短槽式石材幕墙是石材幕墙中较为常见的一种，石材幕墙面板开槽后通过金属挂件固定连接，因其简便的施工得到了广泛应用，但是短槽连接节点处容易发生局部破坏，甚至出现高空坠落[1-2]．文献[3-5]对石材幕墙不同连接方式的节点强度进行了相关研究，其中文献[4]提出石材面板的破坏荷载只按石材的弯曲强度确定是不安全的，应该按弯剪复合应力确定．统计大量石材幕墙安全事故的原因和试验结果发现，由于连接节点处应力集中导致石材幕墙破坏的现象很多[6-9]．另外，石材幕墙面板的强度也会受到湿度和温度的影响[10-11]，导致石材面板断裂后碎块掉落，因此保证石材面板连接节点处的强度和破损后的完整性是预防安全事故的有效措施．短槽式石材幕墙的高空防坠和相关加固措施的研究目前未见相关报道．本研究对42块短槽式石材面板的整体性进行了破坏性试验，研究了面板节点加固和背面粘贴玻璃纤维布(GFRP)的方式对整体性的影响，可为石材幕墙的高空防坠和加固措施提供参考．1 试验概况1.1　试件设计面板均为600 mm×400 mm×25 mm的花岗岩．槽口连接处用设计的不锈钢金属件进行加固，面板开槽位置和GFRP粘贴方式如图1所示，具体设计参数见表1，表中的试件面板编号各符号含义分别为：DC为短槽式石材面板；N为节点用金属件进行加固；F为迎风面加载；B为背风加载；数字1，2和3分别表示石材面板背面采用GFRP十字粘贴、GFRP对角粘贴和GFRP纵向全贴的方式进行加固，GFRP的锚固长度均大于150 mm．10.13245/j.hust.210515.F001图1面板尺寸及加固方案(mm)10.13245/j.hust.210515.T001表1试件设计参数面板编号数量石材品种节点GFRP粘贴方式DC-0-F3黄金麻无加固无DC-N-F3黄金麻加固无DC-N-F-13黄金麻加固十字粘贴DC-N-F-23黄金麻加固对角粘贴DC-N-F-33黄金麻加固全贴DC-0-B3锈石无加固无DC-N-B3锈石加固无DC-N-B-13锈石加固十字粘贴DC-N-B-23锈石加固对角粘贴DC-N-B-33锈石加固全贴考虑实际工程中石材幕墙面板承受着不同风压作用，所有试验面板均进行了迎风和背风两个方向的加载．试验所用石材均为同一批次花岗岩，迎风面加载的花岗岩为黄金麻，背风面加载的花岗岩为锈石．1.2　材料性能及加载装置按照规范的测定方法，黄金麻花岗岩和锈石花岗岩的实测弯曲强度分别为8.75 MPa和8.23 MPa．GFRP布的实测厚度为0.167 mm，抗拉强度为1 444.40 MPa．试验采用100 kN压力试验机以0.5 mm/min的速度控制加载，加载装置如图2所示．10.13245/j.hust.210515.F002图2加载装置2 试验结果及分析2.1　试验现象及破坏形态2.1.1　迎风面加载对于未加固的标准石材幕墙面板，荷载作用下在挂件连接节点处出现局部破坏，伴随着轻微的断裂声，承载力瞬间下降，呈脆性破坏．对于加固节点的石材幕墙面板，破坏时槽口挂件连接节点处未产生破坏，而是在面板角部发生断裂．破坏时有明显的断裂声，承载力迅速下降，也呈脆性破坏．石材幕墙面板节点加固后背面采用GFRP十字粘贴，伴随着GFRP不断的撕裂声产生纵向裂纹，继续加载，随后出现第二条贯通裂缝．随着裂缝的增大，GFRP从石材表面开始剥落，承载力虽然还能继续上升，但是面板破坏已经非常明显．采用GFRP对角粘贴的石材幕墙面板，槽口处也未产生破坏，石材面板产生一条纵向贯通裂缝，承载力下降缓慢，破坏过程有一定延性．采用GFRP全贴的石材幕墙面板，在达到极限承载力后，延纤维布纤维方向出现纵向贯通裂纹，GFRP布表面出现撕裂条纹，承载力出现缓慢下降．GFRP加固后的石材面板破坏后整体性保持较好，没有碎片掉落．石材面板迎风面加载的破坏形态见图3．10.13245/j.hust.210515.F003图3迎风面加载的破坏形态2.1.2　背风面加载未加固的标准石材幕墙面板和采用金属件加固面板的破坏形态与迎风面加载方向石材面板的破坏形态相同，呈脆性破坏．采用节点加固和背面粘贴GFRP的石材面板，从石材面板中间沿挂件加固件中间部位产生断裂，承载力迅速下降，面板保持整体性较好．石材面板背风面加载的破坏形态见图4．10.13245/j.hust.210515.F004图4背风面加载的破坏形态2.2　结果分析迎风面和背风面加载条件下石材幕墙面板的最大荷载、最大位移和破坏形式等试验结果见表2．10.13245/j.hust.210515.T002表2石材幕墙面板在不同加载条件下的试验结果石材面板最大荷载/kN最大位移/mm破坏形式石材面板最大荷载/kN最大位移/mm破坏形式(1)6.377 670.99节点破坏(1)7.896 661.57节点破坏DC-0-F (2)6.295 290.95节点破坏DC-0-B (2)8.857 201.64节点破坏(3)6.236 120.97节点破坏(3)8.370 691.59节点破坏(1)13.208 751.51角部断裂(1)12.357 121.93纵向断裂DC-N-F (2)13.039 871.48角部断裂DC-N-B (2)11.388 581.76纵向断裂(3)13.111 991.68角部断裂(3)12.543 561.97纵向断裂(1)22.659 112.53纵向断裂(1)11.991 912.10纵向断裂DC-N-F-1 (2)21.168 342.42纵向断裂DC-N-B-1 (2)12.137 162.22纵向断裂(3)24.104 452.01纵向断裂(3)12.252 212.38纵向断裂(1)19.354 422.12纵向断裂(1)11.964 612.25纵向断裂DC-N-F-2 (2)17.654 581.98纵向断裂DC-N-B-2 (2)11.873 982.21纵向断裂(3)19.455 282.21纵向断裂(3)11.619 472.36纵向断裂(1)21.415 621.61纵向断裂(1)11.907 072.47纵向断裂DC-N-F-3 (2)19.224 982.60纵向断裂DC-N-B-3 (2)12.964 062.36纵向断裂(3)15.412 951.64纵向断裂(3)11.907 072.27纵向断裂由表2可以看出：石材面板节点加固后迎风面的平均承载力比未加固面板提高了1.08倍，节点加固后的槽口处未发生破坏，验证了金属件加固槽口连接节点的可行性，但是节点加固后仍为脆性破坏，破坏具有突然性．GFRP加固后的短槽式石材幕墙面板呈延性破坏，石材面板能保持完整性，未见石材碎片掉落，可有效防止高空坠物．石材面板背面采用十字、对角和全面粘贴GFRP后的承载力比未加固试件分别提高2.59倍、1.98倍和1.96倍，石材面板破坏时GFRP的最大应变分别为其极限应变的66.7%，55.3%和54.9%，强度利用率逐渐降低．在背风面加载方向，短槽式石材幕墙面板加点加固后的承载力比未加固面板的提高44%，但破坏过程突然，仍呈脆性破坏．石材幕墙面板背面粘贴GFRP后，相比节点加固的石材面板，承载力虽然无明显提高，但是破坏后面板整体性较好．另外，由于节点处采用了金属件进行加固，因此破坏后的石材面板不易脱落，能够有效避免高空坠落．3 承载力分析3.1　承载力计算3.1.1　标准石材面板短槽式石材幕墙面板每个槽口的承载力可按文献[4]的公式进行计算，四个槽口承载力的合力即为板的最大承载力．3.1.2　节点加固石材面板在钢垫板作用下，加固石材面板的荷载可简化为均布荷载，两端的支撑为简支，单位板宽的受力模型简化为简支梁．因为石材面板的断裂位置在刚性垫板的边缘处，所以取边缘处作为分析截面，以石材面板的开裂荷载作为破坏荷载．简化计算模型如图5所示．10.13245/j.hust.210515.F005图5简化计算模型(mm)石材幕墙面板裂缝处受弯剪复合应力，可按第一主应力公式计算，即σ=(σx+σy)/2+(σx-σy)2+4τxy2/2；(1)σx=6M/(bc2)；(2)σy=0；(3)τxy=F/s，(4)式中：σ为主应力；σx为计算截面短边方向的应力；σy为板厚方向的应力；τxy为切应力；q为均布荷载；M为开裂截面处的弯矩；b为面板计算截面的宽度；c为石材面板的厚度；F为最大荷载；s为石材受到的剪切面积．将式(2)~(4)代入式(1)，可以得到荷载q值，进而计算得到破坏荷载值．3.1.3　十字粘贴GFRP加固石材面板石材面板截面的受力图如图6所示．将极限状态下的应力状态等效成矩形应力分布，根据平衡状态可以得到EfeεfeAfe=γf'ab，(5)式中：Efe为GFRP的弹性模量；εfe为GFRP的有效拉应变；Afe为GFRP截面面积；β和γ为受压区等效矩形应力分布系数；f´为石材的抗压强度；a为计算截面石材受压区高度．10.13245/j.hust.210515.F006图6极限载荷下的应力分布GFRP布的容许拉应力εr按规程[12]计算为εr=kmεf，式中：km为GFRP厚度的折减系数；εf为GFRP的极限拉应变．参考文献[13]，β和γ分别取为0.325和0.86，代入式(5)，可以得到开裂截面弯矩，进而计算得到破坏荷载．GFRP对背风面加载石材面板的承载力没有提高，可采用节点加固石材面板的计算方法进行计算，计算结果如表3所示．由表3可以看出，承载力计算结果的误差都在20%以内．10.13245/j.hust.210515.T003表3承载力计算值和有限元分析值与试验值对比石材面板最大荷载试验值/kN承载力计算值/kN有限元分析值/kN计算值误差/%有限元分析误差/%DC-0-F6.303 005.232 566.386 0016.981.32DC-N-F13.120 0214.132 5013.903 5818.565.97DC-N-F-122.643 9623.989 0125.723 545.9413.60DC-N-F-218.821 43—21.776 45—15.70DC-N-F-318.684 52—20.960 93—12.18DC-N-B12.096 4210.160 4913.403 5616.0010.81DC-N-B-112.127 0910.160 4913.303 2219.369.70DC-N-B-211.819 3510.160 4913.423 1814.0413.57DC-N-B-312.259 4010.160 4913.213 2317.127.783.2　有限元分析将石材定为线弹性，在Abacus中石材和GFRP分别选用C3D8R和S4R单元，其本构关系如图7所示，图中：σ为材料应力；ε为材料应变；σu为花岗岩应力；εu为花岗岩应变；σf为GFRP应力；εf为GFRP应变．有限元模型如图8所示，极限强度的有限元分析值见表3，有限元分析的其他结果详见文献[14]．10.13245/j.hust.210515.F007图7材料本构关系10.13245/j.hust.210515.F008图8有限元模型由表3可知：有限元数值模拟分析结果的误差在16%以内，可用于分析石材幕墙面板GFRP加固的相关性能．4 结论a. 石材面板短槽连接节点加固后承载力有明显提高，比未加固面板在迎风面和背风面的承载力分别提高1.08倍和44%．b. 背面粘贴GFRP的三种方式都可以保证石材面板的整体性，防止高空坠物，提高迎风面的承载力，相对于加固面板可提高1.96~2.59倍．c. 简支梁简化计算模型和所建立的有限元模型的误差分别在20%和16%以内，可用来计算石材面板的承载力．d. 石材幕墙面板采用GFRP进行整体性加固，须要重视相关材料的耐久性，并进行更深入的研究，以确保其界面黏结的有效性．