論飾面貼磚脫粘失效現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及脫落風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

林志航

（福建省燕城建設(shè)工程有限公司， 福建 廈門(mén) 361006）

0 引言

作為常用的建筑結(jié)構(gòu)外立面飾面墻形式之一，飾面磚已被大量應(yīng)用在各種功能的建筑結(jié)構(gòu)中，由于環(huán)境影響，飾面磚的耐久性及可靠性伴隨服役壽命的延長(zhǎng)，將出現(xiàn)不同程度的鼓包、剝離等病害，這種病害嚴(yán)重影響了飾面墻的裝飾性和保護(hù)功能，使建筑本體結(jié)構(gòu)被長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中。

1 工程概況

福州市地鐵1 號(hào)線達(dá)道站C 出站口周邊景觀改造，建設(shè)單位為福州市臺(tái)江區(qū)建設(shè)投資管理中心，施工單位為福建省燕城建設(shè)工程有限公司承建，本工程位于廣達(dá)路；本次環(huán)境綜合整治工程包括建筑外立面整治，建筑環(huán)境提升和基礎(chǔ)設(shè)施完善。本文依托此工程實(shí)踐，分析飾面貼磚脫粘失效現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)原理、方法及脫落風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，用以論證建筑外立面整治的必要性。

2 飾面貼磚粘結(jié)失效振動(dòng)測(cè)試原理

（1）結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)固有的特性之一，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)受邊界約束、結(jié)構(gòu)損傷等因素影響顯著；從力學(xué)角度分析，外立面飾面磚的長(zhǎng)寬尺寸明顯超過(guò)厚度尺寸，屬于典型的薄殼結(jié)構(gòu)，基于彈性力學(xué)基本理論有，假定薄殼處于平衡狀態(tài)的撓度函數(shù)為，此時(shí)薄殼承受的橫向應(yīng)力函數(shù)假定薄殼的自振函數(shù)為對(duì)應(yīng)的自振微分方程表達(dá)式如下：

（2）設(shè)W為微分方程在邊界條件下的一個(gè)非零解，則根據(jù)可計(jì)算W對(duì)應(yīng)的頻率。經(jīng)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，薄殼的自振頻率屬于其固有特性之一，設(shè)薄殼單位面積內(nèi)的振動(dòng)質(zhì)量為同時(shí)令則（1-1）可等效為下式（2-2）

（3）貼附于建筑外立面的飾面磚在邊界條件改變的情況下，其自身的固有頻率和自振形將出現(xiàn)相應(yīng)變化。

（4）如果飾面磚粘結(jié)可靠，則對(duì)應(yīng)的固有頻率指標(biāo)較高；相反，如果飾面磚與外立面粘結(jié)強(qiáng)度不足，則對(duì)應(yīng)的固有頻率指標(biāo)較低；故可通過(guò)測(cè)定飾面磚的固有頻率指標(biāo)范圍，從而間接判定飾面磚是否處于失效或安全狀態(tài)。

3 飾面貼磚脫粘比例對(duì)其固有頻率的影響分析

（1）為了精確掌握脫粘比例差異對(duì)建筑外立面飾面磚固有頻率的影響程度，擬借助ANSYS 有限元分析軟件，建立飾面磚有限元模型，模型的長(zhǎng)寬厚分別為500mm、350mm、15mm，材料參數(shù)如下：彈性模量50GPa，泊松比：0.3，表觀密度2500kg/m3；

（2）在ANSYS 有限元分析軟件中對(duì)建筑外立面飾面磚在不同粘脫比例下分別進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)識(shí)別，通過(guò)移動(dòng)被約束的節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)模型的牢固脫粘，沒(méi)有約束的節(jié)點(diǎn)則認(rèn)為處于粘結(jié)失效狀態(tài)；

（3）下圖1 展示了經(jīng)ANSYS 有限元軟件模擬得到的外立面飾面磚模態(tài)頻率和脫粘比例之間的相關(guān)關(guān)系。

圖1：飾面貼磚模態(tài)頻率與脫粘比率的關(guān)系曲線

（4）分析上圖1 發(fā)現(xiàn)，飾面磚的模態(tài)頻率與脫粘失效覆蓋區(qū)域大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且擬合曲線呈指數(shù)關(guān)系；當(dāng)脫粘比例分別為20%和45%時(shí)，對(duì)應(yīng)的固有頻率分別降低了50%、76%。

4 基于固有頻率變化的飾面貼磚脫粘失效現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法

4.1 檢測(cè)裝置

（1）檢測(cè)設(shè)備主要有飾面磚動(dòng)荷載激振設(shè)備、信號(hào)接收、處理及自動(dòng)分析系統(tǒng)；

（2）使用木錘施加激振荷載，信號(hào)接收設(shè)備為位移傳感器，工作頻率應(yīng)介于0.5～5.0kHz 范圍內(nèi)；

（3）信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后接入波譜分析儀，以分析信號(hào)波譜特性，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)利用用電腦軟件進(jìn)行處理，獲取對(duì)應(yīng)的頻率圖譜，并得到飾面磚的一階固有頻率。

4.2 檢測(cè)步驟

（1）現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)建筑結(jié)構(gòu)外立面飾面磚尺寸，尺寸精度應(yīng)精確到1mm；

（2）采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備量測(cè)飾面磚的固有頻率，為了避免量測(cè)誤差，每個(gè)量測(cè)點(diǎn)應(yīng)至少采集3 個(gè)數(shù)據(jù)，量測(cè)精度應(yīng)精確到0.1Hz；

（3）若同一個(gè)飾面磚量測(cè)到的固有頻率誤差超過(guò)5%，應(yīng)重新量測(cè)，直至誤差達(dá)到合理范圍，再求解三組量測(cè)數(shù)據(jù)均值；

一方面指派一個(gè)部門(mén)為主要負(fù)責(zé)部門(mén)，領(lǐng)導(dǎo)其他各部門(mén)討論制定統(tǒng)一的危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸行業(yè)規(guī)范和操作標(biāo)準(zhǔn)，完善對(duì)危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸企業(yè)的安全生產(chǎn)和管理審查，并加強(qiáng)與公安、安監(jiān)、交通監(jiān)管部門(mén)之間的溝通協(xié)商，形成有效的多部門(mén)合作體系。嚴(yán)格界定不同部門(mén)的管理范圍，加大監(jiān)管力度，有效推動(dòng)危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸安全。健全對(duì)危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸全過(guò)程的安全監(jiān)管力度。嚴(yán)格處罰非法運(yùn)營(yíng)的危險(xiǎn)品物流個(gè)體或企業(yè)，情節(jié)嚴(yán)重的，直接取締經(jīng)營(yíng)資格或從業(yè)資格。

（4）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境，微調(diào)測(cè)試參數(shù)，以優(yōu)化獲取的頻率響應(yīng)曲線；

（5）飾面貼磚的頻率將通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用電腦軟件處理技術(shù)得到振動(dòng)頻譜圖，并由頻譜圖讀出。

5 飾面貼磚脫粘失效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

5.1 飾面貼磚脫落風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

5.1.1 相對(duì)比較法

（1）從結(jié)構(gòu)單元角度分析，飾面磚彼此相互獨(dú)立，因此，飾面磚的整體安全性并不具備實(shí)際意義，故可使用比較法，以定位出脫粘概率更大的飾面磚；

（2）比較法的基礎(chǔ)和關(guān)鍵在于同等條件，在實(shí)際工程中，同一建筑結(jié)構(gòu)的飾面磚均可滿足上述同等條件，故可采用比較法識(shí)別脫粘概率。

（3）現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)完全部的飾面磚固有頻率指標(biāo)后，應(yīng)將具備比較條件的飾面磚分別比較，通過(guò)其固有頻率指標(biāo)間接判定其可靠性和安全性。如果量測(cè)后發(fā)現(xiàn)部分固有頻率較低的飾面磚，則應(yīng)重點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)和加固。

（1）顧名思義，安全頻率區(qū)間法就是提前根據(jù)安全等級(jí)的頻率值大小，將其劃分為不同的區(qū)間范圍，劃分區(qū)間前應(yīng)明確安全頻率的標(biāo)準(zhǔn)值，確認(rèn)方法如下：1）按固有頻率指標(biāo)大小排序（量測(cè)對(duì)象為同等條件下的外立面飾面磚）；2）選取固有頻率最大的外立面飾面磚，基于現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)外立面飾面磚粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行粘結(jié)拉拔試驗(yàn)；3）當(dāng)量測(cè)結(jié)果滿足要求時(shí)，對(duì)應(yīng)的固有頻率指標(biāo)可認(rèn)定為本次試驗(yàn)的安全頻率參考標(biāo)準(zhǔn)，如果量測(cè)結(jié)果不滿足要求，則可直接判定該試驗(yàn)批次的飾面磚存在安全風(fēng)險(xiǎn)；

（2）筆者采用劃分安全頻率標(biāo)準(zhǔn)值的方法，根據(jù)拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)論，結(jié)合工程實(shí)踐檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，給出了表1 的劃分標(biāo)準(zhǔn)：

表1：飾面貼磚脫落風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

5.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)例

（1）福州市地鐵1 號(hào)線達(dá)道站C 出站口周邊改造項(xiàng)目，房建部分的外立面飾面磚類型為陶瓷磚，磚尺寸規(guī)格統(tǒng)一，長(zhǎng)寬厚分別為500mm、360mm、8mm，陶瓷磚與墻體外立面通過(guò)水泥砂漿粘結(jié)；

（2）使用振動(dòng)試驗(yàn)儀對(duì)陶瓷磚的固有頻率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，以獲取磚體的振動(dòng)頻譜和對(duì)應(yīng)波形，具體詳見(jiàn)下圖2、3，結(jié)合圖3 對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)可得到陶瓷磚的固有頻率值；

圖2：陶瓷磚振動(dòng)典型波形圖

圖3：陶瓷磚振動(dòng)典型頻譜圖

（3）項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)累計(jì)完成16 塊陶瓷磚的量測(cè)工作，采用上文提及的安全頻率區(qū)間法，明確振動(dòng)頻率最大的對(duì)象及對(duì)應(yīng)的頻率值，其中，2#陶瓷磚的頻率最大，達(dá)到245.0Hz，通過(guò)陶瓷磚拉拔試驗(yàn)，得到磚與墻體的粘結(jié)強(qiáng)度為0.8MPa，強(qiáng)度指標(biāo)滿足規(guī)范要求，故可將該批次的陶瓷磚安全頻率標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定為0.8Mpa；

（4）通過(guò)對(duì)比該批次陶瓷磚的固有頻率和安全頻率標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)現(xiàn)，7#和8#陶瓷磚的實(shí)測(cè)頻率值分別達(dá)到170.0Hz、182.0Hz，達(dá)到Cu 安全級(jí)別，通過(guò)對(duì)8#陶瓷磚進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，可得到其粘結(jié)強(qiáng)度為0.3MPa，其強(qiáng)度無(wú)法滿足規(guī)范要求；

（5）剩余陶瓷磚的實(shí)測(cè)頻率均介于150～190.0Hz 之間，安全等級(jí)達(dá)到Cu 級(jí)、Du 級(jí)，所以福州市地鐵1 號(hào)線達(dá)道站C 出站口周邊改造項(xiàng)目，其房建外墻裝飾原來(lái)采用的陶瓷貼磚，脫落風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重，需重建整改；最終選的外墻裝飾方案為：采用真石漆、鋁單板安裝、裝飾單板安裝、石材墻面、鋁合金更換、外墻空調(diào)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)整后安裝裝飾空調(diào)架等。

6 結(jié)論

（1）經(jīng)ANSYS 有限元分析，明確了外立面飾面磚脫粘比例與固有頻率之間的關(guān)系，通過(guò)曲線擬合可知，在脫粘比例分別為20%、50%時(shí)，對(duì)應(yīng)的固有頻率分別降低了45%、76%；

（2）將滿足比較法且外形尺寸相同的外立面飾面磚的固有頻率按大小排序，選取固有頻率最大值對(duì)應(yīng)的飾面墻進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度拉拔試驗(yàn)，若強(qiáng)度滿足要求，則可將該頻率作為安全頻率標(biāo)準(zhǔn)值使用；

（3）與其它參數(shù)相比，固有頻率的獲取難度較低，且指標(biāo)不存在失真問(wèn)題，故非常適用于飾面磚的掉落風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定。