào)節(jié)孔中安裝一個定位部件,T 形螺栓主要由螺桿和設(shè)于其下端的滑塊組成,滑塊與滑槽相適應并在滑槽中移動,螺桿向上穿過調(diào)節(jié)孔后安裝墊圈,再由螺母緊固而將夾板壓緊在試驗樣品上。

        可適用寬度100~400 mm,長度250 mm 以上的,厚度150 mm 以下的樣品試驗要求。底座中設(shè)計有滑槽,四個T 形螺栓可沿滑槽自由移動,同時夾板可上下移動,滿足不同規(guī)格及要求的材料試驗需要。用于連接安裝組件的內(nèi)螺紋孔道,可根據(jù)具體情況改變直徑,適用的安裝組件(包括錨栓、螺母和墊片)規(guī)格廣泛,掛接頭如圖4 所示。

        圖4 不同規(guī)格的掛接頭Fig.4 Various Diameter Hanging Part

        2.2 測試與應用

        主要試驗步驟

        ⑴將下夾持組件的底座通過下連接柱安裝在萬能試驗機平臺上,用銷子固定。

        ⑵在底座上墊放膠墊,然后將試驗樣品安放在底座的上表面中央,以橫向中刻線、縱向中刻線軸對稱,同時縱向中刻線與標尺上的零點刻度對應。以保證試驗樣品的安裝組件在底座的中心位置。

        ⑶安裝4個T 形螺栓,將其沿滑槽輕輕滑動,接觸樣品,但不緊密接觸。輕輕安裝夾板,每條滑槽上的2個T 形螺栓,分別對稱分布在夾板的調(diào)節(jié)孔中。然后安裝墊圈,最后擰緊螺母,將試驗樣品固定在下夾持組件上。

        ⑷選擇與組合安裝組件規(guī)格相符的掛接頭,放入轉(zhuǎn)接套筒內(nèi),然后與上連接柱組合在一起,成為上夾持組件;轉(zhuǎn)接套筒內(nèi)掛接頭與上連接柱留有一定高度的自由空間。將上夾持組件通過上連接柱安裝在萬能試驗機橫梁上,用銷子固定。

        ⑸調(diào)節(jié)萬能試驗機橫梁緩緩下移,同時用手輕輕扶持掛接頭,使掛接頭的上部接觸上連接柱的下端,至掛接頭距離樣品的安裝組件只有幾毫米時,停止下移萬能試驗機中橫梁。仔細將掛接頭通過內(nèi)螺紋孔道和安裝組件的錨栓擰緊,連接好。試驗樣品安裝完畢,如圖5 所示。

        ⑹在電腦上打開試驗軟件,編輯試驗加載方案;打開萬能試驗機電源,試驗軟件力值清零;開始加載,至安裝組件斷裂破壞,記錄數(shù)據(jù),計算掛裝強度。

        該試驗裝置適用材料種類范圍廣,不僅可使用在幕墻石材掛裝強度試驗中,亦可使用在混凝土、輕質(zhì)墻板、陶瓷、陶土板等材料的掛裝強度試驗中,如埋設(shè)的掛件不是錨栓,則只需要將上夾持組件更換為夾頭即可(見圖6)。尤其是能滿足超厚、異形等各種樣品規(guī)格的檢測要求(見圖7)。為客戶提供多樣化的檢測服務。設(shè)計有不同內(nèi)螺紋直徑的掛接頭,覆蓋了常用的安裝組件規(guī)格。

        圖5 石材背面鉆孔(拉拔)掛裝強度試驗Fig.5 Back Drilling(Drawing)Testing of Stone

        圖6 混凝土板掛裝強度試驗Fig.6 Anchorages Strength Testing of Concrete Plate

        圖7 超厚異形樣品掛裝強度試驗Fig.7 Anchorages Strength Testing of Special Shaped Extra-thick Sample

        3 背面鉆孔試件(剪切)試驗裝置的研發(fā)與應用

        3.1 試驗裝置的構(gòu)造

        裝置主要由上連接柱、試驗架、剪切接頭組成,如圖8、圖9 所示。剪切接頭孔徑有多種規(guī)格,滿足不同規(guī)格安裝組件試驗要求。

        3.2 測試與應用

        主要試驗步驟如下:

        圖8 背面鉆孔(剪切)試驗架Fig.8 Back Drilling(Shearing)Testing Frame

        圖9 剪切接頭Fig.9 Shearing Joint

        ⑴選擇與安裝組件規(guī)格相符的剪切接頭,將剪切接頭安裝在萬能試驗機平臺上,用銷子固定。

        ⑵將試驗架安裝在試驗架橫梁上,用銷子固定;樣品安裝在試驗架中,注意保持左右對稱。

        ⑶調(diào)節(jié)試驗機橫梁緩緩下移,同時用手輕輕扶持剪切接頭,至剪切接頭小孔距離樣品的安裝組件基本處于同一水平線時,停止下移試驗機橫梁。仔細將剪切接頭通過內(nèi)孔道和安裝組件的錨栓擰緊,連接好。試驗樣品安裝完畢(見圖10)。

        圖10 背面鉆孔(剪切)的掛裝強度試驗Fig.10 Back Drilling(Shearing) Anchorages Strength Testing

        ⑷在電腦上打開試驗軟件,編輯試驗加載方案;打開試驗機電源,試驗軟件力值清零;開始加載,至安裝組件斷裂破壞,記錄數(shù)據(jù),計算掛裝強度。

        一般試驗機只有豎向拉伸或壓縮的功能,沒有施加水平載荷的功能,如購買一臺橫向加載試驗機,將大幅度提高實驗室成本。該試驗裝置把抗剪試驗的橫向加載轉(zhuǎn)換為豎向加載,解決了此難題,具有較好的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。

        4 應用效果

        選用同批次的花崗石板材、M6的錨栓安裝組件,進行分析試驗。由于在石材、安裝組件相同的情況下,安裝工藝質(zhì)量對試驗結(jié)果影響較大[10],故采用同一人員、相同的安裝工藝制作試驗樣品,進行平行試驗。

        2 種掛裝方式各取10個試件進行試驗,樣品編號1#~10#為拉拔試件,11#~20#為剪切試件,試驗結(jié)果如表1 所示。

        表1 背面鉆孔試驗結(jié)果Tab.1 Testing Result of Back Drillin

        可知拉拔試驗結(jié)果,平均值5 506 N,最大值5 810 N,最小值5 290 N;最大值與平均值之差304 N,比例為5.5%,最小值對應比例為-3.9%。幅度很小,數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。

        剪切試驗結(jié)果,平均值7 406 N,最大值7 850 N,最小值6 970 N;最大值與平均值之差444 N,比例為6.0%,最小值對應比例為-5.9%。幅度很小,數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。

        掛裝(拉拔、剪切)試驗裝置結(jié)構(gòu)簡單,體積小,成本低,維護容易。操作簡單,功能多樣,適用材料種類范圍廣,提高了試驗檢測效率。該測試技術(shù)已成功應用于多個工程項目,效果良好。

        5 結(jié)語

        通過自主研發(fā)的方式,將標準中的簡單示意圖,轉(zhuǎn)化為實際使用的試驗裝置;背面鉆孔(拉拔)試驗裝置功能多樣,適用材料種類范圍廣,不僅可使用在幕墻石材掛裝強度試驗中,亦可使用在混凝土、輕質(zhì)墻板、陶瓷、陶土板等材料的掛裝強度試驗中,尤其能滿足超厚、異形等各種樣品規(guī)格的檢測要求。背面鉆孔(剪切)試驗裝置把抗剪試驗的橫向加載轉(zhuǎn)換為豎向加載,具有較好的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。

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