田穎

摘 要：界面粘接強(qiáng)度的降低是目前廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的隱框支玻璃幕墻破壞的主要原因。針對隱框支玻璃幕墻，提出了一種非線性超聲蘭姆波檢測方法。通過理論和實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該方法的可行性。首先，利用壓電陶瓷換能器產(chǎn)生漢寧窗調(diào)制的激勵(lì)信號(hào)。采用人工熱老化的方法加速界面結(jié)合強(qiáng)度的退化，得到不同老化周期的反射信號(hào)。然后，分別采用離散傅立葉變換（DFT）和小波包分解兩種方法進(jìn)行特征提取，并采用歸一化和回歸分析對兩種方法進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用二階相對非線性系數(shù)的振幅積分法能靈敏地反映界面結(jié)合強(qiáng)度，而三階相對非線性系數(shù)的變化曲線不明顯。小波包能量法的計(jì)算結(jié)果與振幅積分法接近，與實(shí)際情況相符。二階相對非線性系數(shù)先在小范圍內(nèi)波動(dòng)，然后下降，最后隨著熱老化時(shí)間的延長而增大。但小波能量法的均方誤差較小。小波包能量法具有更高的精度，對趨勢的描述具有更高的允許誤差能力。

關(guān)鍵詞：隱框支玻璃幕墻;結(jié)構(gòu)硅酮密封膠;界面粘接強(qiáng)度;非線性超聲蘭姆波;小波包分解

中圖分類號(hào)：TQ437+.6;TU58? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）04-0106-05

Abstract：The main reason for the failure of the glass curtain wall with concealed frame support， which is widely used in the field of architecture， is the decrease of the bonding strength of the interface. A non-linear ultrasonic Lamb wave detection method is proposed for glass curtain wall with concealed frame. The feasibility of this method is verified by theoretical and experimental research. Firstly， the excitation signal modulated by Hanning window is generated by piezoelectric ceramic transducer. The method of artificial thermal aging is used to accelerate the degradation of interface bonding strength， and the reflection signals of different aging periods are obtained. Then， Discrete Fourier Transform （DFT） and wavelet packet decomposition are used for feature extraction， and normalization and regression analysis are used to compare the two methods. The experimental results show that the amplitude integral method with the second-order relative nonlinear coefficient can sensitively reflect the interface bonding strength， while the change curve of the third-order relative nonlinear coefficient is not obvious. The result of wavelet packet energy method is close to that of amplitude integral method， which is consistent with the actual situation. The second-order relative nonlinear coefficient first fluctuates in a small range， then decreases， and finally increases with the increase of thermal aging time. But the mean square error of wavelet energy method is small. Wavelet packet energy method has a higher accuracy and a higher tolerance for trend description.

Key words：concealed frame supported glass curtain wall; structural silicone sealant; interface bond strength; nonlinear ultrasonic Lamb wave; wavelet packet decomposition

0 引言

玻璃幕墻作為一種外圍護(hù)和裝飾結(jié)構(gòu)，以其靈巧、輕盈、透明、結(jié)構(gòu)美觀等優(yōu)點(diǎn)在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。玻璃幕墻主要由玻璃板和膠粘接構(gòu)組成。玻璃幕墻分為框架式、半露式和隱式框架支撐玻璃幕墻。隱藏式框架支撐玻璃幕墻由于其整體美觀而更受歡迎，因?yàn)樗鼘⒔饘倏蚣茈[藏在玻璃背面。在使用過程中，隱框支撐玻璃幕墻的可靠性與界面粘接性能有著直接的關(guān)系。然而，當(dāng)受到風(fēng)、雨、陽光等自然侵蝕時(shí)，隱框支撐玻璃幕墻，特別是玻璃板與結(jié)構(gòu)硅酮密封膠之間的粘接界面出現(xiàn)老化問題。界面結(jié)合強(qiáng)度的降低是一個(gè)嚴(yán)重的潛在安全隱患，可能導(dǎo)致重大的財(cái)產(chǎn)損失。因此，開發(fā)有效的檢測隱框支玻璃幕墻結(jié)構(gòu)硅酮密封膠界面粘接強(qiáng)度的方法具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

在理論研究的基礎(chǔ)上，建立了基于非線性檢測技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)框圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置由安捷倫33522B波形發(fā)生器、TREK2100HF電壓放大器、PCI-20614數(shù)據(jù)采集卡和高性能PC機(jī)組成 。在實(shí)驗(yàn)過程中，高性能PC機(jī)將產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)發(fā)送到波形發(fā)生器。然后，通過電壓放大器放大信號(hào)，驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生足夠強(qiáng)的超聲波。入射角由可變角度傳感器實(shí)現(xiàn)。利用傳感器和數(shù)據(jù)采集卡接收在介質(zhì)中傳播的信號(hào)，并將其傳輸?shù)礁咝阅躊C機(jī)進(jìn)行處理。

在相同尺寸的物體上進(jìn)行了界面結(jié)合強(qiáng)度檢測實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)所用玻璃板的材料性能符合《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》 JGJ 102-2013（中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2013）的要求。所用板材為鋼化超凈浮法玻璃（中國廣東省紅星玻璃），尺寸為600mm×300mm×5mm。所用結(jié)構(gòu)硅酮密封膠（中國廣東省佛山市南海金葉硅膠）符合《建筑結(jié)構(gòu)硅酮密封膠》 GB 16776-2005（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)2005） 的要求。本品為單組分，常溫中性固化，強(qiáng)度高，固化后彈性高。與結(jié)構(gòu)硅酮密封膠結(jié)合使用時(shí)，泡沫間隔較低的雙面膠條具有透氣性。雙面膠條的厚度為5mm。共制備了兩組界面結(jié)合強(qiáng)度的試樣。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

在自然條件下，很難在短時(shí)間內(nèi)測試界面結(jié)合強(qiáng)度。采用人工干預(yù)的方法加速結(jié)構(gòu)硅酮密封膠的老化。Meng等人（2015）研究了不同老化條件下結(jié)構(gòu)硅酮密封膠的粘接強(qiáng)度。熱老化是結(jié)構(gòu)膠人工老化的主要方法，研究結(jié)果表明，隨著熱老化時(shí)間的延長，結(jié)構(gòu)膠的拉伸和剪切強(qiáng)度先增大后減小。

本實(shí)驗(yàn)采用熱老化法進(jìn)行加速老化，同時(shí)對兩組樣品進(jìn)行加熱。通過紅外加熱使溫度保持在120±4℃以內(nèi)。加熱周期為4h，加熱時(shí)間為0;4;8;……;60h，共進(jìn)行16組界面結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)。其中，未加熱時(shí)效0h為玻璃板的初始界面結(jié)合狀態(tài)。

在熱老化過程中，測量了界面結(jié)合強(qiáng)度的非線性參數(shù)。激勵(lì)和接收傳感器之間的距離為100mm。對每個(gè)試樣，采用非線性技術(shù)檢測界面結(jié)合性能。采用漢寧窗調(diào)制的50個(gè)周期正弦脈沖序列作為激勵(lì)信號(hào)。中心頻率分別為2.14MHz和2.45MHz。實(shí)驗(yàn)中，對接收到的信號(hào)重復(fù)采集50次，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。在熱老化的最初和40h之后接收到的信號(hào)如圖2所示。

2.2 振幅積分法檢測界面結(jié)合強(qiáng)度

對接收到的50個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字平均，然后通過高通濾波器降低低頻干擾。高通濾波器的截止頻率和增益分別為500kHz和1。用離散傅立葉變換（DFT）得到一次諧波和二次諧波的幅值。計(jì)算了二階相對非線性系數(shù)隨熱老化時(shí)間的變化曲線，如圖3所示?？梢姡A相對非線性系數(shù)能靈敏地反映界面結(jié)合力隨熱老化時(shí)間的變化。對于同一試件，兩種激勵(lì)頻率的總趨勢是相近的。在熱老化早期，二階相對非線性系數(shù)在小范圍內(nèi)波動(dòng)。但隨著熱老化時(shí)間的延長，二階相對非線性系數(shù)開始減小，界面結(jié)合強(qiáng)度開始提高。這是因?yàn)橛袡C(jī)硅結(jié)構(gòu)密封膠的固化與溫度有關(guān)，通過加熱可以提高界面結(jié)合強(qiáng)度。一段時(shí)間后，二階相對非線性系數(shù)開始增大，界面結(jié)合強(qiáng)度開始下降。換言之，連續(xù)加熱最終降低了有機(jī)硅結(jié)構(gòu)密封膠的粘合性能?？偟膩碚f，界面結(jié)合強(qiáng)度呈先升高后降低的趨勢，這一趨勢與已發(fā)表的研究結(jié)果一致。兩個(gè)樣本都顯示出相似的趨勢。這也表明非線性Lamb波可以檢測結(jié)構(gòu)硅酮密封膠的界面結(jié)合強(qiáng)度。

2.3 三階相對非線性系數(shù)的振幅積分

三階相對非線性系數(shù)也能反映非線性行為。因此，本文還研究了三階相對非線性系數(shù)。與二階諧波一樣，通過提取三階諧波的幅值來計(jì)算三階相對非線性系數(shù)。三階相對非線性系數(shù)隨熱老化時(shí)間的變化曲線如圖4所示。三階相對非線性系數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。然而，這種趨勢并不明顯，特別是在2.45MHz的激勵(lì)頻率下。對于同一試件，兩種激勵(lì)頻率的變化趨勢不同。激勵(lì)頻率為2.14MHz的曲線呈現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢。另一方面，三階相對非線性系數(shù)的振幅積分小于二階相對非線性系數(shù)。當(dāng)激勵(lì)頻率為2.14MHz時(shí)，接收信號(hào)的幅度積分大于2.45MHz時(shí)的幅度積分。這與接收換能器的中心頻率有關(guān)。換能器的激勵(lì)頻率分別為2.14MHz和2.45MHz。二次諧波頻率分別為4.28MHz和4.9MHz，三次諧波頻率分別為6.42MHz和7.35MHz。然而接收換能器的中心頻率為5MHz，對三次諧波的接收有一定的抑制作用，導(dǎo)致能量較弱。綜上所述，三階相對非線性系數(shù)可以描述界面結(jié)合強(qiáng)度，但效果不如二階相對非線性系數(shù)。

2.4 小波包能量法檢測界面結(jié)合強(qiáng)度

為了進(jìn)一步探討非線性超聲蘭姆波檢測界面結(jié)合強(qiáng)度的可行性，采用小波包分解方法。由于三階相對非線性系數(shù)不明顯，下面的實(shí)驗(yàn)只考慮了二階相對非線性系數(shù)。經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理后，對信號(hào)進(jìn)行三層小波包分解，計(jì)算出包含一次諧波和二次諧波的小波子集的能量。二階相對非線性系數(shù)隨熱老化時(shí)間的變化曲線如圖5所示?？梢?，小波包能量法的相對非線性系數(shù)大于幅度積分法，說明小波包能量法具有較高的允許誤差能力。二階相對非線性系數(shù)開始時(shí)也在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)，然后下降，最后上升，這與振幅積分的趨勢相似。

經(jīng)過歸一化和回歸分析，進(jìn)一步比較了小波包能量和振幅積分。歸一化的二階相對非線性系數(shù)如圖6所示。硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的界面結(jié)合強(qiáng)度與熱老化時(shí)間呈非線性關(guān)系。因此，為了更接近實(shí)際數(shù)據(jù)，采用三次多項(xiàng)式進(jìn)行回歸分析?；貧w分析的均方誤差（MSE）用于評估結(jié)。由圖6可以看出，兩個(gè)試件在不同中心頻率下的相對非線性系數(shù)的變化趨勢非常接近，很難對兩種方法進(jìn)行比較。然而，小波能量法的MSEs比振幅積分法的MSEs小，除了2.14MHz激勵(lì)頻率的試樣1，兩者相差很小。換言之，小波能量法比振幅積分法更能準(zhǔn)確地描述趨勢。當(dāng)然，小波包能量法和振幅積分法都能成功地反映界面結(jié)合強(qiáng)度。小波包能量法具有較高的精度和允許誤差能力。

4 結(jié)論

針對隱框支玻璃幕墻，提出了一種非線性超聲蘭姆波檢測方法。通過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了非線性超聲蘭姆波檢測界面結(jié)合強(qiáng)度的可行性?？紤]了累積非線性諧波蘭姆波的產(chǎn)生條件。從非線性參數(shù)的變化曲線來看，采用二階相對非線性系數(shù)的振幅積分法能靈敏地反映界面結(jié)合強(qiáng)度，與實(shí)際情況相符。但三階相對非線性系數(shù)的變化趨勢不如二階相對非線性系數(shù)的變化趨勢，且由于中心頻率的抑制，三階相對非線性系數(shù)的振幅積分較小。利用二階相對非線性系數(shù)，將小波包能量法與振幅區(qū)間法進(jìn)行了比較。為了更合理地比較這兩種方法，采用了歸一化和回歸分析。結(jié)果表明，兩種方法的發(fā)展趨勢非常接近，符合實(shí)際。二階相對非線性系數(shù)開始時(shí)在小范圍內(nèi)波動(dòng)，然后下降，最后上升。小波能量法的均方誤差小于振幅積分法的均方誤差。小波包能量法具有更高的精度，對趨勢的描述具有更高的允許誤差能力。

綜上所述，基于非線性超聲蘭姆波的檢測方法可用于隱框支玻璃幕墻結(jié)構(gòu)硅酮密封膠的界面粘接強(qiáng)度評價(jià)。使用這種方法，甚至可以反映界面結(jié)合強(qiáng)度的細(xì)微下降。該方法為玻璃界面粘接強(qiáng)度的檢測奠定了基礎(chǔ)。下一步是檢測隱藏式框支玻璃幕墻的微小缺陷，提高檢測效率。

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