湛江某項目石材幕墻面板墜落原因分析

廖 拓，蔡 維

（廣東省建設工程質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區。石材幕墻最高標高為104.0 m，石材幕墻面積約11 800 m2，石材面板總數約8 200件。項目所在地區基本風壓為0.80 kN/m2，抗震設防烈度為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計分析，經統計，石材幕墻出現的問題主要分為設計原因、施工原因、環境作用、后期維護及外荷載作用等，其中施工原因占28%。

結合實際情況，本項目將從設計原因、施工原因方面開展分析。設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量、面板安裝質量。

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。

石材的外觀質量、安裝質量檢查均按石材面板總數的1%且不少于5件的比例進行抽樣［4］，本項目石材面板總數為8 200件，因此按均勻分布的原則在現場隨機抽取82件天然花崗巖進行外觀質量、安裝質量檢查。外觀質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 檢查結果及分析

3.1 石材面板承載能力復核結果

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、凍融循環后彎曲強度試驗：GB/T 9966.2—2020》［2］的規定進行，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規范：JGJ133—2001》［5］的要求。石材干燥彎曲強度試驗詳細結果如表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果Tab.1 Test Results of Dry Flexural Strength of Stone

根據文獻［5］的規定，石材面板的允許應力按式⑵計算：

式中：fg1為石材面板允許應力（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力。風荷載設計值W按墻角區取5 291 Pa，石材規格為700 mm×900 mm×厚度25 mm，根據文獻［5］附錄B查表得到石材的最大彎矩系數為0.130 3，石材面板最大彎曲應力按式⑶進行計算：

式中：σ為風荷載作用在板中產生的最大彎曲應力設計值（MPa）；W為風荷載設計值（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。

按式⑵計算得到石材面板允許應力為8.60 MPa，按式⑶計算得到石材面板最大彎曲應力為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果Tab.2 Calculation Results of Bearing Capacity of Stone Panel

3.2 石材面板連接承載能力復核結果

段瑞斌等人［6］認為，掛裝強度是石材掛裝工藝成敗的關鍵，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。風荷載設計值W按墻角區取5 291 Pa，石材規格為700 mm×900 mm×厚度25 mm，單個掛件受拉設計值按式⑷進行計算：

式中：S為風荷載作用下單個掛件的受拉設計值（N）；W為風荷載設計值（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，與單個掛件受拉設計值（1 667 N）進行對比，破壞最大荷載值均大于受拉設計值，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果如表3所示。

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

3.3 石材的外觀質量檢查結果

林啟明［7］在石材幕墻施工監理質量控制中指出，為確保石材幕墻工程質量，必須嚴控材料質量，使用的工程材料必須符合國家相關標準規定。本項目現場隨機抽查82件石材面板的外觀質量，其中72件石材外觀質量良好，10件石材有較嚴重外觀質量缺陷，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，將導致石材在荷載作用下發生斷裂、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，容易在石材內部產生裂紋。

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，有時內部有暗紋，不認真挑選很難被發現，因此加工前應先嚴格進行檢查，發現裂紋及時修補，且修補材料粘結強度不應小于石材的強度。

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。

不少技術人員認為，在規定的裂紋長度范圍內，建筑用天然花崗巖允許存在一定數量的裂紋。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，屬于關鍵受力部位，該部位如有缺陷不得修補，為確保槽口處的質量，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采用手持鋸片現場開槽，開槽尺寸和位置的精度要求難以保證，因此出現掛件處崩邊的問題。

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

3.4 石材的安裝質量檢查結果

現場隨機抽查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場開槽，開槽質量低。掛件與面板脫開的原因，一是施工中未及時調整橫梁的安裝偏差，導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 結果分析

以上結果顯示，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計要求，可排除設計原因導致石材面板墜落。

隨機抽查的石材中，存在外觀嚴重缺陷和安裝質量嚴重缺陷的石材共31件，占抽樣總數的38%，可見本項目存在較大比例的施工缺陷。所發現的施工缺陷，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，均是導致面板墜落的直接因素，可見幕墻施工質量較差是面板墜落的主要原因。

4 結語

經現場檢查、實驗室檢測以及分析驗算，得出以下主要結論：

⑴未發現石材面板及其連接存在系統性問題，原設計方案可行。

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、槽口開裂的石材應立即更換，掛件脫開的石材應立即重新安裝，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注新更換石材的外觀質量、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。