陳顯文，王文博，黃炳生

(南京工大建設(shè)工程技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210009)

0 引言

近幾十年中房地產(chǎn)業(yè)在我國(guó)迅猛發(fā)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(yōu)點(diǎn),廣泛地應(yīng)用于公共建筑物的外墻。

由于我國(guó)幕墻專項(xiàng)起步較晚,目前設(shè)計(jì)圖紙對(duì)于安裝細(xì)節(jié)的表達(dá)不全面,且國(guó)家的相關(guān)施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)檢驗(yàn)規(guī)范也是在邊摸索、邊總結(jié)、邊更新中。

本文針對(duì)近年來部分外墻裝飾面板的墜落事件的總結(jié),通過石材幕墻石板與掛件的連接計(jì)算及一工程檢驗(yàn)實(shí)例,對(duì)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(guān)檢驗(yàn)提出自己的思考。

1 工程實(shí)例簡(jiǎn)介

江蘇地區(qū)某大型場(chǎng)館:主體為九層框架結(jié)構(gòu),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(wǎng)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(jù)幕墻面板的材質(zhì),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(chǎng)館室外水平吊頂部分設(shè)置鋁板幕墻,豎向外墻部分設(shè)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(jù)幕墻石板四周結(jié)構(gòu)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(shè)有孔洞,插入鋼銷來連接,以承擔(dān)自身的重力和風(fēng)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(yīng)采用不銹鋼。

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

本場(chǎng)館石材幕墻其石板采用短槽支承,且為兩側(cè)(對(duì)邊)連接的支承方式。

4 石材面板及短槽支承的計(jì)算

《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》[1]中 5.5.7—8條規(guī)定(本文引用條文及計(jì)算公式如未注明,則均為該規(guī)范,下同):幕墻石板的抗彎及短槽支承的抗剪設(shè)計(jì)應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定[2]。

4.1 石材的最大彎曲應(yīng)力計(jì)算

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

2)幕墻上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)組合設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)復(fù)核:

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

根據(jù)5.5.8及5.5.4條,該石板的最大彎曲應(yīng)力設(shè)計(jì)值計(jì)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(qiáng)度滿足規(guī)范要求(見圖5)。

4.2 石材掛鉤的抗剪強(qiáng)度計(jì)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(chǎng)館的石材掛鉤設(shè)計(jì)為SE型掛件(寬度50 mm,厚度為4 mm,鋁合金材質(zhì)),見圖6,圖7[3]。

1)支承結(jié)構(gòu)荷載和作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值(壁厚為4 mm,材質(zhì)為鋁6063-TS):支承結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)荷載規(guī)范第8.3.4-1條,局部體型系數(shù)折減系數(shù)為1.0。故支承結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及分布水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值均同幕墻上的荷載標(biāo)準(zhǔn)值[4-5]。

支承結(jié)構(gòu)荷載和作用效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值計(jì)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(shè)計(jì)復(fù)核:掛件為兩側(cè)連接,故n=2;掛件長(zhǎng)50 mm,厚度4 mm,則Ap=50×4=200 mm2。根據(jù)5.5.7-1條,其掛件應(yīng)符合式(6):

(6)

即鋁合金掛件的抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4.3 石板槽口的抗剪強(qiáng)度計(jì)算

本項(xiàng)目石材面板槽口按兩側(cè)開槽設(shè)計(jì)(圓弧槽,單個(gè)槽底總長(zhǎng)度s=111 mm,槽口寬度c=10 mm,詳見圖8)。

根據(jù)5.5.7-2條,掛鉤在槽口邊產(chǎn)生的剪應(yīng)力應(yīng)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(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4.4 槽口處石板抗剪強(qiáng)度破壞面的探討

式(7)中槽口石板的計(jì)算破壞線為圓弧形,詳見圖9,則其計(jì)算的假定前提為:結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)膠中(將主體龍骨的支承力傳遞到石板槽口的結(jié)構(gòu)膠中)。2)結(jié)構(gòu)膠充滿石板槽口中(將掛件支承力傳遞到槽口處整個(gè)石板)。3)石板槽口內(nèi)結(jié)構(gòu)膠已完全凝固且強(qiáng)度滿足要求(結(jié)構(gòu)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(dǎo)致多數(shù)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(jié)構(gòu)膠未充滿石槽或結(jié)構(gòu)膠未起充分黏結(jié)作用常有發(fā)生(槽口灰塵未清理干凈等);結(jié)構(gòu)膠的凝固也需要時(shí)間。

故以上必要條件如有一項(xiàng)不滿足,槽口石板的抗剪強(qiáng)度能否滿足要求?

5 結(jié)構(gòu)膠失效下槽口石板的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

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

該驗(yàn)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(shè)計(jì)意向圖及二次深化設(shè)計(jì)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(nèi)折角及石材的毛邊,與槽口石板重疊的計(jì)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(yīng)組合設(shè)計(jì)值于施工中驗(yàn)算一般不考慮地震組合,但施工后狀態(tài)則需考慮地震組合,故本驗(yàn)算荷載取較大組合設(shè)計(jì)值考慮。根據(jù)5.5.7-2條,掛鉤在槽口中的掛件邊產(chǎn)生的剪應(yīng)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(qiáng)度可滿足結(jié)構(gòu)膠失效狀態(tài)下的要求(含施工中要求)。

6 結(jié)構(gòu)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(shí)固定均采用云石膠(價(jià)格低,施工速度快),但經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其抗老化能力弱,隨著時(shí)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(dǎo)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(hù)措施

JGJ 133—2001中7.3.4-3條,雖然明確石材幕墻安裝時(shí)必須有防水措施,但安裝后的防水要求依舊應(yīng)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(jié)構(gòu)膠未充滿石板槽口時(shí)),北方地區(qū)冬天將會(huì)結(jié)冰、膨脹(水變成冰,體積將增大10%),將會(huì)導(dǎo)致石材面板損壞或石板槽口撐壞。

本檢驗(yàn)項(xiàng)目的石材幕墻為開放式幕墻,且經(jīng)檢驗(yàn):部分結(jié)構(gòu)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(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)論

借助于工業(yè)內(nèi)窺鏡,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn),本項(xiàng)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(dǎo)致后期石材面板的掛件長(zhǎng)度無法匹配,無法掛接)。2)部分石槽內(nèi)結(jié)構(gòu)膠未充滿或石槽內(nèi)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(shù)深度超過掛件長(zhǎng)度的50%,約7 mm。后經(jīng)專家組評(píng)審,統(tǒng)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(yàn)要素

由以上復(fù)核可知,對(duì)于石材幕墻掛件掛接的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)要素為:

1)結(jié)構(gòu)膠是否充滿石板槽口。a.對(duì)鋁合金掛件與槽口石板的黏結(jié)安全可靠起關(guān)鍵作用。b.在北方地區(qū),雨水凍融狀態(tài)下,對(duì)槽口石板的耐久性存在影響。c.無結(jié)構(gòu)膠,在風(fēng)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(guó)家相應(yīng)規(guī)范及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)均無要求,但設(shè)計(jì)人員及后期的檢驗(yàn)技術(shù)人員需結(jié)合實(shí)踐,多種狀況下計(jì)算,提出合理的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),以保證無結(jié)構(gòu)膠或其失效狀態(tài)下的幕墻石材掛件連接的安全(施工中及施工后)。

9 結(jié)語

對(duì)于幕墻等專項(xiàng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其細(xì)節(jié)的考慮,前期主要依賴于設(shè)計(jì)師的理論計(jì)算。隨著既有幕墻建造中及建造后發(fā)生的安全事件的總結(jié),石材幕墻相應(yīng)的鑒定標(biāo)準(zhǔn)也陸續(xù)出臺(tái)及更新。

本文通過既有幕墻定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的薄弱點(diǎn),結(jié)合對(duì)石材幕墻各部件的計(jì)算復(fù)核,補(bǔ)充了結(jié)構(gòu)膠失效狀態(tài)下掛件掛接深度的驗(yàn)算,提出了結(jié)構(gòu)膠未充滿石板槽口或無結(jié)構(gòu)膠填充下的雨水凍害的影響,給石材幕墻的連接節(jié)點(diǎn)于施工中及施工后的檢驗(yàn)提出了關(guān)鍵要素,供廣大施工及其他技術(shù)人員參考。