论饰面贴砖脱粘失效现场检测及脱落风险评估

林志航

（福建省燕城建设工程有限公司， 福建 厦门 361006）

0 引言

作为常用的建筑结构外立面饰面墙形式之一，饰面砖已被大量应用在各种功能的建筑结构中，由于环境影响，饰面砖的耐久性及可靠性伴随服役寿命的延长，将出现不同程度的鼓包、剥离等病害，这种病害严重影响了饰面墙的装饰性和保护功能，使建筑本体结构被长期暴露于自然环境中。

1 工程概况

福州市地铁1 号线达道站C 出站口周边景观改造，建设单位为福州市台江区建设投资管理中心，施工单位为福建省燕城建设工程有限公司承建，本工程位于广达路；本次环境综合整治工程包括建筑外立面整治，建筑环境提升和基础设施完善。本文依托此工程实践，分析饰面贴砖脱粘失效现场检测原理、方法及脱落风险评估，用以论证建筑外立面整治的必要性。

2 饰面贴砖粘结失效振动测试原理

（1）结构动力学响应被认为是结构固有的特性之一，结构动力学响应受边界约束、结构损伤等因素影响显著；从力学角度分析，外立面饰面砖的长宽尺寸明显超过厚度尺寸，属于典型的薄壳结构，基于弹性力学基本理论有，假定薄壳处于平衡状态的挠度函数为，此时薄壳承受的横向应力函数假定薄壳的自振函数为对应的自振微分方程表达式如下：

（2）设W为微分方程在边界条件下的一个非零解，则根据可计算W对应的频率。经理论计算发现，薄壳的自振频率属于其固有特性之一，设薄壳单位面积内的振动质量为同时令则（1-1）可等效为下式（2-2）

（3）贴附于建筑外立面的饰面砖在边界条件改变的情况下，其自身的固有频率和自振形将出现相应变化。

（4）如果饰面砖粘结可靠，则对应的固有频率指标较高；相反，如果饰面砖与外立面粘结强度不足，则对应的固有频率指标较低；故可通过测定饰面砖的固有频率指标范围，从而间接判定饰面砖是否处于失效或安全状态。

3 饰面贴砖脱粘比例对其固有频率的影响分析

（1）为了精确掌握脱粘比例差异对建筑外立面饰面砖固有频率的影响程度，拟借助ANSYS 有限元分析软件，建立饰面砖有限元模型，模型的长宽厚分别为500mm、350mm、15mm，材料参数如下：弹性模量50GPa，泊松比：0.3，表观密度2500kg/m3；

（2）在ANSYS 有限元分析软件中对建筑外立面饰面砖在不同粘脱比例下分别进行振动模态识别，通过移动被约束的节点，以实现模型的牢固脱粘，没有约束的节点则认为处于粘结失效状态；

（3）下图1 展示了经ANSYS 有限元软件模拟得到的外立面饰面砖模态频率和脱粘比例之间的相关关系。

图1：饰面贴砖模态频率与脱粘比率的关系曲线

（4）分析上图1 发现，饰面砖的模态频率与脱粘失效覆盖区域大小呈负相关关系，且拟合曲线呈指数关系；当脱粘比例分别为20%和45%时，对应的固有频率分别降低了50%、76%。

4 基于固有频率变化的饰面贴砖脱粘失效现场检测方法

4.1 检测装置

（1）检测设备主要有饰面砖动荷载激振设备、信号接收、处理及自动分析系统；

（2）使用木锤施加激振荷载，信号接收设备为位移传感器，工作频率应介于0.5～5.0kHz 范围内；

（3）信号经信号放大器放大后接入波谱分析仪，以分析信号波谱特性，将监测数据利用用电脑软件进行处理，获取对应的频率图谱，并得到饰面砖的一阶固有频率。

4.2 检测步骤

（1）现场量测建筑结构外立面饰面砖尺寸，尺寸精度应精确到1mm；

（2）采用振动监测设备量测饰面砖的固有频率，为了避免量测误差，每个量测点应至少采集3 个数据，量测精度应精确到0.1Hz；

（3）若同一个饰面砖量测到的固有频率误差超过5%，应重新量测，直至误差达到合理范围，再求解三组量测数据均值；

一方面指派一个部门为主要负责部门，领导其他各部门讨论制定统一的危险品道路运输行业规范和操作标准，完善对危险品道路运输企业的安全生产和管理审查，并加强与公安、安监、交通监管部门之间的沟通协商，形成有效的多部门合作体系。严格界定不同部门的管理范围，加大监管力度，有效推动危险品道路运输安全。健全对危险品道路运输全过程的安全监管力度。严格处罚非法运营的危险品物流个体或企业，情节严重的，直接取缔经营资格或从业资格。

（4）结合现场监测环境，微调测试参数，以优化获取的频率响应曲线；

（5）饰面贴砖的频率将通过监测数据，利用电脑软件处理技术得到振动频谱图，并由频谱图读出。

5 饰面贴砖脱粘失效的风险评估

5.1 饰面贴砖脱落风险等级划分

5.1.1 相对比较法

（1）从结构单元角度分析，饰面砖彼此相互独立，因此，饰面砖的整体安全性并不具备实际意义，故可使用比较法，以定位出脱粘概率更大的饰面砖；

（2）比较法的基础和关键在于同等条件，在实际工程中，同一建筑结构的饰面砖均可满足上述同等条件，故可采用比较法识别脱粘概率。

（3）现场量测完全部的饰面砖固有频率指标后，应将具备比较条件的饰面砖分别比较，通过其固有频率指标间接判定其可靠性和安全性。如果量测后发现部分固有频率较低的饰面砖，则应重点补强和加固。

（1）顾名思义，安全频率区间法就是提前根据安全等级的频率值大小，将其划分为不同的区间范围，划分区间前应明确安全频率的标准值，确认方法如下：1）按固有频率指标大小排序（量测对象为同等条件下的外立面饰面砖）；2）选取固有频率最大的外立面饰面砖，基于现有的建筑结构外立面饰面砖粘结强度检测标准，进行粘结拉拔试验；3）当量测结果满足要求时，对应的固有频率指标可认定为本次试验的安全频率参考标准，如果量测结果不满足要求，则可直接判定该试验批次的饰面砖存在安全风险；

（2）笔者采用划分安全频率标准值的方法，根据拉拔试验数据结论，结合工程实践检测经验，给出了表1 的划分标准：

表1：饰面贴砖脱落风险等级划分标准

5.2 现场检测实例

（1）福州市地铁1 号线达道站C 出站口周边改造项目，房建部分的外立面饰面砖类型为陶瓷砖，砖尺寸规格统一，长宽厚分别为500mm、360mm、8mm，陶瓷砖与墙体外立面通过水泥砂浆粘结；

（2）使用振动试验仪对陶瓷砖的固有频率进行现场监测，以获取砖体的振动频谱和对应波形，具体详见下图2、3，结合图3 对应的峰值点可得到陶瓷砖的固有频率值；

图2：陶瓷砖振动典型波形图

图3：陶瓷砖振动典型频谱图

（3）项目现场累计完成16 块陶瓷砖的量测工作，采用上文提及的安全频率区间法，明确振动频率最大的对象及对应的频率值，其中，2#陶瓷砖的频率最大，达到245.0Hz，通过陶瓷砖拉拔试验，得到砖与墙体的粘结强度为0.8MPa，强度指标满足规范要求，故可将该批次的陶瓷砖安全频率标准值设定为0.8Mpa；

（4）通过对比该批次陶瓷砖的固有频率和安全频率标准值发现，7#和8#陶瓷砖的实测频率值分别达到170.0Hz、182.0Hz，达到Cu 安全级别，通过对8#陶瓷砖进行拉拔试验，可得到其粘结强度为0.3MPa，其强度无法满足规范要求；

（5）剩余陶瓷砖的实测频率均介于150～190.0Hz 之间，安全等级达到Cu 级、Du 级，所以福州市地铁1 号线达道站C 出站口周边改造项目，其房建外墙装饰原来采用的陶瓷贴砖，脱落风险严重，需重建整改；最终选的外墙装饰方案为：采用真石漆、铝单板安装、装饰单板安装、石材墙面、铝合金更换、外墙空调进行统一规整后安装装饰空调架等。

6 结论

（1）经ANSYS 有限元分析，明确了外立面饰面砖脱粘比例与固有频率之间的关系，通过曲线拟合可知，在脱粘比例分别为20%、50%时，对应的固有频率分别降低了45%、76%；

（2）将满足比较法且外形尺寸相同的外立面饰面砖的固有频率按大小排序，选取固有频率最大值对应的饰面墙进行粘结强度拉拔试验，若强度满足要求，则可将该频率作为安全频率标准值使用；

（3）与其它参数相比，固有频率的获取难度较低，且指标不存在失真问题，故非常适用于饰面砖的掉落风险评定。