金叔閣， 李 偉， 謝謨文， 陳 晨

(1. 南京市建鄴區(qū)應(yīng)急管理局，江蘇 南京 210019; 2. 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

中國(guó)建筑幕墻經(jīng)過(guò)近40年的飛速發(fā)展，從幕墻材料、幕墻體量、支撐形式及保溫防護(hù)等方面都得到了極大發(fā)展，幕墻技術(shù)不斷創(chuàng)新和進(jìn)步[1]。從簡(jiǎn)單的玻璃幕墻，到點(diǎn)支金屬幕墻[2]，雖然這些幕墻系統(tǒng)不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用，扮演著建筑外圍防護(hù)結(jié)構(gòu)或裝飾性結(jié)構(gòu)的角色，但是維護(hù)其結(jié)構(gòu)的安全性有著十分重要的意義[3-4]。隨著服役年限的增加和外界環(huán)境如重力荷載、風(fēng)荷載、穩(wěn)定等影響，金屬幕墻從小到漏雨、結(jié)構(gòu)外表皮侵蝕，大到破裂甚至墜落等嚴(yán)重的安全事故造成財(cái)產(chǎn)損失、人身傷害和社會(huì)負(fù)面影響。因此，對(duì)既有建筑金屬幕墻進(jìn)行有效的安全檢測(cè)具有極大的工程意義[5-6]。

傳統(tǒng)檢測(cè)金屬幕墻安全性的方法為人工目視檢測(cè)，憑借工人經(jīng)驗(yàn)，缺乏一種科學(xué)的檢測(cè)手段[7]。而幕墻脫落等安全事故的頻發(fā)，帶來(lái)了極大的社會(huì)影響，也得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視[8]。劉小根、包亦望等[9-10]采用常規(guī)接觸式振動(dòng)傳感器對(duì)明框幕墻進(jìn)行了穩(wěn)定性檢測(cè)，并提出了固有頻率作為判斷幕墻穩(wěn)定性的可行性方法。方治華、羅文奇等[11]采用有限元模擬軟件對(duì)不同約束情況下的玻璃幕墻進(jìn)行了模態(tài)分析，提出了基于模態(tài)曲率變化來(lái)對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行損傷識(shí)別的方法。國(guó)外學(xué)者Efstathiadesa等[12]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)幕墻進(jìn)行了安全檢查和損傷識(shí)別。然而，上述檢測(cè)方法依然存在數(shù)據(jù)獲取依賴條件較多，時(shí)效性差以及無(wú)法實(shí)現(xiàn)100%覆蓋式檢測(cè)金屬幕墻安全性等諸多問(wèn)題?；诖?，本文首先分析了能直接反應(yīng)金屬幕墻安全性的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)：振動(dòng)頻率和斜度，為激光測(cè)振技術(shù)的遠(yuǎn)程、快速準(zhǔn)確的安全檢測(cè)提供可行性指標(biāo)；再以深圳寶安國(guó)際機(jī)場(chǎng)外圍結(jié)構(gòu)上的點(diǎn)支式金屬幕墻為研究對(duì)象，同時(shí)采用遠(yuǎn)程激光測(cè)振儀（LDV）和傳統(tǒng)接觸式振動(dòng)傳感設(shè)備對(duì)金屬幕墻進(jìn)行約束螺母松動(dòng)性驗(yàn)證測(cè)試，獲取動(dòng)力特征參數(shù)對(duì)比分析。結(jié)果表明，將LDV應(yīng)用在金屬幕墻的安全檢測(cè)中具有可行性，且與傳統(tǒng)接觸式傳感器具有明顯優(yōu)勢(shì)。遠(yuǎn)程激光測(cè)振儀在建筑結(jié)構(gòu)的快速安全檢測(cè)中具有較好的應(yīng)用前景。

1 金屬幕墻動(dòng)力特征理論分析

金屬幕墻的固有頻率、阻尼比等模態(tài)特征參數(shù)可反映幕墻整體安全狀態(tài)，但受制于數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，外界環(huán)境干擾等因素制約，難以大范圍的得到實(shí)際工程應(yīng)用[13-14]。通過(guò)振動(dòng)采集設(shè)備可以得到金屬幕墻以時(shí)間為橫軸，速度或位移為縱軸的時(shí)域曲線，進(jìn)而得到多種動(dòng)力特征參數(shù)。本次研究采用振動(dòng)方差和斜度作為幕墻整體安全狀態(tài)判斷的動(dòng)力特征參數(shù)。

振動(dòng)方差表示振動(dòng)數(shù)據(jù)的離散程度，其值越大，振動(dòng)越分散，幕墻安全性越低，反之亦然。振動(dòng)方差計(jì)算公式為：

斜度表示振動(dòng)數(shù)據(jù)偏離平衡位置的程度與方向，其值的正負(fù)號(hào)表示不同的方向，大小表示偏離程度。斜度計(jì)算方式為：

當(dāng)金屬幕墻的節(jié)點(diǎn)、支座聯(lián)接處約束力發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致整個(gè)幕墻單元安全狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其振動(dòng)特征發(fā)生變化。通過(guò)振動(dòng)方差和斜度的變化特點(diǎn)，可得到金屬幕墻的安全狀態(tài)變化。本文以深圳國(guó)際機(jī)場(chǎng)金屬幕墻為測(cè)試對(duì)象，采用LDV和常規(guī)接觸式振動(dòng)傳感器進(jìn)行對(duì)比測(cè)量分析。

2 儀器設(shè)備

2.1 常規(guī)接觸式振動(dòng)傳感器

常規(guī)接觸式振動(dòng)傳感器采用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所研發(fā)的DASP模態(tài)測(cè)試分析設(shè)備。該設(shè)備主要由振動(dòng)采集儀、分析軟件、振動(dòng)傳感器和力錘組成，設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 DASP傳感設(shè)備技術(shù)參數(shù)

2.2 激光測(cè)振儀

試驗(yàn)采用德國(guó)POLYTEC公司的RSV-150型多普勒遠(yuǎn)程激光測(cè)振儀。該設(shè)備測(cè)量距離達(dá)到300 m，采樣頻率范圍 0～25 kHz，速度精度優(yōu)于0.5 μm/s，位移精度達(dá)到0.3 nm。其工作原理是He-Ne激光器發(fā)出一定頻率的偏振光，由分光鏡分成兩路，一路作為參考，一路用于測(cè)量。測(cè)量光由于被測(cè)物體振動(dòng)，引起其波長(zhǎng)發(fā)生變化即多普勒頻率。系統(tǒng)探測(cè)器通過(guò)收集反射光與參考光產(chǎn)生的干涉信號(hào)，從而得到被測(cè)物體的振動(dòng)信息，最后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，就可以得到金屬幕墻的振動(dòng)頻率和斜度等動(dòng)力特征參數(shù)。LDV設(shè)備采用光學(xué)部分與信號(hào)處理部分分離的方式，減少了元器件對(duì)信號(hào)的干擾。與傳統(tǒng)接觸式振動(dòng)采集設(shè)備相比，其非接觸式、快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)使得其在應(yīng)用方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，且其采集頻率范圍和采集精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)接觸式采集設(shè)備。圖1和圖2分別為激光測(cè)振儀設(shè)備和工作原理圖。

圖1 LDV激光測(cè)振儀設(shè)備

圖2 LDV工作原理

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 工程概況

深圳寶安國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓外圍采用內(nèi)外表皮系統(tǒng)形成，如圖3所示，其表皮由通過(guò)螺母固定在桁架結(jié)構(gòu)上的多邊形金屬幕墻單元組成。借助大空間鋼桁架結(jié)構(gòu)組成的蜂巢式屋面采用透光部分的玻璃幕墻及不透光的金屬幕墻組成復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)外表皮面積達(dá)到23萬(wàn)平方米。整個(gè)屋面有25 000多個(gè)蜂巢單元，采用活動(dòng)的可調(diào)節(jié)機(jī)械螺栓連接骨架與支座的方式，實(shí)現(xiàn)金屬幕墻框架任意角度之間的變換。金屬幕墻面板也通過(guò)螺母固定在框架結(jié)構(gòu)中，如圖4所示，從受力約束來(lái)看，金屬幕墻為典型的點(diǎn)支式幕墻結(jié)構(gòu)。

圖3 深圳機(jī)場(chǎng)金屬幕墻

圖4 螺母約束下的金屬幕墻

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證LDV在金屬幕墻安全檢測(cè)上的適用性，選取常規(guī)接觸式振動(dòng)傳感器DASP模態(tài)測(cè)試分析設(shè)備和LDV對(duì)同一金屬幕墻單元進(jìn)行同步測(cè)試，采集其振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

如圖5所示，選取矩形金屬幕墻作為測(cè)試對(duì)象，依次松動(dòng)八個(gè)約束螺母形成多種安全狀態(tài)下的幕墻工況，同時(shí)分別將DASP設(shè)備的傳感器粘接在幕墻面板中心位置，為便于測(cè)試結(jié)果對(duì)比，將LDV測(cè)點(diǎn)打在DASP設(shè)備粘接處的附近。采樣頻率均設(shè)置為1 000 Hz，采集時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為 6 s，測(cè)試時(shí)采用橡膠錘對(duì)幕墻進(jìn)行人工激勵(lì)。

圖5 測(cè)試環(huán)境

3.3 結(jié)果及分析

圖6為采集設(shè)備獲取的幕墻時(shí)域曲線，橫軸為時(shí)間，縱軸為振動(dòng)速度。

圖6 數(shù)據(jù)采集時(shí)域曲線

表2為DASP設(shè)備和LDV設(shè)備在不同工況下的金屬幕墻采集的時(shí)域曲線經(jīng)過(guò)公式（1）、公式（2）得到的振動(dòng)方差和斜度動(dòng)力特征參數(shù)值。由表2可以看出，隨著松動(dòng)螺母?jìng)€(gè)數(shù)的增加，金屬幕墻安全性降低，振動(dòng)方差值變大，斜度變小，且LDV設(shè)備和DASP設(shè)備得到的參數(shù)具有相同的變化趨勢(shì)。

表2 測(cè)試結(jié)果

依據(jù)式（3）計(jì)算兩設(shè)備所測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差，發(fā)現(xiàn)兩者測(cè)得的振動(dòng)方差相對(duì)誤差最大值為9.8%，最小值為5.2%，斜度相對(duì)誤差最大值為7.3%，最小值為2.0%。這表明采用LDV測(cè)量金屬幕墻的振動(dòng)動(dòng)力特征參數(shù)與接觸式的DASP設(shè)備測(cè)得的結(jié)果基本一致。不同松動(dòng)螺母?jìng)€(gè)數(shù)下，金屬幕墻的振動(dòng)方差和斜度相對(duì)誤差對(duì)應(yīng)變化如圖7所示。

圖7 測(cè)試結(jié)果及誤差分析

為進(jìn)一步分析動(dòng)力特征參數(shù)變化與幕墻安全狀態(tài)變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，振動(dòng)方差和斜度相較于固有頻率模態(tài)參數(shù)的優(yōu)勢(shì)，首先通過(guò)LDV設(shè)備采集的金屬幕墻時(shí)域曲線經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換得到不同工況下的固有頻率值，然后求出各參數(shù)相鄰工況的變化率，結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：振動(dòng)方差變化率和斜度變化率均大于固有頻率變化率，振動(dòng)方差和斜度更能明顯反應(yīng)金屬幕墻安全變化。隨著金屬幕墻松動(dòng)螺母?jìng)€(gè)數(shù)的增加，其安全性逐漸降低，振動(dòng)方差以逐漸增大的趨勢(shì)進(jìn)行變化，到松動(dòng)第7顆時(shí)，振動(dòng)方差變化率達(dá)到了2，松動(dòng)第8顆時(shí)，振動(dòng)方差變化率達(dá)到了4.9；同時(shí)，斜度絕對(duì)值逐漸增大的趨勢(shì)變化，在松動(dòng)第3顆時(shí)，其值正負(fù)號(hào)產(chǎn)生了變化，說(shuō)明幕墻偏離平衡位置產(chǎn)生了改變。

表3 各動(dòng)力特征參數(shù)變化率

4 結(jié)束語(yǔ)

1）采用遠(yuǎn)程LDV設(shè)備和接觸式DASP模態(tài)測(cè)試設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)同一金屬幕墻進(jìn)行同步測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨著幕墻約束螺母?jìng)€(gè)數(shù)的減小，其振動(dòng)方差和斜度兩種動(dòng)力學(xué)指標(biāo)變化率與幕墻安全性變化具有一致性，且兩種設(shè)備的這兩種指標(biāo)相對(duì)誤差最大為9.8%。表明采用遠(yuǎn)程LDV對(duì)金屬幕墻進(jìn)行安全性檢測(cè)具有技術(shù)可行性，同時(shí)振動(dòng)方差和斜度可以作為評(píng)價(jià)幕墻安全性的檢測(cè)指標(biāo)。

2）將振動(dòng)方差和斜度與固有頻率變化相比較發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)方差和斜度變化率可達(dá)4.9倍，對(duì)幕墻安全性變化更加敏感。

3）充分利用遠(yuǎn)程LDV的非接觸、高頻率和高精度的優(yōu)勢(shì)，快速得到金屬幕墻的動(dòng)力特征參數(shù)即可判斷幕墻安全性。該方法減少了傳感器安裝時(shí)間和對(duì)檢測(cè)對(duì)象的損害可能性，提高了檢測(cè)效率。結(jié)果表明采用LDV檢測(cè)金屬幕墻安全性具有明顯優(yōu)勢(shì)。

充分利用激光測(cè)振儀的快速、準(zhǔn)確以及非接觸式的特點(diǎn)，可在幕墻日常運(yùn)維檢測(cè)、工程驗(yàn)收等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。