既有石材幕墙的复核及挂件挂接安全的探讨

2023-09-01陈显文王文博黄炳生

山西建筑 2023年18期

关键词：结构胶挂件槽口

陈显文，王文博，黄炳生

(南京工大建设工程技术有限公司,江苏南京 210009)

0 引言

近几十年中房地产业在我国迅猛发展,新建建筑如春笋般拔地而起。其中石材幕墙具有外形庄重、形象佳等优点,广泛地应用于公共建筑物的外墙。

由于我国幕墙专项起步较晚,目前设计图纸对于安装细节的表达不全面,且国家的相关施工验收标准及检测检验规范也是在边摸索、边总结、边更新中。

本文针对近年来部分外墙装饰面板的坠落事件的总结,通过石材幕墙石板与挂件的连接计算及一工程检验实例,对安装过程中铝合金挂件于石材面板石槽中的挂接安全及相关检验提出自己的思考。

1 工程实例简介

江苏地区某大型场馆:主体为九层框架结构,平面尺寸为96.20 m×79.40 m,檐口高度为40.20 m,X,Y两方向柱网间距均为8.40 m。幕墙在建筑平面位置示意图见图1。

2 幕墙面板的分类

根据幕墙面板的材质,幕墙大致分为:金属幕墙、石材幕墙及玻璃幕墙,还有少见的人造石板幕墙等。

本场馆室外水平吊顶部分设置铝板幕墙,竖向外墙部分设置石材幕墙(开放式)。幕墙立面示意图如图2所示。

3 石板幕墙的支承分类

根据幕墙石板四周结构受力型式,石板支承分为钢销支承(见图3)、短槽支承和通槽支承(即四周全部开槽)。

钢销支承:顾名思义,石板四周设有孔洞,插入钢销来连接,以承担自身的重力和风荷载及地震等其他偶然荷载带来的水平力;钢销和连接板应采用不锈钢。

短槽支承和通槽支承:实则为石板四周的连接孔在长度方向变得更大,以至通长;其挂钩和连接件可为铝合金件或不锈钢件。

本场馆石材幕墙其石板采用短槽支承,且为两侧(对边)连接的支承方式。

4 石材面板及短槽支承的计算

《金属与石材幕墙工程技术规范》[1]中 5.5.7—8条规定(本文引用条文及计算公式如未注明,则均为该规范,下同):幕墙石板的抗弯及短槽支承的抗剪设计应符合规范规定[2]。

4.1 石材的最大弯曲应力计算

1)风荷载基本参数:基本风压值为W0=0.45 kN/m2(按100 a),地面粗糙度类别B类,计算标高取40.2 m(风压高度变化系数μz=1.518)。

2)幕墙上的风荷载标准值计算公式见式(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)幕墙的分布水平地震作用标准值(见式(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)石材板块荷载和作用效应组合设计值(见式(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条),取γE=1.4 (5.1.6及GB 55002中4.3.2条)。

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)石板面板的抗弯设计复核:

本幕墙石板为四点支承,且为对边支承,石板尺寸为0.60 m×1.40 m,厚30 mm,见图4。

根据5.5.8及5.5.4条,该石板的最大弯曲应力设计值计算公式见式(4):

(4)

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

即石板的抗弯强度满足规范要求(见图5)。

4.2 石材挂钩的抗剪强度计算

幕墙石板与主体表面的龙骨采用挂钩(俗称托板)连接,其样式以前多为T型,但由于其不便于后期中间损伤石材板块的更换及维修,近年来多采用SE型挂件。本场馆的石材挂钩设计为SE型挂件(宽度50 mm,厚度为4 mm,铝合金材质),见图6,图7[3]。

1)支承结构荷载和作用效应组合设计值(壁厚为4 mm,材质为铝6063-TS):支承结构的石板从属面积:A=0.6 m×1.4 m=0.84 m2≤1.0 m2;按GB 50009—2012建筑结构荷载规范第8.3.4-1条,局部体型系数折减系数为1.0。故支承结构的风荷载标准值及分布水平地震作用标准值均同幕墙上的荷载标准值[4-5]。

支承结构荷载和作用效应组合设计值计算公式见式(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)挂件的抗剪设计复核:挂件为两侧连接,故n=2;挂件长50 mm,厚度4 mm,则Ap=50×4=200 mm2。根据5.5.7-1条,其挂件应符合式(6):

(6)

即铝合金挂件的抗剪强度满足规范要求。

4.3 石板槽口的抗剪强度计算

本项目石材面板槽口按两侧开槽设计(圆弧槽,单个槽底总长度s=111 mm,槽口宽度c=10 mm,详见图8)。

根据5.5.7-2条,挂钩在槽口边产生的剪应力应符合式(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)

即槽口处石材抗剪强度满足规范要求。

4.4 槽口处石板抗剪强度破坏面的探讨

式(7)中槽口石板的计算破坏线为圆弧形,详见图9,则其计算的假定前提为:结构胶于石板槽口处底部破坏,非铝合金挂件周边处破坏。

该假定前提的必要条件为:1)挂件充分插入结构胶中(将主体龙骨的支承力传递到石板槽口的结构胶中)。2)结构胶充满石板槽口中(将挂件支承力传递到槽口处整个石板)。3)石板槽口内结构胶已完全凝固且强度满足要求(结构胶自身能承受该支承力)。

而施工中:由于与主体连接的铝合金龙骨其施工定位的误差,导致多数铝合金挂件无法完全插入石板槽口槽底中,即铝合金挂件与石板槽口无法重叠100%;结构胶未充满石槽或结构胶未起充分黏结作用常有发生(槽口灰尘未清理干净等);结构胶的凝固也需要时间。

故以上必要条件如有一项不满足,槽口石板的抗剪强度能否满足要求?

5 结构胶失效下槽口石板的抗剪强度验算

目前幕墙结构采用的结构胶均要求为环氧树脂胶(6.3.7条),其优点为有弹性、抗老化能力强,但其缺点是施工时比不饱和聚酯树脂胶(俗称云石胶)凝固时间长。故施工中存在结构胶未及时凝固、甚至石板槽口无结构胶填充或后期结构胶老化、失效的状态,此时槽口石板于铝合金挂件的周边破坏线应沿挂件四周,详见图10。

该验算的主要影响条件为铝合金挂件插入槽口的深度h(幕墙设计意向图及二次深化设计图纸中,铝合金挂件插入石板石槽深度均少见说明)。假定铝合金挂件插入深度为h(考虑铝合金挂件的内折角及石材的毛边,与槽口石板重叠的计算深度取h0=h-2 mm),即挂件周边破坏线为s=2×h0+50 mm[6]。

荷载和作用效应组合设计值于施工中验算一般不考虑地震组合,但施工后状态则需考虑地震组合,故本验算荷载取较大组合设计值考虑。根据5.5.7-2条,挂钩在槽口中的挂件边产生的剪应力需满足式(8):

(8)

求得h≥4.07 mm,取h=5 mm。

即本铝合金挂件槽深15 mm,需插入5 mm,槽口石板于铝合金挂件周边的抗剪强度可满足结构胶失效状态下的要求(含施工中要求)。

6 结构胶未充满石板槽口的其他危害

6.1 云石胶的禁用

石材幕墙工程兴起的初期,石槽处挂件的临时固定均采用云石胶(价格低,施工速度快),但经过实践的检验,发现其抗老化能力弱,随着时间推移,云石胶逐渐硬化,微膨胀(石板槽口撑坏),再变脆、失效,从而导致幕墙石材面板的坠落。目前不饱和树脂胶已被禁止在石材幕墙等工程主体上使用。

6.2 石材幕墙的雨水防护措施

JGJ 133—2001中7.3.4-3条,虽然明确石材幕墙安装时必须有防水措施,但安装后的防水要求依旧应该被重视。

因石材面板与主体龙骨之间存在空隙,雨水宜灌入其缝隙中或石材面板的上边短槽口中(结构胶未充满石板槽口时),北方地区冬天将会结冰、膨胀(水变成冰,体积将增大10%),将会导致石材面板损坏或石板槽口撑坏。

本检验项目的石材幕墙为开放式幕墙,且经检验:部分结构胶未充满石板槽口。故该石材幕墙在冬季存在雨水冻害的隐患。

7 现场检测结论

借助于工业内窥镜,经现场检验,本项目石材幕墙存在:1)零星石材面板缺失挂件(与主体连接的铝合金龙骨前期施工定位精确度低,导致后期石材面板的挂件长度无法匹配,无法挂接)。2)部分石槽内结构胶未充满或石槽内灰尘未清理干净。3)石材幕墙其铝合金挂件于石槽中的深度大小不一,但多数深度超过挂件长度的50%,约7 mm。后经专家组评审,统一要求:整改后的铝合金挂件于石槽中深度不小于8 mm,有力地保证了后期使用中的安全。