某既有人造板材幕墙安全性鉴定研究

万少强,李旭光,赵士永,吴 磊

(河北省建筑科学研究院有限公司,石家庄 050021)

建筑幕墙是由金属构件与各种板材组成的悬挂在主体结构之上、不承担主体结构荷载与作用的建筑物外围护结构[1]。通常按面板材料将建筑幕墙划分为玻璃幕墙、铝合金幕墙、石材幕墙及人造板材幕墙等。

人造板材幕墙是面板材料为人造外墙板(除玻璃和金属与天然石材板以外)的建筑幕墙,包括瓷板幕墙、陶板幕墙、微晶玻璃幕墙、石材蜂窝板幕墙、高压热固化木纤维板幕墙和纤维增强水泥板幕墙[2]。人造板材是在玻璃和石材之外的新型外墙材料,相较于玻璃幕墙的广泛应用,针对人造板材幕墙的产品标准、工程技术应用研究及安全性评价少有论述。论文以某文化艺术中心人造GRC镀铜板幕墙为例,对其安全性鉴定进行研究分析,为开放式人造板材幕墙[3]的安全性鉴定提供一定的理论借鉴。

1 人造板材幕墙鉴定标准概述

人造板材作为新型幕墙材料,国外在应用上主要采取产品的应用技术认证,如法国的 CSTB 认证和英国的 BBA 认证等;其在幕墙工程中的技术应用信息主要来自板材生产者的产品应用技术手册。我国于2016年颁布了《人造板材幕墙工程技术规范》JGJ336—2016,是继《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102—2003和《金属和石材幕墙工程技术规范》JGJ133—2001后的第三项幕墙行业标准,标志着我国在建筑幕墙行业标准化建设中的新进展,引领着我国建筑幕墙工程技术的新发展。

自2001年至今,新建幕墙设计标准及验收、质量检验评定标准已经得到逐步完善[4],工程验收类如 《玻璃幕墙工程质量检验标准》JGJ/T139—2001和 《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102—2003等;结构密封胶类标准如 《建筑用硅酮结构密封胶》GB16776—2005和《幕墙玻璃接缝用密封胶》JC/T 882-2001等;安全性评估类如上海市颁布《玻璃幕墙安全性能检测评估技术规程》DG/T J08-803—2013、山东省颁布《既有玻璃幕墙检验评估技术规程》DBJ/T 14-096—2013等;然而,上述质量验收评定类、结构密封胶类及安全性评估类规范标准主要针对玻璃幕墙,尚无既有人造板材类幕墙的安全性评估标准作为相关工程的依据标准。

2 人造板材幕墙安全性鉴定评级

论文依据相关规范标准、幕墙施工过程中的技术要求及验收标准对某艺术中心人造板材幕墙开展安全性鉴定研究与分析,建立既有人造板材幕墙安全性评估方法。

既有人造板材幕墙的安全性鉴定评级应按构件(含节点、连接)、子单元和鉴定单元分三个层次,每一层次分为四个安全性等级,并按规定的检查项目和步骤,分层评级,最终确定人造板材幕墙的安全等级。1)人造板材幕墙构件的安全性鉴定应按承载力、破损和变形、构造三个检查项目分别评级,并取其中较低等级作为构件的安全性等级。2)人造板材幕墙子单元鉴定评级,按面板子单元、支承结构体系子单元及幕墙结构的整体性等级进行评定。3)人造板材幕墙鉴定单元的安全性鉴定评级,根据面板子单元、支承结构体系子单元等的安全性等级、综合构造及与幕墙有关的其他安全问题进行评定。

3 案例分析

3.1 工程概况

某文化艺术中心为地下一层、地上六层的钢筋混凝土框架剪力墙结构,建筑面积119 371 m2,约于2012年底建成。建筑物外装饰部分区域为幕墙装饰,幕墙采用GRC镀铜轻质挂板,属于人造板材;GRC板面与背附自支撑钢框架组成挂板,挂板通过支撑钢架与主体结构的外围钢桁架连接。

3.2 检测项目

该工程检测项目为面板现状调查、面板背附钢架及锚固节点检测、支撑钢架截面尺寸检测及承载力验算、支撑钢架与主体结构连接调查,以面板层为第一层次,由外向里分层进行。

幕墙部分区域板材表面污损开裂、镀铜层起皮、脱落,凸起造型处开裂、破损;部分支撑钢架个别杆件存在锈蚀、损伤、变形等情况。面板破损情况如图1、图2所示,支撑钢架损伤现状如图3所示。锚固节点及支撑钢架与主体结构钢桁架连接节点处未见明显损伤,钢架构件截面尺寸、幕墙面板厚度及安装质量满足要求。

3.3 损伤分析

GRC镀铜板是采用GRC板材作为基相材料,在其表面电镀一层铜并经进一步仿古处理所制得[5]。因其制备工艺的特殊性及背部钢架与面板连接节点处在电镀工艺中的不成熟性,板材制备过程中硫酸溶液等腐蚀性液体对面板基材、背部钢架及预埋件造成腐蚀,致使面板表面鼓包、严重时表面酥松、粉化脱落,背部钢架及预埋件断面尺寸减小,降低结构安全储备,使幕墙存在一定的坠落风险。同时,面板表层的金属镀层与面板基材的热膨胀系数的不同导致镀铜层剥落、空壳,影响建筑物整体使用性及美观性。

3.4 面板预埋钢筋连接分析

GRC面板预埋连接钢筋以3×7的排列方式共设21个预埋点,预埋钢筋与背附钢架焊接组成GRC挂板。GRC挂板自身质量约0.9 kN。在面板自重作用下,锚固点钢筋所受剪力设计值约为0.23 kN。经计算预埋连接钢筋的受剪承载力为9.8 kN,具有较高的安全冗余度,且现场检测中预埋节点未发现明显损伤。同时,为防止面板基材在预埋钢筋拉力作用下的锥体破坏,可通过焊端锚板或设置钢筋网片与预埋钢筋连接的构造措施增强受力性能,从而有效降低面板后期使用中的破损坠落风险。

3.5 支撑钢架受力分析

该GRC幕墙所在地区基本风压w0=0.35 kN/m2,地面粗糙度类别为B类,抗震设防烈度为7°,地震峰值加速度为0.15g,设计地震分组为第二组,抗震设防类别:乙类。主龙骨及横梁采用 60 mm×60 mm×5 mm冷轧方钢管,斜撑采用50 mm×30 mm×4 mm冷轧方钢管,横梁加劲肋为6 mm厚钢板,材质均为 Q235。

3.5.1 幕墙荷载计算

依据设计图纸,对GRC幕墙受荷最不利区域进行荷载统计及组合,荷载主要包括自重荷载、风荷载及地震荷载。荷载统计及组合如表1所示。

表1 幕墙荷载统计及组合

3.5.2 有限元建模分析

有限元的建模过程主要分为结构建模、添加杆件、材料的本构关系、施加约束与荷载。

依据有限元模型,在节点施加荷载,分别计算支撑钢架在荷载作用下的应力及挠度,计算结果如图4～图7所示;对支撑钢架构件应力比进行统计,统计结果如图8所示。

依据计算结果可知,支撑钢架强度最大应力比为0.630,绕2轴稳定应力比为0.863,绕3轴稳定应力比为0.906,γ0S/R均小于1,支撑钢架承载力满足要求;支撑钢架最大挠度为10.200 mm,小于挠度限值7 400/250=29.6 mm,支撑钢架最大变形满足要求;由支撑钢架杆件应力分布图可知,应力比在0～0.1之间的杆件为总杆件数量的53%左右,仅个别杆件应力比大于0.9,因此支撑钢架杆件的应力冗余度较大,整体安全度较高。

4 安全性鉴定分析

依据检测结果及支撑钢架承载力验算结果,对GRC板材幕墙安全性进行分析,构件、子单元及鉴定单元安全性鉴定评级结果如下:

该既有人造板材幕墙部分区域板材表面污损开裂、镀铜层起皮、脱落,凸起造型处开裂、破损;部分支撑钢架个别杆件存在锈蚀、损伤、变形等情况;板材面板厚度及安装质量满足相关规范要求,面板评级为bu级。支撑构件截面符合原设计图纸要求,承载力验算结果满足规范要求,支撑结构体系评级为au级。综合构造合理可靠,符合规范要求,综合构造评级为au级。

根据构件评级结果,对子单元进行评级。面板子单元安全性按构造评定为Bu级,支承结构体系子单元安全性评定为Au级,综合构造安全性评定为Au级。

根据面板子单元、支承结构体系子单元、综合构造等安全性等级对鉴定单元进行评定,鉴定单元评定等级为Bsu级。

5 结 论

a.对某既有人造板材幕墙开展安全性鉴定研究与分析,建立既有人造板材幕墙安全性评估方法;对人造板材幕墙进行了整体检测,并分析了面板损伤的主要成因及使用中的安全隐患。

b.对幕墙支撑钢架承载力进行了验算分析,得出应力比在0～0.1之间的杆件为总杆件数量的53%左右,仅个别杆件应力比大于0.9;支撑钢架杆件的应力冗余度较大,整体安全度较高。

c.为有效预防GRC板材幕墙在后期长期使用中存在的破损坠落风险,应在GRC板材幕墙下方周边区域合理设置绿化带等缓冲区域,也可采用挑檐、防冲击雨篷等安全保障措施来应对面板的偶然破裂。同时,定期对GRC板材幕墙进行维护和检查,对存在安全隐患的面板进行修复和处理,对支撑钢架构件定期保养和维护。

d.既有人造板材幕墙的安全性鉴定中,幕墙面板的现状调查及背部锚固点的现场检测是较为重要的一个环节,是直接影响幕墙坠落风险系数的关键因素,应作为重点项目进行现场检测。

既有人造板材幕墙的安全性鉴定应在不损伤幕墙结构和尽可能不影响幕墙正常使用的前提下,做到现场检测项目完整、测量结果准确,从而为既有人造板材幕墙的现时状况作出准确的鉴定结论。