萬少強,李旭光,趙士永,吳 磊

(河北省建筑科學研究院有限公司,石家莊 050021)

建筑幕墻是由金屬構件與各種板材組成的懸掛在主體結構之上、不承擔主體結構荷載與作用的建筑物外圍護結構[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用,針對人造板材幕墻的產品標準、工程技術應用研究及安全性評價少有論述。論文以某文化藝術中心人造GRC鍍銅板幕墻為例,對其安全性鑒定進行研究分析,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準概述

人造板材作為新型幕墻材料,國外在應用上主要采取產品的應用技術認證,如法國的 CSTB 認證和英國的 BBA 認證等;其在幕墻工程中的技術應用信息主要來自板材生產者的產品應用技術手冊。我國于2016年頒布了《人造板材幕墻工程技術規(guī)范》JGJ336—2016,是繼《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102—2003和《金屬和石材幕墻工程技術規(guī)范》JGJ133—2001后的第三項幕墻行業(yè)標準,標志著我國在建筑幕墻行業(yè)標準化建設中的新進展,引領著我國建筑幕墻工程技術的新發(fā)展。

自2001年至今,新建幕墻設計標準及驗收、質量檢驗評定標準已經得到逐步完善[4],工程驗收類如 《玻璃幕墻工程質量檢驗標準》JGJ/T139—2001和 《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ 102—2003等;結構密封膠類標準如 《建筑用硅酮結構密封膠》GB16776—2005和《幕墻玻璃接縫用密封膠》JC/T 882-2001等;安全性評估類如上海市頒布《玻璃幕墻安全性能檢測評估技術規(guī)程》DG/T J08-803—2013、山東省頒布《既有玻璃幕墻檢驗評估技術規(guī)程》DBJ/T 14-096—2013等;然而,上述質量驗收評定類、結構密封膠類及安全性評估類規(guī)范標準主要針對玻璃幕墻,尚無既有人造板材類幕墻的安全性評估標準作為相關工程的依據標準。

2 人造板材幕墻安全性鑒定評級

論文依據相關規(guī)范標準、幕墻施工過程中的技術要求及驗收標準對某藝術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估方法。

既有人造板材幕墻的安全性鑒定評級應按構件(含節(jié)點、連接)、子單元和鑒定單元分三個層次,每一層次分為四個安全性等級,并按規(guī)定的檢查項目和步驟,分層評級,最終確定人造板材幕墻的安全等級。1)人造板材幕墻構件的安全性鑒定應按承載力、破損和變形、構造三個檢查項目分別評級,并取其中較低等級作為構件的安全性等級。2)人造板材幕墻子單元鑒定評級,按面板子單元、支承結構體系子單元及幕墻結構的整體性等級進行評定。3)人造板材幕墻鑒定單元的安全性鑒定評級,根據面板子單元、支承結構體系子單元等的安全性等級、綜合構造及與幕墻有關的其他安全問題進行評定。

3 案例分析

3.1 工程概況

某文化藝術中心為地下一層、地上六層的鋼筋混凝土框架剪力墻結構,建筑面積119 371 m2,約于2012年底建成。建筑物外裝飾部分區(qū)域為幕墻裝飾,幕墻采用GRC鍍銅輕質掛板,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構的外圍鋼桁架連接。

3.2 檢測項目

該工程檢測項目為面板現狀調查、面板背附鋼架及錨固節(jié)點檢測、支撐鋼架截面尺寸檢測及承載力驗算、支撐鋼架與主體結構連接調查,以面板層為第一層次,由外向里分層進行。

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,支撐鋼架損傷現狀如圖3所示。錨固節(jié)點及支撐鋼架與主體結構鋼桁架連接節(jié)點處未見明顯損傷,鋼架構件截面尺寸、幕墻面板厚度及安裝質量滿足要求。

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進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面板基材、背部鋼架及預埋件造成腐蝕,致使面板表面鼓包、嚴重時表面酥松、粉化脫落,背部鋼架及預埋件斷面尺寸減小,降低結構安全儲備,使幕墻存在一定的墜落風險。同時,面板表層的金屬鍍層與面板基材的熱膨脹系數的不同導致鍍銅層剝落、空殼,影響建筑物整體使用性及美觀性。

3.4 面板預埋鋼筋連接分析

GRC面板預埋連接鋼筋以3×7的排列方式共設21個預埋點,預埋鋼筋與背附鋼架焊接組成GRC掛板。GRC掛板自身質量約0.9 kN。在面板自重作用下,錨固點鋼筋所受剪力設計值約為0.23 kN。經計算預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,且現場檢測中預埋節(jié)點未發(fā)現明顯損傷。同時,為防止面板基材在預埋鋼筋拉力作用下的錐體破壞,可通過焊端錨板或設置鋼筋網片與預埋鋼筋連接的構造措施增強受力性能,從而有效降低面板后期使用中的破損墜落風險。

3.5 支撐鋼架受力分析

該GRC幕墻所在地區(qū)基本風壓w0=0.35 kN/m2,地面粗糙度類別為B類,抗震設防烈度為7°,地震峰值加速度為0.15g,設計地震分組為第二組,抗震設防類別: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,材質均為 Q235。

3.5.1 幕墻荷載計算

依據設計圖紙,對GRC幕墻受荷最不利區(qū)域進行荷載統(tǒng)計及組合,荷載主要包括自重荷載、風荷載及地震荷載。荷載統(tǒng)計及組合如表1所示。

表1 幕墻荷載統(tǒng)計及組合

3.5.2 有限元建模分析

有限元的建模過程主要分為結構建模、添加桿件、材料的本構關系、施加約束與荷載。

依據有限元模型,在節(jié)點施加荷載,分別計算支撐鋼架在荷載作用下的應力及撓度,計算結果如圖4～圖7所示;對支撐鋼架構件應力比進行統(tǒng)計,統(tǒng)計結果如圖8所示。

依據計算結果可知,支撐鋼架強度最大應力比為0.630,繞2軸穩(wěn)定應力比為0.863,繞3軸穩(wěn)定應力比為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;由支撐鋼架桿件應力分布圖可知,應力比在0～0.1之間的桿件為總桿件數量的53%左右,僅個別桿件應力比大于0.9,因此支撐鋼架桿件的應力冗余度較大,整體安全度較高。

4 安全性鑒定分析

依據檢測結果及支撐鋼架承載力驗算結果,對GRC板材幕墻安全性進行分析,構件、子單元及鑒定單元安全性鑒定評級結果如下:

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;部分支撐鋼架個別桿件存在銹蝕、損傷、變形等情況;板材面板厚度及安裝質量滿足相關規(guī)范要求,面板評級為bu級。支撐構件截面符合原設計圖紙要求,承載力驗算結果滿足規(guī)范要求,支撐結構體系評級為au級。綜合構造合理可靠,符合規(guī)范要求,綜合構造評級為au級。

根據構件評級結果,對子單元進行評級。面板子單元安全性按構造評定為Bu級,支承結構體系子單元安全性評定為Au級,綜合構造安全性評定為Au級。

根據面板子單元、支承結構體系子單元、綜合構造等安全性等級對鑒定單元進行評定,鑒定單元評定等級為Bsu級。

5 結 論

a.對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估方法;對人造板材幕墻進行了整體檢測,并分析了面板損傷的主要成因及使用中的安全隱患。

b.對幕墻支撐鋼架承載力進行了驗算分析,得出應力比在0～0.1之間的桿件為總桿件數量的53%左右,僅個別桿件應力比大于0.9;支撐鋼架桿件的應力冗余度較大,整體安全度較高。

c.為有效預防GRC板材幕墻在后期長期使用中存在的破損墜落風險,應在GRC板材幕墻下方周邊區(qū)域合理設置綠化帶等緩沖區(qū)域,也可采用挑檐、防沖擊雨篷等安全保障措施來應對面板的偶然破裂。同時,定期對GRC板材幕墻進行維護和檢查,對存在安全隱患的面板進行修復和處理,對支撐鋼架構件定期保養(yǎng)和維護。

d.既有人造板材幕墻的安全性鑒定中,幕墻面板的現狀調查及背部錨固點的現場檢測是較為重要的一個環(huán)節(jié),是直接影響幕墻墜落風險系數的關鍵因素,應作為重點項目進行現場檢測。

既有人造板材幕墻的安全性鑒定應在不損傷幕墻結構和盡可能不影響幕墻正常使用的前提下,做到現場檢測項目完整、測量結果準確,從而為既有人造板材幕墻的現時狀況作出準確的鑒定結論。