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中建深圳裝飾有限公司 廣東 深圳 518023

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化速度逐漸加快，在一些發(fā)達(dá)城市中，玻璃幕墻的高層建筑成為一道靚麗的風(fēng)景線，甚至很多擁有玻璃幕墻的建筑成為當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)。

傳統(tǒng)的建筑也被賦予了新的生命，墻體除了最初的支承作用，也被擴(kuò)展到采光、隔熱、保溫、隔聲和裝飾等作用。玻璃幕墻由于其優(yōu)異的透光、美觀、防風(fēng)、防雨等特性，加之其自重輕、施工方便、可替換和具有現(xiàn)代風(fēng)格的特點(diǎn)，逐漸成為辦公建筑、商務(wù)建筑和超高層建筑的必要部分。

玻璃幕墻作為非承重結(jié)構(gòu)，通過(guò)支承架構(gòu)懸掛在主體結(jié)構(gòu)外側(cè)。但這樣的結(jié)構(gòu)并非一直是安全的，以下原因可能導(dǎo)致幕墻玻璃的脫落或是破裂，造成不可預(yù)知的后果。

1）早期對(duì)玻璃幕墻類(lèi)建筑沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以及建筑質(zhì)量參差不齊、監(jiān)管落實(shí)不到位。

2）玻璃幕墻的穩(wěn)定性會(huì)受到風(fēng)載荷、力載荷、地震等因素的影響。

3）隨著時(shí)間的推移，膠體材料老化、斷裂、腐蝕等各種情況都會(huì)出現(xiàn)。

因此，玻璃幕墻支承體系和黏結(jié)體系的松動(dòng)和損傷識(shí)別是評(píng)價(jià)幕墻玻璃安全性能重要指標(biāo)之一。建立幕墻玻璃固有頻率與其邊界支承松動(dòng)損傷之間的關(guān)系，就可以通過(guò)幕墻玻璃固有頻率來(lái)間接描述玻璃幕墻支承體系和黏結(jié)體系的損傷與老化程度，預(yù)測(cè)玻璃幕墻的脫落風(fēng)險(xiǎn)程度及抵抗外力的剩余能力，進(jìn)而評(píng)價(jià)玻璃幕墻的安全可靠性能。在幕墻玻璃本身性態(tài)不發(fā)生損傷變化情況下，頻率的變化可認(rèn)為是完全由于其邊界支承松動(dòng)損傷引起的。因此，我們只要通過(guò)比較幕墻玻璃固有頻率相對(duì)大小就可以識(shí)別其邊界支承松動(dòng)損傷程度，并依此給玻璃幕墻進(jìn)行安全等級(jí)劃分。

1 試驗(yàn)方法

針對(duì)安全性能的測(cè)試，相關(guān)研究人員給出了不同的測(cè)試方法。

劉小根等[1]提出了一種利用脈沖激振方法獲得幕墻玻璃固有頻率來(lái)識(shí)別玻璃幕墻的松動(dòng)與損傷程度，試驗(yàn)結(jié)果表明四邊支承幕墻玻璃試樣的邊界支承松動(dòng)會(huì)引起其固有頻率衰降，從而可根據(jù)固有頻率的變化來(lái)識(shí)別玻璃四邊支承松動(dòng)損傷程度。

陳振宇等[2]針對(duì)全隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠脫黏長(zhǎng)度檢測(cè)問(wèn)題，率先提出了基于瞬態(tài)脈沖動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)的FFT功率譜脫黏長(zhǎng)度檢測(cè)方法。研究成果顯示，此方法對(duì)全隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠脫黏長(zhǎng)度檢測(cè)有推廣作用。

黃智德[3]以隱框玻璃幕墻和點(diǎn)支承建筑幕墻為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了幕墻面板的穩(wěn)定狀態(tài)與其動(dòng)力特征參數(shù)之間的關(guān)系，并將遠(yuǎn)程激光測(cè)振技術(shù)引入幕墻檢測(cè)，以期實(shí)現(xiàn)幕墻面板安全狀態(tài)的遠(yuǎn)程、快速、準(zhǔn)確的量化評(píng)價(jià)。

陳玉明等[4]做了基于熱圖像重建及增強(qiáng)的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠損傷區(qū)域識(shí)別方法的研究，主要利用單列位置的數(shù)據(jù)重建、基于小波變換的圖像重構(gòu)、采用維納濾波的圖像增強(qiáng)和基于損傷區(qū)域識(shí)別規(guī)則的熱波定位方法完成玻璃幕墻熱圖像序列的處理及損傷區(qū)域的識(shí)別。該試驗(yàn)結(jié)果表明：小波變換技術(shù)利用自適應(yīng)閾值系數(shù)可有效降低熱圖像高頻分量中噪聲成分，保留熱圖像特征；維納濾波采用3×3模板進(jìn)一步平滑圖像，確保熱圖像中大部分重要信息；損傷區(qū)域識(shí)別率達(dá)93.7%。

王永祥等[5]針對(duì)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠老化、失效以及高風(fēng)壓荷載導(dǎo)致的玻璃脫落等安全事故問(wèn)題，提出了一種基于光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)玻璃幕墻邊緣動(dòng)態(tài)應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)的方法，構(gòu)造了玻璃面板邊緣應(yīng)變與結(jié)構(gòu)膠之間的多模態(tài)耦合模型，從而預(yù)測(cè)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全狀況。通過(guò)對(duì)比分析多模態(tài)應(yīng)變的仿真與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以得到：準(zhǔn)分布光纖光柵能夠給出結(jié)構(gòu)膠的失效位置，提前對(duì)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的健康狀況進(jìn)行安全性能評(píng)估與反饋。

2 試驗(yàn)測(cè)試儀器及結(jié)果

固有頻率分析是結(jié)構(gòu)振動(dòng)固有特性分析之一，且是模態(tài)參數(shù)中最容易獲得的一個(gè)參數(shù)。

當(dāng)幕墻玻璃的結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，其固有振動(dòng)特性就會(huì)發(fā)生變化，所以目前利用結(jié)構(gòu)振動(dòng)的特性參數(shù)來(lái)檢查結(jié)構(gòu)是否完好成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。

玻璃整體在無(wú)約束條件下，正面玻璃固有頻率只與邊界結(jié)構(gòu)膠的約束狀況有關(guān)。玻璃自重對(duì)約束改變不大，改變激勵(lì)位置和振動(dòng)加速度傳感器位置來(lái)測(cè)試固有頻率。

2.1 便攜式幕墻玻璃板塊脫落風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)儀

幕墻檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)是一款小型的、快速的固有頻率檢測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)幕墻的振動(dòng)頻譜進(jìn)行分析，通過(guò)人機(jī)界面顯示結(jié)果。同時(shí)，將檢測(cè)信息及時(shí)傳送到計(jì)算機(jī)或管理平臺(tái)，檢測(cè)儀配有大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，通過(guò)USB等標(biāo)準(zhǔn)通信接口與上位機(jī)軟件建立通信。檢測(cè)儀應(yīng)獲得玻璃幕墻的振動(dòng)頻譜，并提取固有頻率，并且還應(yīng)包含玻璃、石材幕墻的環(huán)境信息，對(duì)于系統(tǒng)測(cè)試信息的提取、輸出、顯示和應(yīng)用等功能的實(shí)現(xiàn)。

幕墻檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)硬件由傳感器、控制執(zhí)行器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、模數(shù)信號(hào)處理電路，以及儀器操作面板和對(duì)外通信接口電路組成。中央處理器是檢測(cè)評(píng)估系統(tǒng)的核心，將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和相關(guān)分析提取出所需的測(cè)量信息，具體為振動(dòng)的頻譜信息和固有頻率。

此外，通過(guò)位移、加速度傳感器將幕墻板塊的振動(dòng)信息（位移、加速度）轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以接受和處理的模擬電壓信號(hào)。通過(guò)模擬電路進(jìn)行模擬信號(hào)處理后，形成與振動(dòng)物理信息對(duì)應(yīng)的高信噪比測(cè)量信號(hào)，再由中央處理器以測(cè)量信息的形式輸出測(cè)量結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)測(cè)量

常見(jiàn)的玻璃幕墻失效模式有3種：一是玻璃面板失效，二是黏結(jié)材料失效，三是幕墻支承結(jié)構(gòu)失效。

本課題首先對(duì)黏結(jié)材料失效進(jìn)行模擬，主要包括2種情況：硅酮（聚硅氧烷）結(jié)構(gòu)膠全部老化、硅酮結(jié)構(gòu)膠部分失效。

由于全部硅酮結(jié)構(gòu)膠在相同的大氣環(huán)境下工作，因此可以假設(shè)玻璃幕墻各部位硅酮結(jié)構(gòu)膠的老化程度一樣。硅酮結(jié)構(gòu)膠部分失效的情況會(huì)造成玻璃面板和支承結(jié)構(gòu)部分脫離。

對(duì)于硅酮結(jié)構(gòu)膠全部老化情況，結(jié)構(gòu)膠在使用過(guò)程中，黏結(jié)性能會(huì)逐漸下降。將結(jié)構(gòu)膠放入高溫高濕環(huán)境進(jìn)行人工加速老化，并對(duì)不同老化時(shí)間的結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行加載可獲得變形與荷載曲線，如圖1所示。因此，在本項(xiàng)目模擬中通過(guò)增加硅酮結(jié)構(gòu)膠的彈性模量來(lái)模擬其老化，并進(jìn)一步分析其對(duì)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響。

圖1 不同老化時(shí)間后結(jié)構(gòu)膠荷載-變形曲線

取玻璃面板一邊長(zhǎng)度a＝600 mm，另外一邊長(zhǎng)度b從600 mm連續(xù)變化至1 000 mm。計(jì)算其前4階振動(dòng)頻率，即m＝n＝1，m＝1、n＝2，m＝2、n＝1，m＝2、n＝2。

圖2給出了前4階模態(tài)頻率隨一邊邊長(zhǎng)的變化曲線。從圖中可以看出，隨著玻璃面板一邊尺寸增大，結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率連續(xù)降低。

圖2 前4階模態(tài)頻率隨一邊長(zhǎng)度變化

圖3和圖4給出了不同邊長(zhǎng)以及不同邊長(zhǎng)變化率下各階頻率的變化率?？梢钥闯?，在邊長(zhǎng)增大2 cm，即改變約3.3%的情況下，頻率已發(fā)生約5%的改變，當(dāng)邊長(zhǎng)進(jìn)一步增大時(shí)，頻率改變率隨之增加。由此可知，在實(shí)際玻璃幕墻檢測(cè)時(shí)，如果不同尺寸的幕墻放在一起比較，較小的尺寸差異會(huì)導(dǎo)致較大的頻率變化，從而誤認(rèn)為玻璃面板發(fā)生疑似脫落，得到錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)論。

圖3 前4階模態(tài)頻率變化率與一邊長(zhǎng)度關(guān)系

圖4 前4階模態(tài)的頻率變化率與邊長(zhǎng)變化率關(guān)系

取玻璃面板兩邊長(zhǎng)度均從6 0 0 m m 連續(xù)變化至1 000 mm。以第2階模態(tài)為例，由于2個(gè)邊長(zhǎng)均為變量，因此得到頻率隨邊長(zhǎng)變化的二維曲面如圖5所示。在600 mm×600 mm時(shí)自振頻率最大，為82.4 Hz，在1 000 mm×1 000 mm時(shí)自振頻率最小，為29.7 Hz。兩邊同時(shí)變長(zhǎng)時(shí)，自振頻率降低得更快。

圖5 第2階頻率隨兩邊長(zhǎng)變化曲面

從試驗(yàn)角度對(duì)玻璃振動(dòng)固有頻率隨著尺寸的變化進(jìn)行分析，固定測(cè)試板塊的寬度為600 mm，改變板塊的高度，進(jìn)行3次測(cè)試取平均值作為樣品固有頻率，數(shù)據(jù)如表1所示。樣品的寬度與固有頻率關(guān)系如圖6所示，固有頻率隨著高度的增大而減小，符合理論研究結(jié)果。

表1 固定寬度玻璃固有頻率

圖6 不同高度玻璃幕墻固有頻率

根據(jù)玻璃幕墻板塊振型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)測(cè)試方案見(jiàn)圖7。

圖7 測(cè)試方案

圖7中紅點(diǎn)為傳感器位置，共布設(shè)4個(gè)傳感器。藍(lán)色三角形為敲擊位置，1為正中心；2和3分別位于左中和右中，兩者激勵(lì)效果等效；4和5分別位于上中和下中，兩者激勵(lì)效果等效；6、7、8和9分別位于對(duì)角線上，這4個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的激勵(lì)效果等效。

結(jié)果顯示：正中心激勵(lì)時(shí)，主要振動(dòng)頻率為175 Hz。2和3點(diǎn)激勵(lì)時(shí)，主要振動(dòng)頻率為148、175 Hz，且148 Hz對(duì)應(yīng)頻率幅值更大。4和5點(diǎn)激勵(lì)時(shí)，主要振動(dòng)頻率為175 Hz。6、7、8和9點(diǎn)激勵(lì)時(shí)，主要振動(dòng)頻率為148、175 Hz，且兩者幅值基本接近。上述結(jié)果可用于指導(dǎo)實(shí)際檢測(cè)時(shí)的激勵(lì)位置。

3 隱框玻璃脫落原因分析

由以上研究?jī)?nèi)容可知：玻璃脫落意味著作用在玻璃上的外力，主要包括水平方向的風(fēng)壓和豎向的玻璃自重等，超過(guò)了結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)力。借用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力需要滿足的關(guān)系來(lái)表示隱框玻璃正常工作所需滿足的條件，即：

式中：R——玻璃和結(jié)構(gòu)膠之間的黏結(jié)力；

S——作用在玻璃上的外力。

因此，評(píng)判玻璃脫落風(fēng)險(xiǎn)需分析黏結(jié)力降低的原因和程度。結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)力屬于結(jié)構(gòu)膠與玻璃面板界面之間的相互作用。在玻璃正常受力時(shí)，黏結(jié)力與外力相平衡，大小與外力一致。我們常說(shuō)的玻璃脫落其實(shí)是外力作用超過(guò)了極限黏結(jié)力。黏結(jié)力是一個(gè)分布力，可以考慮為黏結(jié)應(yīng)力（單位面積上的黏結(jié)力）與面積的乘積。

結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)力與2個(gè)因素相關(guān)：

1）結(jié)構(gòu)膠與玻璃的黏結(jié)面積，當(dāng)結(jié)構(gòu)膠脫落時(shí)，黏結(jié)面積減小，極限黏結(jié)力降低，造成脫落風(fēng)險(xiǎn)升高。

2）結(jié)構(gòu)膠長(zhǎng)期使用后材料老化和其他因素導(dǎo)致極限黏結(jié)力直接降低，從而造成玻璃脫落風(fēng)險(xiǎn)升高。

4 玻璃振動(dòng)分析的作用

理論及試驗(yàn)分析表明，玻璃振動(dòng)頻率和振型由以下4個(gè)因素決定：

1）結(jié)構(gòu)膠相關(guān)的邊界條件1：結(jié)構(gòu)膠的黏結(jié)面積。

2）結(jié)構(gòu)膠相關(guān)的邊界條件2：結(jié)構(gòu)膠本身具備的彈性模量。

3）玻璃的幾何尺寸，包括邊長(zhǎng)和厚度。

4）玻璃的物理參數(shù)，包括密度、彈性模量和泊松比。

上述因素中，通過(guò)大量的振動(dòng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析，可以得到振動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)面積（亦可表示為結(jié)構(gòu)膠脫落長(zhǎng)度）之間的關(guān)系，從而在新的測(cè)試中可以通過(guò)振動(dòng)頻率判斷結(jié)構(gòu)膠脫落情況和玻璃脫落風(fēng)險(xiǎn)。

而上述因素中的2）、3）和4）則是識(shí)別1）過(guò)程中的干擾因素。因此，需要研究結(jié)構(gòu)膠老化導(dǎo)致其彈性模量增大對(duì)玻璃振動(dòng)頻率的影響、溫度變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠彈性模量變化對(duì)玻璃振動(dòng)頻率的影響以及玻璃尺寸變化對(duì)玻璃振動(dòng)頻率的影響。當(dāng)排除上述因素影響后，可更精確地識(shí)別判斷脫膠情況。

需要指出的是，上文中提及的黏結(jié)力是界面中的靜力，極限黏結(jié)力的大小不影響玻璃振動(dòng)模態(tài)。黏結(jié)力對(duì)玻璃振動(dòng)模態(tài)的影響只體現(xiàn)在有和無(wú)上：黏結(jié)力存在，結(jié)構(gòu)膠就能起到約束的作用；黏結(jié)力不存在，邊界條件改變，振動(dòng)模態(tài)受到影響。

同時(shí)，對(duì)于結(jié)構(gòu)膠和玻璃之間的黏結(jié)力目前尚未見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)和研究數(shù)據(jù)。根據(jù)推測(cè)，結(jié)構(gòu)膠和玻璃之間的極限黏結(jié)應(yīng)力（或稱(chēng)黏結(jié)強(qiáng)度）與玻璃表面清潔度、施工質(zhì)量、使用年限（老化程度）等有關(guān)。因此，可通過(guò)試驗(yàn)研究結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)力與上述因素之間的關(guān)系，然后在實(shí)際檢測(cè)中，利用該關(guān)系，對(duì)黏結(jié)力進(jìn)行估計(jì)。估計(jì)得到的黏結(jié)力與玻璃脫落風(fēng)險(xiǎn)直接相關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，玻璃脫落的風(fēng)險(xiǎn)主要與結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)面積和黏結(jié)強(qiáng)度相關(guān)，而兩者影響分別需通過(guò)振動(dòng)法和試驗(yàn)研究確定。

最終的風(fēng)險(xiǎn)判斷主要由振動(dòng)頻率來(lái)估計(jì)脫膠長(zhǎng)度，玻璃尺寸、結(jié)構(gòu)膠老化程度、溫度影響、黏結(jié)強(qiáng)度等均通過(guò)修正系數(shù)來(lái)體現(xiàn)。玻璃脫落風(fēng)險(xiǎn)的影響因素分析具體如圖8所示。

圖8 玻璃脫落風(fēng)險(xiǎn)影響因素分析