鄭毅， 夏馮慧， 吳映棟， 張大偉

（1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310012；2.浙江綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司，杭州 310007）

0 引言

背栓式石材幕墻是石材幕墻的一種連接形式。石材面板背部開(kāi)孔并通過(guò)背栓組合掛件與龍骨固定，因其施工簡(jiǎn)便，機(jī)械錨固，抗震性能高等優(yōu)點(diǎn)被大量工程使用［1，2］。石材幕墻在實(shí)際施工及使用過(guò)程中，由于人因失誤導(dǎo)致的施工質(zhì)量問(wèn)題以及荷載和環(huán)境因素會(huì)對(duì)石材幕墻的安全性造成較大影響。經(jīng)調(diào)查背栓式石材幕墻破壞案例中以背栓連接處破壞為主，主要表現(xiàn)為背栓數(shù)量不足（結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)），背栓未擴(kuò)張，面板底孔成形差以及鋁合金連接件發(fā)生松動(dòng)等工況［3］。由于背栓式石材幕墻的構(gòu)造特點(diǎn)，實(shí)際背栓位置和背栓缺陷通常無(wú)法直接觀察判斷。因此，亟需開(kāi)發(fā)既有背栓式石材幕墻的安全性無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

振動(dòng)信號(hào)損傷識(shí)別技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)中已被廣泛使用［4，5］。劉習(xí)軍［6］提出了利用振動(dòng)響應(yīng)相關(guān)性識(shí)別簡(jiǎn)支梁損傷的方法，該方法無(wú)需結(jié)構(gòu)損傷前響應(yīng)信息，且通過(guò)提升小波變換改進(jìn)了移動(dòng)荷載行駛速度對(duì)損傷識(shí)別效果的影響。陳振宇［7］通過(guò)對(duì)玻璃幕墻面板中心進(jìn)行激振，獲取面板不同位置處的脈沖響應(yīng)信號(hào)的功率譜，建立結(jié)構(gòu)膠損傷長(zhǎng)度與功率譜主峰頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用于識(shí)別結(jié)構(gòu)膠損傷程度。

現(xiàn)有針對(duì)幕墻檢測(cè)技術(shù)的研究主要集中于玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，包括結(jié)構(gòu)膠性能老化和面板開(kāi)裂的檢測(cè)，而對(duì)于石材幕墻的安全性評(píng)估與檢測(cè)研究相對(duì)較少。因此，文中采用振動(dòng)測(cè)試技術(shù)對(duì)不同背栓位置工況下的背栓式石材幕墻的振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行研究，為實(shí)際工程檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用提供參考。

1 振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)

1.1 背栓位置識(shí)別原理

由于背栓式石材幕墻可以近似看作四點(diǎn)固定支撐結(jié)構(gòu)，文中首先利用abaqus中的殼單元對(duì)四點(diǎn)固支板進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，分析其模態(tài)振型特征。分析結(jié)果如下。

由模態(tài)分析結(jié)果可知，四點(diǎn)固支板模態(tài)振型存在可以識(shí)別出四點(diǎn)約束位置，呈現(xiàn)條狀分布的短邊模態(tài)和長(zhǎng)邊模態(tài)見(jiàn)圖1、圖2，可利用此兩階模態(tài)識(shí)別背栓位置。

圖1 短邊模態(tài)

圖2 長(zhǎng)邊模態(tài)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)主要以石材面板開(kāi)孔位置為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了2種不同的開(kāi)孔位置，具體的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。石材面板尺寸及具體開(kāi)孔尺寸如圖3和圖4所示。

表1 石材面板幾何參數(shù) mm

圖3 石材面板尺寸（單位：mm）

圖4 石材面板開(kāi)孔尺寸（單位：mm）

石材為花崗巖，背栓型號(hào)為M8。背栓錨固深度與面板開(kāi)孔深度保持一致。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)由石材面板，背栓連接件，鋼框架三部分組成。為實(shí)現(xiàn)石材面板的掛裝，文中設(shè)計(jì)了如圖5所示的鋼框架作為石材幕墻龍骨。鋼框架整體尺寸為1000mm×1000mm×1400mm，由4根空心方鋼管及16塊鋼梁作為石材幕墻系統(tǒng)中的立柱和橫梁。單個(gè)平面內(nèi)分布4塊橫梁，橫梁間距從上到下依次為360、295、360、360mm間距的兩塊鋼梁用于掛裝石材面板。鋼梁截面尺寸為50mm×15mm，長(zhǎng)度為1000mm；空心方鋼管截面尺寸為50mm×50mm，壁厚為5mm。石材面板使用如圖6所示的鋁合金連接件實(shí)現(xiàn)與L型支架掛裝。試驗(yàn)采用DH5922N東華通用型動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，對(duì)加速度傳感器和力錘輸出的加速度信號(hào)和力信號(hào)進(jìn)行采集。

圖5 背栓式石材幕墻試驗(yàn)裝置

圖6 背栓式石材幕墻試驗(yàn)裝置

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用移動(dòng)力錘-固定傳感器法，力錘激勵(lì)位置如圖7所示。BS130與BS180石材面板均設(shè)置4條測(cè)線，包括2條沿面板長(zhǎng)度方向測(cè)線和2條沿面板寬度方向測(cè)線；測(cè)點(diǎn)間距布置為10mm。沿石材面板長(zhǎng)度方向的測(cè)線包含89個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿石材面板寬度方向的測(cè)線包含59個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖7 激勵(lì)點(diǎn)測(cè)線布置

測(cè)試響應(yīng)點(diǎn)的選擇應(yīng)遵循在所關(guān)注模態(tài)中存在較大振幅的原則，且所關(guān)注的面板模態(tài)皆為對(duì)稱模態(tài)，因此選擇面板中心作為加速度響應(yīng)測(cè)量點(diǎn)如圖3所示。加速度計(jì)采用膠水牢固粘合于石材面板，所測(cè)量的加速度方向?yàn)榇怪庇诿姘逭駝?dòng)自由度方向。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 模態(tài)頻率

兩種工況下的模態(tài)頻率測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 各工況模態(tài)頻率變化

如圖8（a）所示，BS180試件不存在短邊模態(tài)分化，而B(niǎo)S130試件短邊模態(tài)均分化為兩階固有頻率相近的模態(tài)，分別與左右背栓的位置存在關(guān)聯(lián)。分析原因主要是掛裝石材面板的兩根鋼梁間距為360mm，為石材面板寬度的3/5，當(dāng)開(kāi)孔位置沿面板長(zhǎng)度方向距離為540mm，即BS180工況下，開(kāi)孔間距為面板長(zhǎng)度的3/5，此時(shí)鋼框架與石材面板整體系統(tǒng)的剛度分布處于對(duì)稱狀態(tài)，因而不存在短邊模態(tài)分化；對(duì)BS130試件，系統(tǒng)剛度沿面板長(zhǎng)度方向分布出現(xiàn)變化導(dǎo)致短邊模態(tài)分化為兩階相近模態(tài)。

由表2可以看出，背栓開(kāi)孔距石材面板邊緣距離會(huì)影響背栓式石材幕墻的固有頻率。對(duì)BS130試件，短邊模態(tài)1為129.395Hz，短邊模態(tài)2為139.16Hz，長(zhǎng)邊模態(tài)為270.02Hz；對(duì)BS180試件，短邊模態(tài)為119.141Hz，長(zhǎng)邊模態(tài)為291.016Hz；與BS180試件相比，BS130試件的短邊模態(tài)增加了8.6%及16.8%，長(zhǎng)邊模態(tài)降低了7.2%。

表2 模態(tài)頻率及阻尼比測(cè)試結(jié)果

2.2 基于模態(tài)振型的背栓位置識(shí)別

通過(guò)力錘和加速度傳感器獲取測(cè)線中各測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)，根據(jù)峰值拾取法，提取各測(cè)點(diǎn)在短邊模態(tài)頻率和長(zhǎng)邊模態(tài)頻率處的頻響函數(shù)幅值，可實(shí)現(xiàn)各測(cè)線模態(tài)振型識(shí)別。在各工況的短邊模態(tài)與長(zhǎng)邊模態(tài)中，測(cè)線振型均呈現(xiàn)出“W”型形態(tài)，其中“W”型的兩個(gè)最低點(diǎn)為背栓式石材幕墻系統(tǒng)中的邊界約束，也即背栓的位置。短邊模態(tài)中最低點(diǎn)表示沿面板長(zhǎng)度方向背栓的位置，長(zhǎng)邊模態(tài)中最低點(diǎn)表示沿面板寬度方向背栓的位置。實(shí)際工況下，背栓與面板通過(guò)鋁合金連接件相連，為面接觸如圖3所示，因此文中定義誤差為預(yù)測(cè)位置與該接觸面的最短距離，誤差率為該最短距離與面板邊長(zhǎng)的比值。

BS130工況下，短邊模態(tài)與長(zhǎng)邊模態(tài)的振型如圖9所示。X120測(cè)線短邊模態(tài)1（129.395Hz）中，振型最低點(diǎn)出現(xiàn)在17cm和65cm處，17cm處最低點(diǎn)顯示了A點(diǎn)和C點(diǎn)背栓的位置，誤差為1.5cm；短邊模態(tài)2（139.16Hz）中，振型最低點(diǎn)出現(xiàn)在25cm和75cm處，75cm處最低點(diǎn)顯示了B點(diǎn)和D點(diǎn)背栓的位置，無(wú)誤差；X200測(cè)線短邊模態(tài)1（129.395Hz）中，振型最低點(diǎn)出現(xiàn)在17cm和65cm處，17cm處最低點(diǎn)顯示了A點(diǎn)和C點(diǎn)背栓的位置，誤差為1.5cm；短邊模態(tài)2（139.16Hz）中，振型最低點(diǎn)出現(xiàn)在23cm和72cm處，72cm處最低點(diǎn)顯示了B點(diǎn)和D點(diǎn)背栓的位置，誤差為2.5cm；BS130工況下，兩條X向測(cè)線測(cè)試結(jié)果取平均值，背栓點(diǎn)沿石材面板長(zhǎng)度方向的位置識(shí)別結(jié)果平均誤差為1.4cm，誤差率為15.6‰。

圖9 BS130-模態(tài)振型結(jié)果

Y向左130測(cè)線長(zhǎng)邊模態(tài)（270.508Hz）中，振型最低點(diǎn)出現(xiàn)在15cm和48cm處，15cm處最低點(diǎn)顯示了A和B點(diǎn)背栓的位置，誤差為1.5cm，48cm處最低點(diǎn)顯示了C點(diǎn)和D點(diǎn)背栓的位置，無(wú)誤差；Y向左180測(cè)線長(zhǎng)邊模態(tài)（270.508Hz）中，振型最低點(diǎn)出現(xiàn)在14cm和47cm處，14cm處最低點(diǎn)顯示了A和B點(diǎn)背栓的位置，誤差為0.5cm，47cm處最低點(diǎn)顯示了C點(diǎn)和D點(diǎn)背栓的位置，無(wú)誤差；對(duì)BS130試件，兩條Y向測(cè)線測(cè)試結(jié)果取平均值，背栓點(diǎn)沿面板寬度方向的位置識(shí)別結(jié)果平均誤差為0.5cm，誤差率為8.3‰。

對(duì)BS180試件，短邊模態(tài)與長(zhǎng)邊模態(tài)的振型如圖10所示。X向120測(cè)線短邊模態(tài)（119.141Hz）中，振型最低點(diǎn)出現(xiàn)在20cm和71cm處，20cm處的波谷顯示了A點(diǎn)和C點(diǎn)背栓的位置，無(wú)誤差，71cm處的波谷顯示了B點(diǎn)和D點(diǎn)背栓的位置，無(wú)誤差；X向480測(cè)線短邊模態(tài)（119.141Hz）中，振型波谷出現(xiàn)在20cm和68cm處，20cm處波谷顯示了A點(diǎn)和C點(diǎn)背栓的位置，無(wú)誤差，68cm處波谷顯示了B點(diǎn)和D點(diǎn)背栓的位置，誤差為1.5cm；BS180工況下，兩條X向測(cè)線測(cè)試結(jié)果取平均值，背栓點(diǎn)沿石材面板長(zhǎng)度方向的位置識(shí)別結(jié)果平均誤差為0.4cm，誤差率為4.4‰。

圖10 BS180-模態(tài)振型結(jié)果

Y向左180測(cè)線長(zhǎng)邊模態(tài)（291.504Hz）中，振型波谷出現(xiàn)在15cm和47cm處，15cm處波谷顯示了A和B點(diǎn)背栓的位置，誤差為1.5cm，47cm處波谷顯示了C點(diǎn)和D點(diǎn)背栓的位置，無(wú)誤差；Y向右180測(cè)線長(zhǎng)邊模態(tài)（291.02Hz）中，振型波谷出現(xiàn)在15cm和47cm處，15cm處波谷顯示了A和B點(diǎn)背栓的位置，誤差為1.5cm，47cm處波谷顯示了C點(diǎn)和D點(diǎn)背栓的位置，無(wú)誤差；BS180工況下，兩條Y向測(cè)線測(cè)試結(jié)果取平均值，背栓點(diǎn)沿面板寬度方向的位置識(shí)別結(jié)果平均誤差為0.8cm，誤差率為13.3‰。

由圖11可知，兩種試驗(yàn)工況下，不同位置X向測(cè)線下識(shí)別出的背栓點(diǎn)X坐標(biāo)基本保持一致，不同位置Y向測(cè)線下識(shí)別出的背栓點(diǎn)Y向坐標(biāo)基本保持一致，因此，在實(shí)際檢測(cè)中僅需對(duì)每塊石材面板布置一條X向測(cè)線和一條Y向測(cè)線即可對(duì)四點(diǎn)背栓位置進(jìn)行識(shí)別。

圖11 不同測(cè)線位置對(duì)背栓坐標(biāo)識(shí)別的影響

BS130工況下，背栓位置識(shí)別結(jié)果如圖12所示。A點(diǎn)背栓的識(shí)別坐標(biāo)為（17，47），與預(yù)設(shè)位置的識(shí)別誤差為1.5cm；B點(diǎn)背栓的識(shí)別坐標(biāo)為（73.5，47），與預(yù)設(shè)位置的識(shí)別誤差為1.0cm；C點(diǎn)背栓的識(shí)別坐標(biāo)為（17，13.7），與預(yù)設(shè)位置的誤差為1.5cm；D點(diǎn)背栓的識(shí)別坐標(biāo)為（73.5，13.7），與預(yù)設(shè)位置的識(shí)別誤差為1.0cm；BS130工況下，四點(diǎn)背栓位置的平均識(shí)別誤差為1.25cm，平均誤差率為13.9‰。

圖12 BS130-背栓位置識(shí)別結(jié)果

BS180工況下，背栓位置如圖13所示。A點(diǎn)背栓的識(shí)別坐標(biāo)為（20，47），與預(yù)設(shè)位置的誤差為0；B點(diǎn)背栓的識(shí)別坐標(biāo)為（69.5，47），與預(yù)設(shè)位置的識(shí)別誤差為0；C點(diǎn)背栓的識(shí)別坐標(biāo)為（20，15），與預(yù)設(shè)位置的識(shí)別誤差為1.5cm；D點(diǎn)背栓的識(shí)別坐標(biāo)為（69.5，15），與預(yù)設(shè)位置的識(shí)別誤差為1.5cm；BS180工況下，四點(diǎn)背栓位置的平均識(shí)別誤差為0.75cm，平均誤差率為8.3‰。

圖13 BS180-背栓位置識(shí)別結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)開(kāi)展不同背栓安裝位置的振動(dòng)模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)背栓式石材幕墻背栓位置檢測(cè)的問(wèn)題進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

（1） 四點(diǎn)式背栓式石材幕墻可以近似看作四點(diǎn)支撐板結(jié)構(gòu)，其數(shù)值算例模態(tài)結(jié)果顯示，存在能夠明顯識(shí)別背栓位置的短邊模態(tài)和長(zhǎng)邊模態(tài)；沿石材面板長(zhǎng)度方向和沿寬度方向任選兩條測(cè)線進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，根據(jù)得出的兩組坐標(biāo)，可對(duì)背栓式石材幕墻背栓位置進(jìn)行確定。

（2） 當(dāng)背栓安裝位置距離上（下）邊緣和左（右）邊緣距離與面板長(zhǎng)寬比例不同時(shí)，受橫梁龍骨影響，剛度分布會(huì)出現(xiàn)變化，進(jìn)而導(dǎo)致短邊頻率分化為兩階頻率相近的模態(tài)。

（3） BS130工況下背栓位置識(shí)別平均誤差為1.25cm，誤差率13.9‰，BS180工況下背栓位置識(shí)別平均誤差為0.75cm，誤差率8.3‰，文中所提出的無(wú)損背栓位置識(shí)別方法具有較好的精確度。