既有石材幕墻的復核及掛件掛接安全的探討

陳顯文，王文博，黃炳生

(南京工大建設工程技術有限公司,江蘇 南京 210009)

0 引言

近幾十年中房地產業在我國迅猛發展,新建建筑如春筍般拔地而起。其中石材幕墻具有外形莊重、形象佳等優點,廣泛地應用于公共建筑物的外墻。

由于我國幕墻專項起步較晚,目前設計圖紙對于安裝細節的表達不全面,且國家的相關施工驗收標準及檢測檢驗規范也是在邊摸索、邊總結、邊更新中。

本文針對近年來部分外墻裝飾面板的墜落事件的總結,通過石材幕墻石板與掛件的連接計算及一工程檢驗實例,對安裝過程中鋁合金掛件于石材面板石槽中的掛接安全及相關檢驗提出自己的思考。

1 工程實例簡介

江蘇地區某大型場館:主體為九層框架結構,平面尺寸為96.20 m×79.40 m,檐口高度為40.20 m,X,Y兩方向柱網間距均為8.40 m。幕墻在建筑平面位置示意圖見圖1。

2 幕墻面板的分類

根據幕墻面板的材質,幕墻大致分為:金屬幕墻、石材幕墻及玻璃幕墻,還有少見的人造石板幕墻等。

本場館室外水平吊頂部分設置鋁板幕墻,豎向外墻部分設置石材幕墻(開放式)。幕墻立面示意圖如圖2所示。

3 石板幕墻的支承分類

根據幕墻石板四周結構受力型式,石板支承分為鋼銷支承(見圖3)、短槽支承和通槽支承(即四周全部開槽)。

鋼銷支承:顧名思義,石板四周設有孔洞,插入鋼銷來連接,以承擔自身的重力和風荷載及地震等其他偶然荷載帶來的水平力;鋼銷和連接板應采用不銹鋼。

短槽支承和通槽支承:實則為石板四周的連接孔在長度方向變得更大,以至通長;其掛鉤和連接件可為鋁合金件或不銹鋼件。

本場館石材幕墻其石板采用短槽支承,且為兩側(對邊)連接的支承方式。

4 石材面板及短槽支承的計算

《金屬與石材幕墻工程技術規范》[1]中 5.5.7—8條規定(本文引用條文及計算公式如未注明,則均為該規范,下同):幕墻石板的抗彎及短槽支承的抗剪設計應符合規范規定[2]。

4.1 石材的最大彎曲應力計算

1)風荷載基本參數:基本風壓值為W0=0.45 kN/m2(按100 a),地面粗糙度類別B類,計算標高取40.2 m(風壓高度變化系數μz=1.518)。

2)幕墻上的風荷載標準值計算公式見式(1):

Wk=βgz×μz×μs1×W0

(1)

取βgz=2.25,μs=1.5。

即Wk=2.25×1.518×1.5×0.000 45=0.002 305 N/mm2≥0.001 N/mm2。

取Wk=0.002 305 N/mm2。

3)幕墻的分布水平地震作用標準值(見式(2)):

qEk=βE×αmax×G/A

(2)

取βE=5.0,αmax=1.0。

即qEk=5.0×0.10×A×30×0.000 03/A=0.000 45 N/mm2。

4)石材板塊荷載和作用效應組合設計值(見式(3)):

q=1.0Sw+0.6SE

(3)

q=1.0W+0.6qE=1.0×γw×Wk+0.6×γE×qEk

取γw=1.5(5.1.6及GB 50068中8.2.9條),取γE=1.4 (5.1.6及GB 55002中4.3.2條)。

即q=1.0×γw×Wk+0.6×γE×qEk

q=1.0×1.5×0.002 305+0.6×1.4×0.000 45。

q=0.003 836 N/mm2。

5)石板面板的抗彎設計復核:

本幕墻石板為四點支承,且為對邊支承,石板尺寸為0.60 m×1.40 m,厚30 mm,見圖4。

根據5.5.8及5.5.4條,該石板的最大彎曲應力設計值計算公式見式(4):

(4)

b0=1 400-200×2=1 000 mm,t=30 mm,a0/b0=0.60,查附錄B表B.0.2得:m=0.133 8。

即石板的抗彎強度滿足規范要求(見圖5)。

4.2 石材掛鉤的抗剪強度計算

幕墻石板與主體表面的龍骨采用掛鉤(俗稱托板)連接,其樣式以前多為T型,但由于其不便于后期中間損傷石材板塊的更換及維修,近年來多采用SE型掛件。本場館的石材掛鉤設計為SE型掛件(寬度50 mm,厚度為4 mm,鋁合金材質),見圖6,圖7[3]。

1)支承結構荷載和作用效應組合設計值(壁厚為4 mm,材質為鋁6063-TS):支承結構的石板從屬面積:A=0.6 m×1.4 m=0.84 m2≤1.0 m2;按GB 50009—2012建筑結構荷載規范第8.3.4-1條,局部體型系數折減系數為1.0。故支承結構的風荷載標準值及分布水平地震作用標準值均同幕墻上的荷載標準值[4-5]。

支承結構荷載和作用效應組合設計值計算公式見式(5):

q=1.0Sw+0.6SE

q=1.0W+0.6qE=1.0×γw×Wk+0.6×γE×qEk

q=0.003 836 N/mm2

(5)

2)掛件的抗剪設計復核:掛件為兩側連接,故n=2;掛件長50 mm,厚度4 mm,則Ap=50×4=200 mm2。根據5.5.7-1條,其掛件應符合式(6):

(6)

即鋁合金掛件的抗剪強度滿足規范要求。

4.3 石板槽口的抗剪強度計算

本項目石材面板槽口按兩側開槽設計(圓弧槽,單個槽底總長度s=111 mm,槽口寬度c=10 mm,詳見圖8)。

根據5.5.7-2條,掛鉤在槽口邊產生的剪應力應符合式(7):

τ=qabβ/[n(t-c)s]=

0.003 836×600×1 400×1.25/[2×(30-10)×111]=

0.907 1 N/mm2≤fg2=8/4.30=1.86 N/mm2

(7)

即槽口處石材抗剪強度滿足規范要求。

4.4 槽口處石板抗剪強度破壞面的探討

式(7)中槽口石板的計算破壞線為圓弧形,詳見圖9,則其計算的假定前提為:結構膠于石板槽口處底部破壞,非鋁合金掛件周邊處破壞。

該假定前提的必要條件為:1)掛件充分插入結構膠中(將主體龍骨的支承力傳遞到石板槽口的結構膠中)。2)結構膠充滿石板槽口中(將掛件支承力傳遞到槽口處整個石板)。3)石板槽口內結構膠已完全凝固且強度滿足要求(結構膠自身能承受該支承力)。

而施工中:由于與主體連接的鋁合金龍骨其施工定位的誤差,導致多數鋁合金掛件無法完全插入石板槽口槽底中,即鋁合金掛件與石板槽口無法重疊100%;結構膠未充滿石槽或結構膠未起充分黏結作用常有發生(槽口灰塵未清理干凈等);結構膠的凝固也需要時間。

故以上必要條件如有一項不滿足,槽口石板的抗剪強度能否滿足要求?

5 結構膠失效下槽口石板的抗剪強度驗算

目前幕墻結構采用的結構膠均要求為環氧樹脂膠(6.3.7條),其優點為有彈性、抗老化能力強,但其缺點是施工時比不飽和聚酯樹脂膠(俗稱云石膠)凝固時間長。故施工中存在結構膠未及時凝固、甚至石板槽口無結構膠填充或后期結構膠老化、失效的狀態,此時槽口石板于鋁合金掛件的周邊破壞線應沿掛件四周,詳見圖10。

該驗算的主要影響條件為鋁合金掛件插入槽口的深度h(幕墻設計意向圖及二次深化設計圖紙中,鋁合金掛件插入石板石槽深度均少見說明)。假定鋁合金掛件插入深度為h(考慮鋁合金掛件的內折角及石材的毛邊,與槽口石板重疊的計算深度取h0=h-2 mm),即掛件周邊破壞線為s=2×h0+50 mm[6]。

荷載和作用效應組合設計值于施工中驗算一般不考慮地震組合,但施工后狀態則需考慮地震組合,故本驗算荷載取較大組合設計值考慮。根據5.5.7-2條,掛鉤在槽口中的掛件邊產生的剪應力需滿足式(8):

(8)

求得h≥4.07 mm,取h=5 mm。

即本鋁合金掛件槽深15 mm,需插入5 mm,槽口石板于鋁合金掛件周邊的抗剪強度可滿足結構膠失效狀態下的要求(含施工中要求)。

6 結構膠未充滿石板槽口的其他危害

6.1 云石膠的禁用

石材幕墻工程興起的初期,石槽處掛件的臨時固定均采用云石膠(價格低,施工速度快),但經過實踐的檢驗,發現其抗老化能力弱,隨著時間推移,云石膠逐漸硬化,微膨脹(石板槽口撐壞),再變脆、失效,從而導致幕墻石材面板的墜落。目前不飽和樹脂膠已被禁止在石材幕墻等工程主體上使用。

6.2 石材幕墻的雨水防護措施

JGJ 133—2001中7.3.4-3條,雖然明確石材幕墻安裝時必須有防水措施,但安裝后的防水要求依舊應該被重視。

因石材面板與主體龍骨之間存在空隙,雨水宜灌入其縫隙中或石材面板的上邊短槽口中(結構膠未充滿石板槽口時),北方地區冬天將會結冰、膨脹(水變成冰,體積將增大10%),將會導致石材面板損壞或石板槽口撐壞。

本檢驗項目的石材幕墻為開放式幕墻,且經檢驗:部分結構膠未充滿石板槽口。故該石材幕墻在冬季存在雨水凍害的隱患。

7 現場檢測結論

借助于工業內窺鏡,經現場檢驗,本項目石材幕墻存在:1)零星石材面板缺失掛件(與主體連接的鋁合金龍骨前期施工定位精確度低,導致后期石材面板的掛件長度無法匹配,無法掛接)。2)部分石槽內結構膠未充滿或石槽內灰塵未清理干凈。3)石材幕墻其鋁合金掛件于石槽中的深度大小不一,但多數深度超過掛件長度的50%,約7 mm。后經專家組評審,統一要求:整改后的鋁合金掛件于石槽中深度不小于8 mm,有力地保證了后期使用中的安全。

8 檢驗要素

由以上復核可知,對于石材幕墻掛件掛接的現場檢驗要素為:

1)結構膠是否充滿石板槽口。a.對鋁合金掛件與槽口石板的黏結安全可靠起關鍵作用。b.在北方地區,雨水凍融狀態下,對槽口石板的耐久性存在影響。c.無結構膠,在風振影響下,槽口石板及易被損壞。

2)鋁合金掛件掛接深度要求。目前國家相應規范及驗收標準均無要求,但設計人員及后期的檢驗技術人員需結合實踐,多種狀況下計算,提出合理的檢驗標準,以保證無結構膠或其失效狀態下的幕墻石材掛件連接的安全(施工中及施工后)。

9 結語

對于幕墻等專項結構的設計及其細節的考慮,前期主要依賴于設計師的理論計算。隨著既有幕墻建造中及建造后發生的安全事件的總結,石材幕墻相應的鑒定標準也陸續出臺及更新。

本文通過既有幕墻定期檢驗過程中發現的薄弱點,結合對石材幕墻各部件的計算復核,補充了結構膠失效狀態下掛件掛接深度的驗算,提出了結構膠未充滿石板槽口或無結構膠填充下的雨水凍害的影響,給石材幕墻的連接節點于施工中及施工后的檢驗提出了關鍵要素,供廣大施工及其他技術人員參考。