巖棉板在超高層建筑中的應(yīng)用

巖棉板在超高層建筑中的應(yīng)用

近年來，南京中軸線國際廣場、哈爾濱360雙子興大廈、濟(jì)南亞運(yùn)中心、北京新聞廣播中心、上海膠州教師別墅、沈陽王朝萬鑫大廈相繼發(fā)生建筑外材料火災(zāi)，造成嚴(yán)重的人員破壞和財(cái)產(chǎn)損失。建筑的快速建成和可持續(xù)的外部材料已經(jīng)成為一個(gè)新的火災(zāi)隱患，由此引發(fā)的火災(zāi)呈現(xiàn)出總體趨勢(shì)。為深刻吸取火災(zāi)事故教訓(xùn),公安部于2011年3月14日下文,自2011年3月15日起,民用建筑外保溫材料采用燃燒性能為A級(jí)的材料。由此巖棉板作為無機(jī)不燃材料,具有導(dǎo)熱系數(shù)小,保溫性能高,透氣性好等優(yōu)點(diǎn)在全國各地外墻外保溫工程中普遍使用。巖棉板作為外墻保溫材料在歐洲20世紀(jì)70年代末、80年代初就已經(jīng)被采用。在國外巖棉被稱為“第五常規(guī)能源”,尤其是歐洲的建筑市場中大量使用巖棉制品,北歐人均消耗量在20kg以上,美國人均消耗量為5~10kg,前蘇聯(lián)人均消耗量也在5kg以上。但巖棉板也有自身的一些缺點(diǎn),如:密度大,層狀結(jié)構(gòu)易變形翹曲,切塊時(shí)易產(chǎn)生粉塵等,使得人們?cè)谑褂弥蟹浅Ｖ?jǐn)慎。同時(shí),我國人多地少,民用建筑大多為中高層建筑,對(duì)外保溫的耐久性與抗災(zāi)性能要求亦更高。巖棉板雖然在這兩方面都具有突出優(yōu)勢(shì),但巖棉板薄抹灰系統(tǒng)在我國還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),其粘結(jié)性能、抗裂性能、防墜落措施等可借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少,尤其巖棉板薄抹灰系統(tǒng)在超高層建筑中使用還未見報(bào)道。巖棉板與其他保溫材料在導(dǎo)熱系數(shù)、防火性能、保溫性能、保溫系統(tǒng)與施工工藝特點(diǎn)等方面的比較如表1所示。從表1可知,巖棉板具有優(yōu)良的保溫、不燃等優(yōu)異性能,已越來越受到建筑外墻外保溫的關(guān)注。本文結(jié)合安徽省合肥市萬達(dá)廣場超高層建筑應(yīng)用巖棉板薄抹灰系統(tǒng)的成功實(shí)例,分析和解決其抗風(fēng)壓、抗剪切、防墜落等措施,為類似工程提供借鑒。1外墻外保溫設(shè)計(jì)根據(jù)合肥萬達(dá)商業(yè)廣場位于合肥市蕪湖路與巢湖路交口,建筑地上47層,地下2層,其中地上1、2層為小型商業(yè)網(wǎng)點(diǎn);建筑總高度150m,建筑工程等級(jí)一級(jí),抗震設(shè)防烈度7度,設(shè)計(jì)使用年限50年。填充墻采用加氣混凝土砌塊,其他均為剪力墻,1~5層為干掛石材幕墻,其余為涂料飾面。外墻外保溫設(shè)計(jì)為巖棉板薄抹灰系統(tǒng),巖棉板厚度為40mm,導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.044W/(m·K),燃燒性能A級(jí),干密度為180kg/m3,耐堿網(wǎng)格布為加強(qiáng)型,單位面積質(zhì)量為300g/m2,單個(gè)錨釘?shù)睦纬休d力不小于0.60kN,巖棉板外墻飾面為涂料。巖棉板外墻外保溫系統(tǒng)構(gòu)造示意見圖1。2錨栓量的確定本工程建筑高度達(dá)到150m,風(fēng)荷載作用非常大,如何確保在負(fù)風(fēng)壓作用下保溫系統(tǒng)不會(huì)受拉脫落,在側(cè)向風(fēng)和自重作用下不會(huì)受剪切而破壞是保溫系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)。本文先對(duì)保溫系統(tǒng)所承受的風(fēng)荷載進(jìn)行理論計(jì)算,由此驗(yàn)算保溫系統(tǒng)的粘結(jié)性能,確定不同高度所需的錨栓數(shù)量。根據(jù)材料特點(diǎn)和施工工藝確定錨栓位置,從系統(tǒng)的整體受力進(jìn)行整體豎向抗剪驗(yàn)算,并采取不銹鋼托架的有效構(gòu)造措施,以保證外保溫系統(tǒng)抗變形能力和安全性。2.1錨栓的數(shù)量確定對(duì)巖棉板所承受的風(fēng)壓大小進(jìn)行理論計(jì)算,由此確定不同部位的錨栓數(shù)量;然后,考慮錨栓不參加工作、巖棉板吸水和考慮錨栓的作用這三種情況進(jìn)行系統(tǒng)地抗風(fēng)壓和豎向抗剪驗(yàn)算。2.1.1錨栓抗拉力驗(yàn)算1)垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值見式(1):式中:ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2;βz為高度Z處的風(fēng)振系數(shù);μs為風(fēng)荷載體型系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);ω0為基本風(fēng)壓,kN/m2。本工程,地面粗糙度取C類,即指有密集建筑群的城市市區(qū);離地面高度按50,100,150m三種高度計(jì)算;基本風(fēng)壓按100年一遇計(jì)算,對(duì)于合肥地區(qū)基本風(fēng)壓取0.40kN/m2。a.風(fēng)壓系數(shù)選取。依據(jù)GB50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和本工程的特點(diǎn)、周邊環(huán)境等選取風(fēng)壓系數(shù),選取值如表2所示。b.風(fēng)壓值計(jì)算。安全系數(shù)取1.5,風(fēng)壓值等于安全系數(shù)乘以風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,風(fēng)壓值計(jì)算結(jié)果見表3。2)單塊巖棉板風(fēng)壓最大值。巖棉板按1.2m×0.6m板計(jì)算,每塊板受風(fēng)壓最大值見表4。3)不考慮巖棉板與墻面粘結(jié)作用情況下的抗風(fēng)壓。根據(jù)本工程專家論證意見以及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),錨栓與混凝土基層和加氣混凝土基層的抗拉承載力均不小于0.6kN,按每個(gè)錨栓抗拉力0.6kN計(jì)算?？紤]巖棉板與墻面連接全部由錨栓作用,不考慮巖棉板與墻面的粘結(jié),則單塊板在不同基層下抗風(fēng)壓所需錨栓數(shù)量見表5。為了確保錨栓抗拉力達(dá)到0.6kN,由試驗(yàn)知,錨栓有效錨固深度對(duì)加氣混凝土基層不小于50mm,對(duì)混凝土基層有效錨固深度不小于25mm即可。本工程統(tǒng)一采用長10cm的錨栓,扣除巖棉板和粘結(jié)層厚度,有效錨固深度完全能達(dá)到要求,尤其對(duì)于混凝土基層有效錨固深度也不小于50mm,則對(duì)于混凝土基層錨栓抗拉力遠(yuǎn)超過要求值。4)不考慮錨栓作用的抗風(fēng)壓。巖棉板通過粘結(jié)砂漿與墻面連接。本工程采用條粘法,每塊板按60%粘結(jié)面積,粘結(jié)砂漿與墻面(水泥砂漿基層)之間的粘結(jié)力不小于0.4MPa;巖棉板與粘結(jié)砂漿之間的粘結(jié)力不小于10kPa;則粘結(jié)砂漿與墻面(水泥砂漿基層)之間單塊板至少能承擔(dān)的風(fēng)荷載為1.2m×0.6m×0.4×60%×103=172.8kN≥2.72kN(最大負(fù)風(fēng)壓)。巖棉板與粘結(jié)砂漿之間單塊板至少能承擔(dān)的風(fēng)荷載為1.2m×0.6m×10×60%=4.32kN≥2.72kN。因此,巖棉板與墻面連接,在不考慮錨栓作用的情況下,能夠滿足本地區(qū)抗風(fēng)壓要求。2.1.2錨栓抗剪強(qiáng)度本工程巖棉板密度180kg/m3,板厚4cm,巖棉板吸水率不大于500g/m2,錨栓抗剪安全系數(shù)取1.5,單塊板吸水后質(zhì)量為0.05544kN。由錨栓抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)知,單個(gè)錨栓的抗剪切力不小于2.4kN,取0.75的折減系數(shù),為1.8kN;按每塊板最少2個(gè)錨栓計(jì)算,且不考慮板本身抗剪,則(2×1.8)/1.5=2.4kN>0.05544kN,滿足抗剪要求。同時(shí)本系統(tǒng)每2層設(shè)置水平不銹鋼托架也更進(jìn)一步保證了巖棉板與墻面豎向抗剪的要求。2.2巖棉板外溫溫系統(tǒng)的困難和解決措施2.2.1網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外雙層錨栓復(fù)合單層網(wǎng)格布的結(jié)構(gòu)形式本工程除每塊板按條不少于60%粘貼面積外,主要還采用了錨栓的合理布置和設(shè)置不銹鋼水平托架,以防止保溫系統(tǒng)墜落。1)錨栓數(shù)量與布置方式。考慮巖棉板的層狀結(jié)構(gòu)以及防止粘貼時(shí)板脫落,在巖棉板粘貼后安裝錨固件,網(wǎng)格布鋪貼后,在板面和板與板的交界處安裝錨固件,形成網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外雙層錨栓復(fù)合單層網(wǎng)格布的結(jié)構(gòu)形式,板面50m以下網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外各1個(gè),50~100m網(wǎng)內(nèi)2個(gè)、網(wǎng)外1個(gè),100m以上網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外各2個(gè),陽臺(tái)部位、門窗洞口及陰陽角部位加密錨栓,錨栓布置如圖2所示。2)不銹鋼托架設(shè)置。本工程由于建筑高度較高,且采用的外保溫材料為厚40mm巖棉板(干密度為180kg/m3),雖然在錨栓單獨(dú)作用下能滿足巖棉板的豎向抗剪要求,但為確保外墻保溫系統(tǒng)的質(zhì)量和安全,本工程在實(shí)際施工中在粘貼巖棉板前,在100m以上每1層設(shè)置一道不銹鋼托架,100m(30層)以下每2層設(shè)置一道不銹鋼托架,托架規(guī)格為L35×35×1500,設(shè)在樓層標(biāo)高-120mm混凝土梁處,采用錨栓固定。每根托架不少于3個(gè)錨栓,錨固有效深度不小于50mm,彈水平線使托架按水平方向布置。托架安裝示意見圖3。2.2.2下口、下口壓力1)設(shè)置變形縫。為防止保溫系統(tǒng)由于巖棉板的自身收縮和溫度變形而開裂,本工程利用不銹鋼托架作為自然的變形縫,具體措施是在已安裝托架下口20mm處彈水平控制線,在托架上、下位置預(yù)埋翻包網(wǎng)格布后粘貼巖棉板,完成翻包網(wǎng)格布后填入聚乙烯條并用耐候性密封膠封縫。這樣托架既能起到防墜落作用,也能起到調(diào)節(jié)變形的作用。2)滿鋪加強(qiáng)型耐堿玻纖網(wǎng)格布。為防止抗裂層開裂,本工程采用不小于300g/㎡的加強(qiáng)型耐堿玻纖網(wǎng)格布,其經(jīng)向、緯向斷裂強(qiáng)力(N/50mm)不小于2000N/50mm,抗裂層外為柔性耐水膩?zhàn)雍蛷椥酝苛稀?.2.3外保溫系統(tǒng)陽角處理由于巖棉板是層狀結(jié)構(gòu),在建筑外墻陽角處會(huì)因?yàn)橥庑瓮蛔兌a(chǎn)生應(yīng)力集中,表現(xiàn)為陽角翹曲。一方面陽角做不順直,另一方面陽角也易開裂,造成質(zhì)量和安全隱患,故外保溫系統(tǒng)在陽角處必須進(jìn)行特殊處理。在陽角部位采用25mm×30mm×2000mmPVC護(hù)角進(jìn)行加強(qiáng)處理。陽角處理及PVC護(hù)角示意見圖4、圖5。3巖棉板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)性能檢測(cè)保溫系統(tǒng)在驗(yàn)收時(shí)委托安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站對(duì)工程實(shí)體進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)抗沖擊性、巖棉板薄抹灰外墻保溫系統(tǒng)抗拉強(qiáng)度和單個(gè)錨栓抗拉承載力這3個(gè)性能指標(biāo)的嚴(yán)格檢測(cè)表明,本工程所使用的托架式巖棉板薄抹灰外墻外保溫系統(tǒng)具有良好的力學(xué)性能,能很好地滿足設(shè)計(jì)要求和使用需要。工程實(shí)體檢測(cè)情況見表6。經(jīng)過各方驗(yàn)收,認(rèn)為觀感良好,未發(fā)現(xiàn)開裂和滲漏現(xiàn)象。通過近1年的使用,也未發(fā)生大的質(zhì)量問題,效果良好。4外保溫工程中的啟示目前,國內(nèi)保溫行業(yè)對(duì)于巖棉板外保溫系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)、應(yīng)用尚處在初級(jí)階段,國內(nèi)也沒有關(guān)于巖棉板類的外墻外保溫系統(tǒng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),故對(duì)于此類的無機(jī)不燃性外墻外保溫材料在外保溫工程,尤其是高層、