某既有人造板材幕墻安全性鑒定研究

萬少強(qiáng),李旭光,趙士永,吳 磊

(河北省建筑科學(xué)研究院有限公司,石家莊 050021)

建筑幕墻是由金屬構(gòu)件與各種板材組成的懸掛在主體結(jié)構(gòu)之上、不承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)荷載與作用的建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)[1]。通常按面板材料將建筑幕墻劃分為玻璃幕墻、鋁合金幕墻、石材幕墻及人造板材幕墻等。

人造板材幕墻是面板材料為人造外墻板(除玻璃和金屬與天然石材板以外)的建筑幕墻,包括瓷板幕墻、陶板幕墻、微晶玻璃幕墻、石材蜂窩板幕墻、高壓熱固化木纖維板幕墻和纖維增強(qiáng)水泥板幕墻[2]。人造板材是在玻璃和石材之外的新型外墻材料,相較于玻璃幕墻的廣泛應(yīng)用,針對(duì)人造板材幕墻的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、工程技術(shù)應(yīng)用研究及安全性評(píng)價(jià)少有論述。論文以某文化藝術(shù)中心人造GRC鍍銅板幕墻為例,對(duì)其安全性鑒定進(jìn)行研究分析,為開放式人造板材幕墻[3]的安全性鑒定提供一定的理論借鑒。

1 人造板材幕墻鑒定標(biāo)準(zhǔn)概述

人造板材作為新型幕墻材料,國外在應(yīng)用上主要采取產(chǎn)品的應(yīng)用技術(shù)認(rèn)證,如法國的 CSTB 認(rèn)證和英國的 BBA 認(rèn)證等;其在幕墻工程中的技術(shù)應(yīng)用信息主要來自板材生產(chǎn)者的產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)手冊。我國于2016年頒布了《人造板材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ336—2016,是繼《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102—2003和《金屬和石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ133—2001后的第三項(xiàng)幕墻行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)志著我國在建筑幕墻行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)中的新進(jìn)展,引領(lǐng)著我國建筑幕墻工程技術(shù)的新發(fā)展。

自2001年至今,新建幕墻設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收、質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到逐步完善[4],工程驗(yàn)收類如 《玻璃幕墻工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T139—2001和 《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 102—2003等;結(jié)構(gòu)密封膠類標(biāo)準(zhǔn)如 《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》GB16776—2005和《幕墻玻璃接縫用密封膠》JC/T 882-2001等;安全性評(píng)估類如上海市頒布《玻璃幕墻安全性能檢測評(píng)估技術(shù)規(guī)程》DG/T J08-803—2013、山東省頒布《既有玻璃幕墻檢驗(yàn)評(píng)估技術(shù)規(guī)程》DBJ/T 14-096—2013等;然而,上述質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定類、結(jié)構(gòu)密封膠類及安全性評(píng)估類規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)玻璃幕墻,尚無既有人造板材類幕墻的安全性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)作為相關(guān)工程的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 人造板材幕墻安全性鑒定評(píng)級(jí)

論文依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、幕墻施工過程中的技術(shù)要求及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某藝術(shù)中心人造板材幕墻開展安全性鑒定研究與分析,建立既有人造板材幕墻安全性評(píng)估方法。

既有人造板材幕墻的安全性鑒定評(píng)級(jí)應(yīng)按構(gòu)件(含節(jié)點(diǎn)、連接)、子單元和鑒定單元分三個(gè)層次,每一層次分為四個(gè)安全性等級(jí),并按規(guī)定的檢查項(xiàng)目和步驟,分層評(píng)級(jí),最終確定人造板材幕墻的安全等級(jí)。1)人造板材幕墻構(gòu)件的安全性鑒定應(yīng)按承載力、破損和變形、構(gòu)造三個(gè)檢查項(xiàng)目分別評(píng)級(jí),并取其中較低等級(jí)作為構(gòu)件的安全性等級(jí)。2)人造板材幕墻子單元鑒定評(píng)級(jí),按面板子單元、支承結(jié)構(gòu)體系子單元及幕墻結(jié)構(gòu)的整體性等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。3)人造板材幕墻鑒定單元的安全性鑒定評(píng)級(jí),根據(jù)面板子單元、支承結(jié)構(gòu)體系子單元等的安全性等級(jí)、綜合構(gòu)造及與幕墻有關(guān)的其他安全問題進(jìn)行評(píng)定。

3 案例分析

3.1 工程概況

某文化藝術(shù)中心為地下一層、地上六層的鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu),建筑面積119 371 m2,約于2012年底建成。建筑物外裝飾部分區(qū)域?yàn)槟粔ρb飾,幕墻采用GRC鍍銅輕質(zhì)掛板,屬于人造板材;GRC板面與背附自支撐鋼框架組成掛板,掛板通過支撐鋼架與主體結(jié)構(gòu)的外圍鋼桁架連接。

3.2 檢測項(xiàng)目

該工程檢測項(xiàng)目為面板現(xiàn)狀調(diào)查、面板背附鋼架及錨固節(jié)點(diǎn)檢測、支撐鋼架截面尺寸檢測及承載力驗(yàn)算、支撐鋼架與主體結(jié)構(gòu)連接調(diào)查,以面板層為第一層次,由外向里分層進(jìn)行。

幕墻部分區(qū)域板材表面污損開裂、鍍銅層起皮、脫落,凸起造型處開裂、破損;部分支撐鋼架個(gè)別桿件存在銹蝕、損傷、變形等情況。面板破損情況如圖1、圖2所示,支撐鋼架損傷現(xiàn)狀如圖3所示。錨固節(jié)點(diǎn)及支撐鋼架與主體結(jié)構(gòu)鋼桁架連接節(jié)點(diǎn)處未見明顯損傷,鋼架構(gòu)件截面尺寸、幕墻面板厚度及安裝質(zhì)量滿足要求。

3.3 損傷分析

GRC鍍銅板是采用GRC板材作為基相材料,在其表面電鍍一層銅并經(jīng)進(jìn)一步仿古處理所制得[5]。因其制備工藝的特殊性及背部鋼架與面板連接節(jié)點(diǎn)處在電鍍工藝中的不成熟性,板材制備過程中硫酸溶液等腐蝕性液體對(duì)面板基材、背部鋼架及預(yù)埋件造成腐蝕,致使面板表面鼓包、嚴(yán)重時(shí)表面酥松、粉化脫落,背部鋼架及預(yù)埋件斷面尺寸減小,降低結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備,使幕墻存在一定的墜落風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),面板表層的金屬鍍層與面板基材的熱膨脹系數(shù)的不同導(dǎo)致鍍銅層剝落、空殼,影響建筑物整體使用性及美觀性。

3.4 面板預(yù)埋鋼筋連接分析

GRC面板預(yù)埋連接鋼筋以3×7的排列方式共設(shè)21個(gè)預(yù)埋點(diǎn),預(yù)埋鋼筋與背附鋼架焊接組成GRC掛板。GRC掛板自身質(zhì)量約0.9 kN。在面板自重作用下,錨固點(diǎn)鋼筋所受剪力設(shè)計(jì)值約為0.23 kN。經(jīng)計(jì)算預(yù)埋連接鋼筋的受剪承載力為9.8 kN,具有較高的安全冗余度,且現(xiàn)場檢測中預(yù)埋節(jié)點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)明顯損傷。同時(shí),為防止面板基材在預(yù)埋鋼筋拉力作用下的錐體破壞,可通過焊端錨板或設(shè)置鋼筋網(wǎng)片與預(yù)埋鋼筋連接的構(gòu)造措施增強(qiáng)受力性能,從而有效降低面板后期使用中的破損墜落風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 支撐鋼架受力分析

該GRC幕墻所在地區(qū)基本風(fēng)壓w0=0.35 kN/m2,地面粗糙度類別為B類,抗震設(shè)防烈度為7°,地震峰值加速度為0.15g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組,抗震設(shè)防類別:乙類。主龍骨及橫梁采用 60 mm×60 mm×5 mm冷軋方鋼管,斜撐采用50 mm×30 mm×4 mm冷軋方鋼管,橫梁加勁肋為6 mm厚鋼板,材質(zhì)均為 Q235。

3.5.1 幕墻荷載計(jì)算

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,對(duì)GRC幕墻受荷最不利區(qū)域進(jìn)行荷載統(tǒng)計(jì)及組合,荷載主要包括自重荷載、風(fēng)荷載及地震荷載。荷載統(tǒng)計(jì)及組合如表1所示。

表1 幕墻荷載統(tǒng)計(jì)及組合

3.5.2 有限元建模分析

有限元的建模過程主要分為結(jié)構(gòu)建模、添加桿件、材料的本構(gòu)關(guān)系、施加約束與荷載。

依據(jù)有限元模型,在節(jié)點(diǎn)施加荷載,分別計(jì)算支撐鋼架在荷載作用下的應(yīng)力及撓度,計(jì)算結(jié)果如圖4～圖7所示;對(duì)支撐鋼架構(gòu)件應(yīng)力比進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,支撐鋼架強(qiáng)度最大應(yīng)力比為0.630,繞2軸穩(wěn)定應(yīng)力比為0.863,繞3軸穩(wěn)定應(yīng)力比為0.906,γ0S/R均小于1,支撐鋼架承載力滿足要求;支撐鋼架最大撓度為10.200 mm,小于撓度限值7 400/250=29.6 mm,支撐鋼架最大變形滿足要求;由支撐鋼架桿件應(yīng)力分布圖可知,應(yīng)力比在0～0.1之間的桿件為總桿件數(shù)量的53%左右,僅個(gè)別桿件應(yīng)力比大于0.9,因此支撐鋼架桿件的應(yīng)力冗余度較大,整體安全度較高。

4 安全性鑒定分析

依據(jù)檢測結(jié)果及支撐鋼架承載力驗(yàn)算結(jié)果,對(duì)GRC板材幕墻安全性進(jìn)行分析,構(gòu)件、子單元及鑒定單元安全性鑒定評(píng)級(jí)結(jié)果如下:

該既有人造板材幕墻部分區(qū)域板材表面污損開裂、鍍銅層起皮、脫落,凸起造型處開裂、破損;部分支撐鋼架個(gè)別桿件存在銹蝕、損傷、變形等情況;板材面板厚度及安裝質(zhì)量滿足相關(guān)規(guī)范要求,面板評(píng)級(jí)為bu級(jí)。支撐構(gòu)件截面符合原設(shè)計(jì)圖紙要求,承載力驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求,支撐結(jié)構(gòu)體系評(píng)級(jí)為au級(jí)。綜合構(gòu)造合理可靠,符合規(guī)范要求,綜合構(gòu)造評(píng)級(jí)為au級(jí)。

根據(jù)構(gòu)件評(píng)級(jí)結(jié)果,對(duì)子單元進(jìn)行評(píng)級(jí)。面板子單元安全性按構(gòu)造評(píng)定為Bu級(jí),支承結(jié)構(gòu)體系子單元安全性評(píng)定為Au級(jí),綜合構(gòu)造安全性評(píng)定為Au級(jí)。

根據(jù)面板子單元、支承結(jié)構(gòu)體系子單元、綜合構(gòu)造等安全性等級(jí)對(duì)鑒定單元進(jìn)行評(píng)定,鑒定單元評(píng)定等級(jí)為Bsu級(jí)。

5 結(jié) 論

a.對(duì)某既有人造板材幕墻開展安全性鑒定研究與分析,建立既有人造板材幕墻安全性評(píng)估方法;對(duì)人造板材幕墻進(jìn)行了整體檢測,并分析了面板損傷的主要成因及使用中的安全隱患。

b.對(duì)幕墻支撐鋼架承載力進(jìn)行了驗(yàn)算分析,得出應(yīng)力比在0～0.1之間的桿件為總桿件數(shù)量的53%左右,僅個(gè)別桿件應(yīng)力比大于0.9;支撐鋼架桿件的應(yīng)力冗余度較大,整體安全度較高。

c.為有效預(yù)防GRC板材幕墻在后期長期使用中存在的破損墜落風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)在GRC板材幕墻下方周邊區(qū)域合理設(shè)置綠化帶等緩沖區(qū)域,也可采用挑檐、防沖擊雨篷等安全保障措施來應(yīng)對(duì)面板的偶然破裂。同時(shí),定期對(duì)GRC板材幕墻進(jìn)行維護(hù)和檢查,對(duì)存在安全隱患的面板進(jìn)行修復(fù)和處理,對(duì)支撐鋼架構(gòu)件定期保養(yǎng)和維護(hù)。

d.既有人造板材幕墻的安全性鑒定中,幕墻面板的現(xiàn)狀調(diào)查及背部錨固點(diǎn)的現(xiàn)場檢測是較為重要的一個(gè)環(huán)節(jié),是直接影響幕墻墜落風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的關(guān)鍵因素,應(yīng)作為重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場檢測。

既有人造板材幕墻的安全性鑒定應(yīng)在不損傷幕墻結(jié)構(gòu)和盡可能不影響幕墻正常使用的前提下,做到現(xiàn)場檢測項(xiàng)目完整、測量結(jié)果準(zhǔn)確,從而為既有人造板材幕墻的現(xiàn)時(shí)狀況作出準(zhǔn)確的鑒定結(jié)論。