湛江某項目石材幕墻面板墜落原因分析

廖 拓，蔡 維

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州 510500）

1 項目概況

某項目位于湛江市開發(fā)區(qū)。石材幕墻最高標高為104.0 m，石材幕墻面積約11 800 m2，石材面板總數(shù)約8 200件。項目所在地區(qū)基本風壓為0.80 kN/m2，抗震設(shè)防烈度為7度，項目所在地面粗糙度為B類。

本項目石材幕墻為干掛式，石材面板為天然花崗巖，石材面板采用短槽支承方式，石材上下邊各安裝2個蝶形掛件（見圖1）。

圖1 短槽支承方式示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Supporting Mode of Short Groove

2018年9月16日，臺風“山竹”在廣東臺山登陸，登陸時中心附近最大風力14級，風速45 m/s?！吧街瘛痹葡谍嫶?，7級風圈半徑達到350～600 km，“山竹”登陸后至9月17日，對廣東西南部、廣西南部、海南島北部和云南東南部造成了嚴重的風雨影響。本項目石材幕墻在“山竹”中嚴重受損，多處石材面板墜落（見圖2），因此需對石材面板墜落原因進行研究分析，并采取相應(yīng)的處理措施，以確保本項目的安全使用。

圖2 面板墜落情況Fig.2 The Situation of Panel Fall

2 制定研究方案

NATáLIA等人［1］曾對石材幕墻常見問題進行統(tǒng)計分析，經(jīng)統(tǒng)計，石材幕墻出現(xiàn)的問題主要分為設(shè)計原因、施工原因、環(huán)境作用、后期維護及外荷載作用等，其中施工原因占28%。

結(jié)合實際情況，本項目將從設(shè)計原因、施工原因方面開展分析。設(shè)計原因包括面板承載能力、面板連接承載能力，施工原因包括面板外觀質(zhì)量、面板安裝質(zhì)量。

本項目石材面板材料單一，均為天然花崗巖。因此，石材面板承載能力復(fù)核隨機取1組5件天然花崗巖進行干燥彎曲強度試驗［2］，得到干燥彎曲強度實測值，再根據(jù)干燥彎曲強度實測值進行面板承載能力驗算。

石材面板連接承載能力復(fù)核隨機取1組5件天然花崗巖進行掛件組合單元掛裝強度試驗［3］，得到掛件掛裝強度試驗破壞最大荷載值，再根據(jù)掛件掛裝強度試驗破壞最大荷載值進行面板連接承載能力驗算。

石材的外觀質(zhì)量、安裝質(zhì)量檢查均按石材面板總數(shù)的1%且不少于5件的比例進行抽樣［4］，本項目石材面板總數(shù)為8 200件，因此按均勻分布的原則在現(xiàn)場隨機抽取82件天然花崗巖進行外觀質(zhì)量、安裝質(zhì)量檢查。外觀質(zhì)量主要檢查石材面板是否存在裂縫、破損等外觀缺陷［4］，安裝質(zhì)量檢查主要檢查石材的安裝固定方式、固定狀況以及石材是否存在明顯松動［4］。

3 檢查結(jié)果及分析

3.1 石材面板承載能力復(fù)核結(jié)果

干燥彎曲強度試驗按照《天然石材試驗方法第2部分：干燥、水飽和、凍融循環(huán)后彎曲強度試驗：GB/T 9966.2—2020》［2］的規(guī)定進行，試驗得到天然花崗巖破壞荷載，按式⑴計算彎曲強度：

式中：PA為彎曲強度（MPa）；F為試樣破壞荷載（N）；L為下支座間距離（mm）；K為試樣寬度（mm）；H為試樣厚度（mm）。

按式⑴計算5件天然花崗巖干燥彎曲強度單個值為16.4～21.3 MPa，試驗平均值為18.5 MPa，均大于8 MPa，符合《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范：JGJ133—2001》［5］的要求。石材干燥彎曲強度試驗詳細結(jié)果如表1所示，試驗情況如圖3所示。

圖3 石材彎曲強度試驗Fig.3 Flexural Strength Test of Stone

表1 石材干燥彎曲強度試驗詳細結(jié)果Tab.1 Test Results of Dry Flexural Strength of Stone

根據(jù)文獻［5］的規(guī)定，石材面板的允許應(yīng)力按式⑵計算：

式中：fg1為石材面板允許應(yīng)力（MPa）；fgm為石材面板彎曲強度平均值（MPa）。

按石材幕墻的最不利情況取值計算石材面板最大彎曲應(yīng)力。風荷載設(shè)計值W按墻角區(qū)取5 291 Pa，石材規(guī)格為700 mm×900 mm×厚度25 mm，根據(jù)文獻［5］附錄B查表得到石材的最大彎矩系數(shù)為0.130 3，石材面板最大彎曲應(yīng)力按式⑶進行計算：

式中：σ為風荷載作用在板中產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力設(shè)計值（MPa）；W為風荷載設(shè)計值（MPa）；b0為四點支承板的計算長邊邊長（mm）；t為板厚度（mm）；m為四點支承板在均布荷載作用下的最大彎矩系數(shù)。

按式⑵計算得到石材面板允許應(yīng)力為8.60 MPa，按式⑶計算得到石材面板最大彎曲應(yīng)力為5.36 MPa，石材面板承載能力符合標準要求（fg1/（γ0σ）≥1.0），如表2所示。

表2 石材面板承載能力驗算結(jié)果Tab.2 Calculation Results of Bearing Capacity of Stone Panel

3.2 石材面板連接承載能力復(fù)核結(jié)果

段瑞斌等人［6］認為，掛裝強度是石材掛裝工藝成敗的關(guān)鍵，是一項重要的力學性能指標。本項目先按石材幕墻的最不利情況取值計算掛件掛裝強度。風荷載設(shè)計值W按墻角區(qū)取5 291 Pa，石材規(guī)格為700 mm×900 mm×厚度25 mm，單個掛件受拉設(shè)計值按式⑷進行計算：

式中：S為風荷載作用下單個掛件的受拉設(shè)計值（N）；W為風荷載設(shè)計值（MPa）；a為四點支承板的短邊邊長（mm）；b為四點支承板的長邊邊長（mm）。

按式⑷計算得到單個掛件受拉設(shè)計值為1 667 N。

按照文獻［3］進行石材面板掛件組合單元掛裝強度試驗，得到掛件掛裝強度試驗破壞最大荷載值為1 771～1 853 N，與單個掛件受拉設(shè)計值（1 667 N）進行對比，破壞最大荷載值均大于受拉設(shè)計值，石材面板連接承載能力符合標準要求。石材面板掛件掛裝強度試驗詳細結(jié)果如表3所示。

表3 石材面板掛件掛裝強度試驗結(jié)果Tab.3 Test Results of Anchorage Strength of Stone Panel

3.3 石材的外觀質(zhì)量檢查結(jié)果

林啟明［7］在石材幕墻施工監(jiān)理質(zhì)量控制中指出，為確保石材幕墻工程質(zhì)量，必須嚴控材料質(zhì)量，使用的工程材料必須符合國家相關(guān)標準規(guī)定。本項目現(xiàn)場隨機抽查82件石材面板的外觀質(zhì)量，其中72件石材外觀質(zhì)量良好，10件石材有較嚴重外觀質(zhì)量缺陷，缺陷石材占比12%，存在安全隱患。

10件有缺陷的石材中，6件石材存在裂紋（見圖4）。裂紋影響石材強度，將導(dǎo)致石材在荷載作用下發(fā)生斷裂、墜落?；◢弾r石材存在裂紋的主要原因有：

圖4 石材存在裂紋Fig.4 Crack in Stone

⑴晏輝［8］認為石材裂紋的產(chǎn)生，除天然因素外，也可能是因為開采石材所采取的開采方法不合理所造成的。石材荒料開采過程中，如使用相對落后的火藥爆破法或火焰切割法，成材率較低，容易在石材內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。

⑵石材加工前未做好外觀檢查、未修補裂紋?；◢弾r作為天然性材料，有時內(nèi)部有暗紋，不認真挑選很難被發(fā)現(xiàn)，因此加工前應(yīng)先嚴格進行檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋及時修補，且修補材料粘結(jié)強度不應(yīng)小于石材的強度。

⑶在石材安裝、存放、搬運、吊裝過程中未采取有效保護措施，對安裝完成的半成品、成品未采取有效的保護措施，造成石材損壞。

不少技術(shù)人員認為，在規(guī)定的裂紋長度范圍內(nèi)，建筑用天然花崗巖允許存在一定數(shù)量的裂紋。需明確指出的是，允許存在一定裂紋的情況只適用于濕貼石材，《天然花崗石建筑板材：GB/T 18601—2009》［9］中明確規(guī)定干掛板材不允許有裂紋存在。

10件有缺陷的石材中，4件石材掛件處崩邊（見圖5），掛件處崩邊導(dǎo)致石材連接失效，從而造成石材墜落。掛件處即槽口處，屬于關(guān)鍵受力部位，該部位如有缺陷不得修補，為確保槽口處的質(zhì)量，文獻［5］對開槽長度、深度、寬度、槽口處理等均有詳細要求。引起掛件處崩邊的主要原因有：

圖5 石材掛件處崩邊Fig.5 Damage of Stone Anchorage Part

⑴采用手持鋸片現(xiàn)場開槽，開槽尺寸和位置的精度要求難以保證，因此出現(xiàn)掛件處崩邊的問題。

⑵石材掛件與石材間未用環(huán)氧樹脂膠填充隔離。剛性的石材掛件與脆性的石材直接接觸，當受到應(yīng)力的影響時，與不銹鋼掛件直接接觸的槽口部位石材發(fā)生破損。

3.4 石材的安裝質(zhì)量檢查結(jié)果

現(xiàn)場隨機抽查82件石材面板的安裝情況，其中61件石材面板的安裝情況較好，21件石材的安裝情況存在較嚴重缺陷，缺陷石材占比26%，比例較大，存在較大安全隱患。

21件存在缺陷的石材中，6件石材為槽口開裂（見圖6），15件石材為掛件與面板脫開（見圖7），是造成石材面板墜落的重要因素。王作虎等人［10］的研究中，也提出石材面板脫落往往是由于石材與連接件的連接失效造成的。

圖6 石材槽口開裂Fig.6 Stone Groove Cracking

圖7 石材掛件與面板脫開Fig.7 Anchorage and Stone Panel Disengage

石材槽口開裂的原因主要是采用手持鋸片現(xiàn)場開槽，開槽質(zhì)量低。掛件與面板脫開的原因，一是施工中未及時調(diào)整橫梁的安裝偏差，導(dǎo)致掛件無法插入槽口，二是工人為趕進度偷工減料，不按圖施工。

3.5 結(jié)果分析

以上結(jié)果顯示，石材面板承載能力、石材面板連接承載能力均符合標準和設(shè)計要求，可排除設(shè)計原因?qū)е率拿姘鍓嬄洹?/p>

隨機抽查的石材中，存在外觀嚴重缺陷和安裝質(zhì)量嚴重缺陷的石材共31件，占抽樣總數(shù)的38%，可見本項目存在較大比例的施工缺陷。所發(fā)現(xiàn)的施工缺陷，無論是石材裂紋、掛件處崩邊還是槽口開裂、掛件與面板脫開，均是導(dǎo)致面板墜落的直接因素，可見幕墻施工質(zhì)量較差是面板墜落的主要原因。

4 結(jié)語

經(jīng)現(xiàn)場檢查、實驗室檢測以及分析驗算，得出以下主要結(jié)論：

⑴未發(fā)現(xiàn)石材面板及其連接存在系統(tǒng)性問題，原設(shè)計方案可行。

⑵石材面板存在較大比例的施工缺陷，需對本項目石材幕墻進行全面排查。

⑶無缺陷的石材面板和掛件可保留使用，存在裂紋、崩邊、槽口開裂的石材應(yīng)立即更換，掛件脫開的石材應(yīng)立即重新安裝，才能確保本項目石材幕墻的安全使用。

⑷處理過程中需重點關(guān)注新更換石材的外觀質(zhì)量、開槽工藝、掛件安裝情況等，并做好施工過程中的石材保護措施。