湛江某项目石材幕墙面板坠落原因分析

廖 拓，蔡 维

（广东省建设工程质量安全检测总站有限公司 广州 510500）

1 项目概况

某项目位于湛江市开发区。石材幕墙最高标高为104.0 m，石材幕墙面积约11 800 m2，石材面板总数约8 200件。项目所在地区基本风压为0.80 kN/m2，抗震设防烈度为7度，项目所在地面粗糙度为B类。

本项目石材幕墙为干挂式，石材面板为天然花岗岩，石材面板采用短槽支承方式，石材上下边各安装2个蝶形挂件（见图1）。

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

2018年9月16日，台风“山竹”在广东台山登陆，登陆时中心附近最大风力14级，风速45 m/s。“山竹”云系庞大，7级风圈半径达到350～600 km，“山竹”登陆后至9月17日，对广东西南部、广西南部、海南岛北部和云南东南部造成了严重的风雨影响。本项目石材幕墙在“山竹”中严重受损，多处石材面板坠落（见图2），因此需对石材面板坠落原因进行研究分析，并采取相应的处理措施，以确保本项目的安全使用。

图2 面板坠落情况Fig.2 The Situation of Panel Fall

2 制定研究方案

NATÁLIA等人［1］曾对石材幕墙常见问题进行统计分析，经统计，石材幕墙出现的问题主要分为设计原因、施工原因、环境作用、后期维护及外荷载作用等，其中施工原因占28%。

结合实际情况，本项目将从设计原因、施工原因方面开展分析。设计原因包括面板承载能力、面板连接承载能力，施工原因包括面板外观质量、面板安装质量。

本项目石材面板材料单一，均为天然花岗岩。因此，石材面板承载能力复核随机取1组5件天然花岗岩进行干燥弯曲强度试验［2］，得到干燥弯曲强度实测值，再根据干燥弯曲强度实测值进行面板承载能力验算。

石材面板连接承载能力复核随机取1组5件天然花岗岩进行挂件组合单元挂装强度试验［3］，得到挂件挂装强度试验破坏最大荷载值，再根据挂件挂装强度试验破坏最大荷载值进行面板连接承载能力验算。

石材的外观质量、安装质量检查均按石材面板总数的1%且不少于5件的比例进行抽样［4］，本项目石材面板总数为8 200件，因此按均匀分布的原则在现场随机抽取82件天然花岗岩进行外观质量、安装质量检查。外观质量主要检查石材面板是否存在裂缝、破损等外观缺陷［4］，安装质量检查主要检查石材的安装固定方式、固定状况以及石材是否存在明显松动［4］。

3 检查结果及分析

3.1 石材面板承载能力复核结果

干燥弯曲强度试验按照《天然石材试验方法第2部分：干燥、水饱和、冻融循环后弯曲强度试验：GB/T 9966.2—2020》［2］的规定进行，试验得到天然花岗岩破坏荷载，按式⑴计算弯曲强度：

式中：PA为弯曲强度（MPa）；F为试样破坏荷载（N）；L为下支座间距离（mm）；K为试样宽度（mm）；H为试样厚度（mm）。

按式⑴计算5件天然花岗岩干燥弯曲强度单个值为16.4～21.3 MPa，试验平均值为18.5 MPa，均大于8 MPa，符合《金属与石材幕墙工程技术规范：JGJ133—2001》［5］的要求。石材干燥弯曲强度试验详细结果如表1所示，试验情况如图3所示。

图3 石材弯曲强度试验Fig.3 Flexural Strength Test of Stone

表1 石材干燥弯曲强度试验详细结果Tab.1 Test Results of Dry Flexural Strength of Stone

根据文献［5］的规定，石材面板的允许应力按式⑵计算：

式中：fg1为石材面板允许应力（MPa）；fgm为石材面板弯曲强度平均值（MPa）。

按石材幕墙的最不利情况取值计算石材面板最大弯曲应力。风荷载设计值W按墙角区取5 291 Pa，石材规格为700 mm×900 mm×厚度25 mm，根据文献［5］附录B查表得到石材的最大弯矩系数为0.130 3，石材面板最大弯曲应力按式⑶进行计算：

式中：σ为风荷载作用在板中产生的最大弯曲应力设计值（MPa）；W为风荷载设计值（MPa）；b0为四点支承板的计算长边边长（mm）；t为板厚度（mm）；m为四点支承板在均布荷载作用下的最大弯矩系数。

按式⑵计算得到石材面板允许应力为8.60 MPa，按式⑶计算得到石材面板最大弯曲应力为5.36 MPa，石材面板承载能力符合标准要求（fg1/（γ0σ）≥1.0），如表2所示。

表2 石材面板承载能力验算结果Tab.2 Calculation Results of Bearing Capacity of Stone Panel

3.2 石材面板连接承载能力复核结果

段瑞斌等人［6］认为，挂装强度是石材挂装工艺成败的关键，是一项重要的力学性能指标。本项目先按石材幕墙的最不利情况取值计算挂件挂装强度。风荷载设计值W按墙角区取5 291 Pa，石材规格为700 mm×900 mm×厚度25 mm，单个挂件受拉设计值按式⑷进行计算：

式中：S为风荷载作用下单个挂件的受拉设计值（N）；W为风荷载设计值（MPa）；a为四点支承板的短边边长（mm）；b为四点支承板的长边边长（mm）。

按式⑷计算得到单个挂件受拉设计值为1 667 N。

按照文献［3］进行石材面板挂件组合单元挂装强度试验，得到挂件挂装强度试验破坏最大荷载值为1 771～1 853 N，与单个挂件受拉设计值（1 667 N）进行对比，破坏最大荷载值均大于受拉设计值，石材面板连接承载能力符合标准要求。石材面板挂件挂装强度试验详细结果如表3所示。

表3 石材面板挂件挂装强度试验结果Tab.3 Test Results of Anchorage Strength of Stone Panel

3.3 石材的外观质量检查结果

林启明［7］在石材幕墙施工监理质量控制中指出，为确保石材幕墙工程质量，必须严控材料质量，使用的工程材料必须符合国家相关标准规定。本项目现场随机抽查82件石材面板的外观质量，其中72件石材外观质量良好，10件石材有较严重外观质量缺陷，缺陷石材占比12%，存在安全隐患。

10件有缺陷的石材中，6件石材存在裂纹（见图4）。裂纹影响石材强度，将导致石材在荷载作用下发生断裂、坠落。花岗岩石材存在裂纹的主要原因有：

图4 石材存在裂纹Fig.4 Crack in Stone

⑴晏辉［8］认为石材裂纹的产生，除天然因素外，也可能是因为开采石材所采取的开采方法不合理所造成的。石材荒料开采过程中，如使用相对落后的火药爆破法或火焰切割法，成材率较低，容易在石材内部产生裂纹。

⑵石材加工前未做好外观检查、未修补裂纹。花岗岩作为天然性材料，有时内部有暗纹，不认真挑选很难被发现，因此加工前应先严格进行检查，发现裂纹及时修补，且修补材料粘结强度不应小于石材的强度。

⑶在石材安装、存放、搬运、吊装过程中未采取有效保护措施，对安装完成的半成品、成品未采取有效的保护措施，造成石材损坏。

不少技术人员认为，在规定的裂纹长度范围内，建筑用天然花岗岩允许存在一定数量的裂纹。需明确指出的是，允许存在一定裂纹的情况只适用于湿贴石材，《天然花岗石建筑板材：GB/T 18601—2009》［9］中明确规定干挂板材不允许有裂纹存在。

10件有缺陷的石材中，4件石材挂件处崩边（见图5），挂件处崩边导致石材连接失效，从而造成石材坠落。挂件处即槽口处，属于关键受力部位，该部位如有缺陷不得修补，为确保槽口处的质量，文献［5］对开槽长度、深度、宽度、槽口处理等均有详细要求。引起挂件处崩边的主要原因有：

图5 石材挂件处崩边Fig.5 Damage of Stone Anchorage Part

⑴采用手持锯片现场开槽，开槽尺寸和位置的精度要求难以保证，因此出现挂件处崩边的问题。

⑵石材挂件与石材间未用环氧树脂胶填充隔离。刚性的石材挂件与脆性的石材直接接触，当受到应力的影响时，与不锈钢挂件直接接触的槽口部位石材发生破损。

3.4 石材的安装质量检查结果

现场随机抽查82件石材面板的安装情况，其中61件石材面板的安装情况较好，21件石材的安装情况存在较严重缺陷，缺陷石材占比26%，比例较大，存在较大安全隐患。

21件存在缺陷的石材中，6件石材为槽口开裂（见图6），15件石材为挂件与面板脱开（见图7），是造成石材面板坠落的重要因素。王作虎等人［10］的研究中，也提出石材面板脱落往往是由于石材与连接件的连接失效造成的。

图6 石材槽口开裂Fig.6 Stone Groove Cracking

图7 石材挂件与面板脱开Fig.7 Anchorage and Stone Panel Disengage

石材槽口开裂的原因主要是采用手持锯片现场开槽，开槽质量低。挂件与面板脱开的原因，一是施工中未及时调整横梁的安装偏差，导致挂件无法插入槽口，二是工人为赶进度偷工减料，不按图施工。

3.5 结果分析

以上结果显示，石材面板承载能力、石材面板连接承载能力均符合标准和设计要求，可排除设计原因导致石材面板坠落。

随机抽查的石材中，存在外观严重缺陷和安装质量严重缺陷的石材共31件，占抽样总数的38%，可见本项目存在较大比例的施工缺陷。所发现的施工缺陷，无论是石材裂纹、挂件处崩边还是槽口开裂、挂件与面板脱开，均是导致面板坠落的直接因素，可见幕墙施工质量较差是面板坠落的主要原因。

4 结语

经现场检查、实验室检测以及分析验算，得出以下主要结论：

⑴未发现石材面板及其连接存在系统性问题，原设计方案可行。

⑵石材面板存在较大比例的施工缺陷，需对本项目石材幕墙进行全面排查。

⑶无缺陷的石材面板和挂件可保留使用，存在裂纹、崩边、槽口开裂的石材应立即更换，挂件脱开的石材应立即重新安装，才能确保本项目石材幕墙的安全使用。

⑷处理过程中需重点关注新更换石材的外观质量、开槽工艺、挂件安装情况等，并做好施工过程中的石材保护措施。