張乃錨

(福建萬合建設股份有限公司，福建 泉州 362000)

1 保溫復合板的分類及技術要求

1.1 保溫復合板的分類及要求

按復合板所采用保溫材料的屬性，復合板可分為無機復合板和有機復合板；按復合板是否具有裝飾層，可分為無飾面復合板和有飾面復合板；按單位面積的質(zhì)量大小，可分為Ⅰ型復合板和Ⅱ型復合板，Ⅰ型復合板單位面積質(zhì)量應<20 kg/m2，Ⅱ型復合板單位面積質(zhì)量應為20～30 kg/m2。

其中，有機復合板采用的保溫材料的燃燒性能等級不應低于B1級。采用巖棉應符合現(xiàn)行國家標準《建筑外墻外保溫用巖棉制品》(GB/T 25975—2010)中的有關規(guī)定。當用于復合板薄抹灰保溫系統(tǒng)、有飾面復合板保溫系統(tǒng)時，垂直于面板方向的抗拉強度應≥0.10 MPa。薄石材板應符合現(xiàn)行國家行業(yè)標準《天然花崗石建筑板材》(GB/T 18601—2009)或《天然大理石建筑板材》(GB/T 19766—2016)中的有關規(guī)定。

1.2 石材保溫復合板的應用

由于石材為天然形成的材料，具有很多裝飾的優(yōu)點，也存在著一些缺陷。采用復合的方式使之與其他材料復合成一個整體，很大程度上克服了其中的不足，還能共同發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢，對自然材料的利用率以及工程成本的節(jié)約有著重大的意義。石材與巖棉復合，形成一種保溫與裝飾并存的新型材料，是一種值得推廣使用的復合材料。

2 石材巖棉復合一體板存在的問題

根據(jù)《保溫防火復合板應用技術規(guī)程》(JGJ/T 350—2015)中的規(guī)定，石材巖棉復合板應屬于有裝飾面板的復合板，基層墻體的連接應采用粘錨結合的固定方式，并以粘貼為主，石材裝飾面板的厚度宜≤10 mm。

本文以天津地區(qū)某外墻裝飾工程項目為例，對石材巖棉復合一體板在建筑外墻裝飾中的應用進行討論。

按《保溫防火復合板應用技術規(guī)程》(JCT/T 350—2015)及《天津市保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)技術規(guī)程》(DB/T29-240—2016)中的規(guī)定分類，石材巖棉復合板屬于有飾面復合板。根據(jù)天津地區(qū)的節(jié)能設計要求、地方標準以及節(jié)能設計的規(guī)定，所采用的保溫巖棉應100 mm厚、容重≥140 kg/m3；根據(jù)設計要求，裝飾面板選用12 mm厚的花崗石板材。本項目所選定的石材巖棉復合板的單位面積質(zhì)量為：

石材單位面積質(zhì)量：2800 kg/m3×0.012 m=33.6 kg/m2；

巖棉單位面積質(zhì)量：140 kg/m3×0.10 m=14 kg/m2；

合計為47.6 kg/m2，超出了Ⅱ型復合板的定義范圍(單位面積質(zhì)量應為20～30 kg/m2)。

由此，本工程所采用的石材巖棉保溫復合板存在兩個問題：石材厚度根據(jù)計算采用12 mm厚，超過了規(guī)范建議要求；復合板單位面積重量超出規(guī)范的定議范圍。

復合板單位面積質(zhì)量過大，主要會影響復合板與基層墻體之間的連結能力和單點錨固的承載力。在建筑荷載組合的作用下，垂直于面板的水面拉力以及平行于面板的豎向剪力勻會加大，從而影響工程的可靠性。為此，可以考慮在復合板與基層墻體之間的粘結力不變的情況下，從石材裝飾面板入手，適當增大石材面板與基層墻體之間的錨固連接強度，以增強復合板與基層墻體之間的連結能力，保證工程的安全性，達到可靠性的要求。

3 石材巖棉復合一體板的設計

復合板外墻保溫系統(tǒng)的設計，在重力荷載、風荷載、地震作用、溫度作用和主體結構正常變形影響下，應具有安全性，并符合現(xiàn)行國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)和《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)中的有關規(guī)定。擬選用的兩種設計方案見圖1。

圖1 方案①

圖2 方案②

目前市場上主要采用方案②設計安裝，此方案采用2 mm厚鋁合金卡片+2 mm厚鋁合金連接角碼，通過塑料脹管與主體連接安裝。本方案主要考慮粘結安裝，錨固連接可加強復合板之間的粘結力，未考慮復合板與結構墻體間的豎向剪切作用的影響，可能造成一體板下墜的不利情況。

本項目設計要求保溫層厚度較大，面層石材重量也較大，在重力及地震作用下，將加大一體板與主體結構之間的豎向剪切作用，可能造成一體板下墜，影響一體板系統(tǒng)的整體可靠性。因此，本設計選擇方案①設計安裝，采用M6不銹鋼背栓、4 mm厚連接片+4 mm厚安裝掛件+角碼，通過機械錨栓與主體連接安裝。本方案主要考慮一體板與主體粘結外，水平方向錨固連接件也起到了加強的作用；豎向由錨固掛件承受豎向承載力的作用，抵消一體板與主體結構之間的豎向剪切，防止下墜。

本文以方案①設計進行討論。

3.1 飾面石材板的選擇

首先，外飾面石材應滿足建筑設計的要求，然后根據(jù)相關標準規(guī)范進行設計驗算，最后確定選材的大小、規(guī)格。設計文件里對材料的選擇應有明確的技術說明，技術參數(shù)應滿足設計和技術規(guī)范要求。

按最不利情況進行設計分析的思想，取本項目最大分格為1 120 mm×620 mm×12mm，上下兩邊分別為3個錨固連接點，背栓孔為Φ7 mm×6 mm。按照《金屬與石材幕墻工程技術規(guī)范》(JGJ133—2001)中關于石板設計的規(guī)定，分別對飾面石材的抗彎強度、抗剪強度進行驗算。

經(jīng)抗彎強度驗算，σ=3.835 MPa≤f=5.2 MPa，選用面板的抗彎強度能滿足要求；經(jīng)抗剪強度驗算，τ=2.48 MPa≤τsc=2.6 MPa，背栓在面板槽口中剪應力能滿足要求[1]。

根據(jù)計算結果，本項目應選用12 mm厚的花崗石板材，石材的彎曲強度平均值不應低于11.2 MPa，石材的彎曲強度平均值應由檢測單位檢測試驗確定。

結果表明，飾面石材的選擇只要滿足彎曲強度平均值不小于11.2 MPa的花崗石板材即可滿足本工程的需要。因此，業(yè)主或設計單位除了選擇石材顏色花紋的同時，需要注意石材的彎曲強度的選擇。

3.2 石材與保溫巖棉復合粘結

根據(jù)《保溫防火復合板應用技術規(guī)程》(JCT/T 350—2015)中的要求，Ⅱ型復合板面層與保溫材料拉伸粘結強度應≥0.15 MPa[2]。

根據(jù)《建筑外墻外保溫用巖棉制品》(GB/T 25975—2010)中的要求，巖棉板最高抗拉強度要求為15 kPa(TR15)，最低抗拉強度要求為7.5 kPa(TR7.5)。

根據(jù)荷載規(guī)范，本工程的面板水平荷載集度設計組合值：q=0.002215 MPa<0.15 MPa。

根據(jù)規(guī)范要求，本工程裝飾面板承受的水平荷載集度值在面層與保溫材料粘結強度最低要求的取值范圍內(nèi)，滿足要求；同時，本工程裝飾面板承受的水平荷載集度值<巖棉制品最低抗拉強度的要求，巖棉制品滿足本工程設計的要求。

由此結果可知，業(yè)主或施工單位在采購石材巖棉復合一體板時，應據(jù)此控制好巖棉制品的抗拉強度和石板與巖棉間的粘結強度即可。

3.3 石材連接件鋼片及連接背栓的強度設計

巖棉與飾面石材采用聚氨酯膠進行粘結組合。聚氨酯膠屬于化學制劑，在不同的使用環(huán)境、施工條件下，均可能會影響有效粘結時間，這使復合板這樣新型的建筑材料存在一種不利因素。同時，復合一體板與結構基層間的粘結施工也會因各種原因而存在諸多不利因素，例如現(xiàn)場施工、使用情況等，使之與主體結構產(chǎn)生脫離的現(xiàn)象。按最不利情況進行設計分析的思想，應考慮復合板內(nèi)部的粘結、復合板與主體結構基層間的粘結發(fā)生脫離時，該如何保證該裝飾面板的安全性、可靠性。因此，有必要對裝飾面板的機械錨固連接系統(tǒng)進行設計分析，以確保在復合板實際正常使用過程中錨固連接與膠粘劑的粘結能夠相互加強，使該建筑裝飾保溫復合板的安全得到保證。

1)連接背栓抗剪強度驗算。石材錨固連接選用M6不銹鋼背栓，通過對飾面石材板連接背栓強度進行驗算，可知：

單個背栓所受的剪力計算值：V= 107.163N。

背栓承受豎向剪應力：Fv=V/A=107.163/(3.142×62/4)=3.790 MPa≤100 MPa。

其中，A為每個角碼的斷面面積，mm2，A=Lt。

背栓抗剪強度能滿足。

2)裝飾面板連接鋼片強度驗算。石材連接件選用4 mm厚度的S304不銹鋼板材，通過對飾面石材板連接背栓強度進行驗算，可知：

復合板掛件連接處產(chǎn)生的側向拉力值：N=qabβ/4=327.059 N，經(jīng)過有限元分析，可得不銹連接件受力變形、內(nèi)應力值。在荷載作用下產(chǎn)生最大撓度值Umax=0.064 mm<25/250=0.10 mm，復合板連接件彎形撓度滿足要求；在荷載作用下產(chǎn)生最大內(nèi)應力σ=110.606 MPa<180 MPa，板連接鋼片強度滿足要求。

3)背栓抗拉強度驗算。石材錨固連接選用M6不銹鋼背栓，通過有限元分析，可得不銹鋼連接件節(jié)點反力，即不背栓承受軸向力拉值N=654.12 N。

由此可計算背栓承受軸向拉應力：

FL=N/A=654.12/(3.142×62/4)=23.135 MPa≤180 MPa，背栓抗拉強度能滿足。

4)復合石材板與背栓之間的錨固力。在本工程的荷載條件下，背栓承受軸向拉力值N=654.12 N；石材錨固連接選用M6不銹鋼背栓，背栓錨固深度8 mm。通過背栓與石材錨固連接拉拔試驗可得知，背栓拉力試驗值可達到2.933 kN。

N=654.12N=0.654 kN<2.933 kN，復合石材板與背栓之間的錨固力能滿足要求。

3.4 石材復合板安裝連接掛件的強度及撓度要求

板塊通過掛件將荷載傳遞到連接角碼上，可以近似地把掛件簡化為帶懸臂構件。

1)掛件的強度校核。

設計中干掛件選用：80 mm×40 mm×4 mm不銹鋼掛件，對掛件的強度進行校核。

每個掛件所承受的水平集中荷載設計值：N=327.059 N

每個掛件的斷面面積：A=160 mm2

掛件最大彎矩設計值：Mgj=3611.79 N·mm

每個掛件的抗彎距：Wgj=40×42/6=106.667 mm3

掛件的抗彎強度計算值：

σ3=N/A+Mgj/Wgj=327.059/160+3611.79/106.667=35.905 MPa≤fgj=180 MPa

式中，fgj為掛件的抗彎強度設計值，MPa，本處掛件材質(zhì)為304不銹鋼，fgj=180 MPa。

掛件的抗彎強度能滿足設計要求。

2)掛件的撓度校核。根據(jù)幕墻規(guī)范要求，其相對撓度應≤2/250(鋼材)，且絕對撓度應≤1 mm。

通過對掛件的撓度校核可知，每個掛件的慣性距：Igj=40×43/12=213.333 mm4。

掛件懸臂端最大撓度計算值：df=0.044 mm≤df,lim=0.28 mm。

掛件的撓度能滿足設計要求。

3.5 石材復合板安裝連接支座角碼

設計中安裝連接支承角碼選用Q235結構用鋼，L70×45×5 mm不等肢型鋼角碼。

抗彎強度校核依據(jù)：

σ=N/A+6Ge/n2Lt2≤f=215MPa

式中，G為每個板塊的自重荷載設計值，N，G=1.35Gk；e為面板剖面中線到角碼面的距離，mm；n2為承受垂直荷載的角碼數(shù)量；L為支承角碼的長度，mm；t為支承角碼的厚度，mm；f為選用角碼材料的抗彎強度設計值，MPa。

抗剪強度校核依據(jù)：τ=G/n2Lt≤fv=125MPa

1)通過對連接角碼的強度校核，可知：

角碼的抗彎強度計算值：

σ=N/A+6Ge/n2Lt2=qab/(n1Lt)+6Ge/n2Lt2

=0.002215×630×750/(4×100×5)+6×1.35×158.76×100/(2×100×52)=26.242MPa≤f=215MPa

支承角碼的抗彎強度能滿足要求。

2)通過對連接角碼的撓度校核，可知：

角碼的抗剪強度計算值：τ=G/n2Lt=1.35×158.76/(2×100×5)=0.214MPa≤fv=125MPa

支承角碼的抗剪強度能滿足要求。

綜上所述，本設計在粘結性能不參于工作的情況下，機械錨固連接系統(tǒng)各項性能均可以滿足要求。石材巖棉保溫一體板在實際正常使用過程中，M6背栓錨固性能與膠粘劑的粘結性能可以起到相互加強的作用，該建筑裝飾保溫復合板的安全性、可靠性可以得到保證。

4 結束語

由于新型的材料所采用的石材厚度比傳統(tǒng)的裝飾石材厚度小很多，對材料的節(jié)省可以達到50%以上。采用新型的復合材料進行設計、安裝，幕墻結構系統(tǒng)能減少鋼材的用量。由于從石材材料節(jié)省致使鋼材用量的減少，從根本上降低了石材幕墻工程造價，這對國家資原開采的控制及環(huán)境保護有重要的意義。