魏明宇，張?jiān)?，余少樂，古明川，陳新?/p>

(1 四川省建筑科學(xué)研究院有限公司， 成都 610081； 2 中國建筑第八工程局有限公司， 上海 200135；3 西南交通大學(xué)， 成都 610031)

0 引言

作為常見的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)或裝飾結(jié)構(gòu)，玻璃幕墻長期承受重力荷載、風(fēng)荷載、溫度作用及多種環(huán)境侵蝕作用，隨著時(shí)間的推移，由于施工和設(shè)計(jì)上的缺陷，材料的磨損、腐蝕和老化等原因，建筑玻璃幕墻存在各種各樣的安全隱患。建筑玻璃幕墻墜落等安全問題近年來時(shí)有發(fā)生，造成了財(cái)產(chǎn)損失、人身傷害和較大的社會(huì)影響。

經(jīng)筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的幕墻結(jié)構(gòu)與之前研究試件有一定差別，主要在于：1)實(shí)際工程中，單塊幕墻面板是通過鋼骨架、鋁合金龍骨與主體結(jié)構(gòu)連接，因此，通過動(dòng)力特征測試得到的固有頻率通常為幕墻面板、鋁合金龍骨、鋼骨架整體單元的基頻與單塊面板頻率的耦合。幕墻單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。應(yīng)首先結(jié)合對(duì)幕墻整體單元、單片幕墻面板的有限元模態(tài)分析及解析解推導(dǎo)，基于幕墻整體單元、單片面板模態(tài)分析結(jié)果，采用FFT功率譜識(shí)別、相關(guān)系數(shù)法等進(jìn)行單塊玻璃幕墻面板基頻的識(shí)別；2)以往試驗(yàn)研究邊界條件與實(shí)際幕墻邊界條件有差異，理想夾支與簡支的情況與實(shí)際邊界均有不同；3)以往的研究大多針對(duì)單層玻璃面板，其動(dòng)力特征與目前廣泛應(yīng)用的雙層中空玻璃面板有差異。

圖1 某在建工程玻璃幕墻鋁合金龍骨結(jié)構(gòu)

本文通過對(duì)兩個(gè)足尺橫隱框豎明框玻璃幕墻試件進(jìn)行振動(dòng)法測試試驗(yàn)，考察工程實(shí)際邊界條件玻璃面板的動(dòng)力特征及邊界松弛條件下幕墻面板單元的的振動(dòng)特性，結(jié)合對(duì)雙層彈性薄板的解析解分析、幕墻整體單元的有限元計(jì)算，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)概述

本試驗(yàn)在進(jìn)行試件設(shè)計(jì)時(shí)，取可拆分的幕墻單元(包括幕墻面板及龍骨框架)作為研究對(duì)象。試驗(yàn)?zāi)粔卧x取示意如圖2所示。橫隱框豎明框玻璃幕墻，其豎向邊界為明框，通常采用等距壓條或通長壓板，橫向隱框通過鋁合金副框或鋁合金壓塊與龍骨連接。本試驗(yàn)考察工程中常見幕墻節(jié)點(diǎn)構(gòu)造做法，對(duì)足尺幕墻單元進(jìn)行振動(dòng)測試，每個(gè)試件包括若干種玻璃面板規(guī)格，均采用中空雙層鋼化玻璃。

圖2 試驗(yàn)?zāi)粔卧x取示意

試件G1為6.30m×4.20m橫隱框豎明框玻璃幕墻，采用3種玻璃面板尺寸，分別為800×1 400，2 700×1 400，2 800×1 400，均采用1種玻璃面板規(guī)格，即10mm+12中空+10mm，每種玻璃面板尺寸取3塊試件，共9塊玻璃面板板塊。該試件加工示意圖見圖3。

試驗(yàn)過程中，通過螺栓將框架支座與試驗(yàn)剛架連接。本試件豎向邊界采用設(shè)置豎向壓條形式如圖3(a)所示，圖中襯墊膠條不與面板連接。本試件橫向邊界采用隱框，即沿著面板邊界設(shè)置通長鋁合金副框，副框與龍骨通過定距(間隔300mm)鋁合金壓塊連接，同時(shí)按照一定間距(間隔300，500mm)設(shè)置水平鋁合金托板，并設(shè)置結(jié)構(gòu)膠將玻璃面板與豎向龍骨連接。具體參數(shù)見表1。

試件G2為4.08m×3.36m橫隱框豎明框玻璃幕墻，采用4種玻璃面板尺寸，分別為1 680×790，1 680×890，1 680×2 400，1 680×3 290，3種玻璃面板規(guī)格，分別為6mm+12中空+6mm、10mm+12中空+10mm、12mm+12中空+12mm，試件G2共5塊玻璃面板板塊。本試件豎向邊界采用通長壓板，采用螺釘定距(300mm)與龍骨連接，橫向邊界采用鋁合金水平壓塊(間距350mm)，如圖3，4所示，具體參數(shù)見表1。

圖3 試件G1，G2加工示意圖

圖4 試件G1，G2測振試驗(yàn)

試件G1，G2與剛性框架連接，剛性框架與試驗(yàn)場地地面為嵌固連接，試驗(yàn)中剛性框架具有足夠大剛度，保證其不會(huì)參與整體振動(dòng)。振動(dòng)測量采用東華2D001型磁電式速度傳感器。采用東華DH5908動(dòng)態(tài)信號(hào)測試無線采集模塊組成測試分析系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 東華DH5908動(dòng)態(tài)信號(hào)測試無線采集模塊

試驗(yàn)時(shí)，加速度傳感器布設(shè)在幕墻面板中部。試驗(yàn)方法為：安裝、調(diào)試加速度測振設(shè)備、采集設(shè)備→讀取未激勵(lì)下速度時(shí)域曲線→橡膠錘輕擊幕墻面板→讀取速度時(shí)域曲線→頻率曲線分析，判別篩除噪音→重復(fù)以上步驟，直至獲得所有幕墻面板基頻。

2 彈性面板自振頻率的解析解

2.1 考慮等效厚度的彈性薄板振動(dòng)微分方程

本文試件玻璃幕墻面板采用中空雙層鋼化玻璃面板(圖6)，以往研究多針對(duì)單層彈性薄板的振動(dòng)解析解[1-12]進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]中提出的劃分頻率區(qū)間方法也是基于單層玻璃面板得出。雙層鋼化玻璃面板在中空充氣層耦合作用下的振動(dòng)特性與單層玻璃薄板有所不同。當(dāng)對(duì)測點(diǎn)1(圖6)所在測面板采用橡膠錘激勵(lì)時(shí)，測點(diǎn)1、測點(diǎn)2同時(shí)測得振動(dòng)速度時(shí)程曲線如圖7所示。由圖7可以看出，當(dāng)對(duì)中空雙層鋼化玻璃面板采用橡膠錘輕擊單側(cè)面板(測點(diǎn)1所在面板)后，未激勵(lì)一側(cè)的面板能夠立刻產(chǎn)生響應(yīng)(響應(yīng)時(shí)間約0.7s)，其振動(dòng)速度幅值與激振測玻璃面板幅值接近。結(jié)果表明中空雙層鋼化玻璃幕墻在振動(dòng)時(shí)，兩側(cè)玻璃面板能夠發(fā)生協(xié)同振動(dòng)。因此，在對(duì)雙層鋼化玻璃面板進(jìn)行動(dòng)力特征分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮兩側(cè)面板的耦合作用。

試件具體參數(shù) 表1

圖6 某幕墻中空雙層鋼化玻璃面板

圖7 單側(cè)激勵(lì)后雙層鋼化玻璃面板速度時(shí)程曲線

中空玻璃幕墻中的雙片玻璃面板振動(dòng)時(shí)等效彈性剛度與同等厚度(兩片玻璃厚度之和)單片玻璃不同，原因在于兩片彈性薄板不滿足變形協(xié)調(diào)條件，本文采取文獻(xiàn)[6]中等效厚度te計(jì)算中空玻璃等效剛度De：

(1)

式中t1，t2分別為兩片玻璃面板厚度。

(2)

式中：De為中空玻璃等效剛度；te為中空玻璃等效厚度；ν為泊松比。

2.2 基于能量法解析解推導(dǎo)

已知彈性薄板邊界條件，適合的振型函數(shù)就能求解上述微分方程。考慮到采用頻率法判別玻璃面板松弛狀態(tài)時(shí)主要判別最低固有自振頻率，此時(shí)采用能量法較為方便。表2為通過能量法推導(dǎo)得到的從兩邊簡支到四邊嵌固7種經(jīng)典邊界條件下中空雙層鋼化玻璃薄板的第一階自振頻率解析解。表2中，隨著兩邊簡支向四邊嵌固遞進(jìn)，邊界條件從松弛向緊固變化，其中面板兩邊簡支為最松弛狀態(tài)，當(dāng)玻璃面板基頻小于兩邊簡支薄板解析解時(shí)，整個(gè)玻璃面板本身處于可變形機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，存在隨時(shí)脫落的可能。四邊嵌固是最緊固的狀態(tài)，通常玻璃面板基頻實(shí)測值小于四邊嵌固彈性薄板的第一階自振頻率解析解。

以本文試件G1玻璃面板M1～M9、G2試件玻璃面板M1～M5為例，7種經(jīng)典邊界條件下第一階自振頻率解析解如圖8所示。其中邊界條件編號(hào)表示為1-兩短邊簡支；2-兩長邊簡支；3-四邊簡支；4-三邊簡支一邊嵌固(嵌固短邊)；5-三邊簡支一邊嵌固(嵌固長邊)；6-對(duì)邊簡支對(duì)邊嵌固(嵌固短邊)；7-對(duì)邊簡支對(duì)邊嵌固(嵌固長邊)；8-鄰邊簡支鄰邊嵌固；9-三邊固支一邊簡支(嵌固短邊)；10-三邊固支一邊簡支(嵌固長邊)；11-四邊嵌固。

圖8 中空玻璃面板經(jīng)典邊界條件下第一階自振頻率解析解

幕墻面板基頻解析解 表2

3 幕墻整體單元激振結(jié)果分析

通過本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不對(duì)幕墻試件進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，測得時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換后得到的試件第一階主要自振頻率主要為幕墻整體單元的基頻，其主要表現(xiàn)為所有面板測得基頻均基本一致。以試件G1為例，未激勵(lì)狀態(tài)下典型面板頻域曲線如圖9所示，測得結(jié)構(gòu)基頻約為13.9Hz。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用橡膠錘對(duì)單個(gè)玻璃面板進(jìn)行逐個(gè)輕擊激勵(lì)時(shí)，單個(gè)玻璃面板頻域曲線第一階自振頻率發(fā)生變化，以試件G1的面板M4為例，其激勵(lì)前后的時(shí)域及頻域曲線如圖10所示。

圖9 未激勵(lì)時(shí)試件G1頻域曲線

圖10 試件G1面板M4激勵(lì)前后的時(shí)域及頻域曲線對(duì)比

4 玻璃面板頻率法實(shí)測結(jié)果分析

對(duì)玻璃面板逐個(gè)激勵(lì)，通過處理后就可以得到單個(gè)面板的基頻。試件G1，G2各面板實(shí)測第一階自振頻率如圖11～12所示?？梢钥吹剑谪Q向采用常見壓條間距(間距300mm)，橫向邊界采用貫通鋁合金副框及定距壓塊(間距300mm)邊界條件下，試件G1所有玻璃面板自振基頻在兩長邊簡支邊界至四邊嵌固邊界基頻范圍之間，當(dāng)面板尺寸較大時(shí)(面板M1，M2，M3，M7，M8，M9)，其實(shí)測基頻在兩長邊簡支至四邊簡支板基頻范圍之間；當(dāng)面板尺寸較小(面板M4，M5，M6)時(shí)，其實(shí)測基頻位于四邊簡支邊界至四邊嵌固邊界板基頻范圍之間。當(dāng)面板尺寸較小時(shí)，其實(shí)測基頻在四邊簡支邊界和四邊嵌固邊界板基頻范圍之間。

圖11 試件G1面板頻域曲線

當(dāng)采用豎向通長壓板后，由圖11,12可以看出，當(dāng)面板尺寸較大時(shí)(面板M4，M5)，其實(shí)測基頻接近四邊簡支板基頻；當(dāng)面板尺寸較小(面板M1，M2，M3)時(shí)，其實(shí)測基頻位于四邊簡支邊界和四邊嵌固邊界板基頻范圍之間。當(dāng)面板尺寸較小時(shí)，其實(shí)測基頻在四邊簡支邊界和四邊嵌固邊界板基頻范圍之間?？梢钥吹?，采用貫通壓板后，面板實(shí)測基頻比采用定距壓條略高。

拆除試件G1豎向邊界部分壓條后各玻璃面板實(shí)測基頻見表3。由表3可知，當(dāng)拆除部分壓條后，玻璃面板實(shí)測基頻降低，表明隨著豎向邊界壓條的拆除，豎向邊界發(fā)生松弛，導(dǎo)致基頻降低，當(dāng)拆除全部縱向壓條后，所測玻璃面板略高于兩邊簡支板解析解。拆除試件G2水平邊界密封耐候膠后各玻璃面板實(shí)測基頻如表4所示。由表4可知，當(dāng)拆除試件G2玻璃面板水平邊界密封膠后，結(jié)構(gòu)實(shí)測基頻未出現(xiàn)明顯變化，表明水平邊界密封膠對(duì)玻璃面板基頻無明顯影響。

圖12 試件G2面板頻域曲線

拆除壓條前后試件G1面板基頻/Hz 表3

拆除水平密封膠前后試件G2面板基頻/Hz 表4

5 結(jié)論

本文通過對(duì)兩個(gè)足尺橫隱框豎明框玻璃幕墻試件進(jìn)行振動(dòng)法測試試驗(yàn)，基于中空雙層鋼化玻璃面板基頻的解析解分析，并結(jié)合對(duì)整體結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行有限元分析，得到以下結(jié)論：

(1)經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證得出，雙層鋼化玻璃面板的振動(dòng)過程是內(nèi)外片玻璃協(xié)同工作相互耦合的過程，應(yīng)考慮雙片玻璃的耦合作用，本文引入等效剛度計(jì)算經(jīng)典邊界條件下解析解，取得較好效果。

(2)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不對(duì)幕墻進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，測得時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換后得到的試件第一階自振頻率主要為幕墻整體單元試件的基頻，其主要特征為所有面板測得基頻基本一致。

(3)兩種實(shí)際邊界做法下(試件G1，G2)所測玻璃面板基頻在四邊簡支邊界和四邊嵌固邊界板基頻范圍之間，當(dāng)面板尺寸較大時(shí)，所測基頻接近于四邊簡支板基頻，當(dāng)面板尺寸較小時(shí)，所測基頻比四邊簡支板基頻大；與豎向采用定距壓板的試件相比，采用貫通壓條的玻璃面板基頻略高。隨著豎向壓條的拆除，玻璃面板實(shí)測基頻降低；水平邊界密封膠的拆除、破壞等對(duì)玻璃面板基頻無明顯影響。