8基于固有频率变化的玻璃幕墙可靠性评估.doc

基于固有频率变化的玻璃幕墙安全评估刘小根，包亦望，邱岩，王秀芳（中国建筑材料科学研究总院，绿色建材国家重点实验室，北京 100086）摘要：针对幕墙玻璃突发性脱落并导致城市灾难事故的问题，提出通过振动测试方法获得幕墙玻璃的固有频率来识别玻璃幕墙支承结构松动损伤程度。研究了四边夹支玻璃幕墙在其支承结构体系出现松动损伤后幕墙玻璃的固有频率变化规律。试验结果表明，幕墙玻璃的固有频率随其边界支承松动而不断衰降，且分布在低于玻璃边界四边固支和高于四边简支对应的频率约20%的区间内。根据试验结果，结合矩形薄板边界约束与其动态参数关系，建立起了一套以幕墙玻璃固有频率变化来评价玻璃幕墙支承结构松动损伤及玻璃脱落风险的标准，形成了一种可以现场检测既有玻璃幕墙安全性能的简便方法。通过两个实例分析，验证了该方法的实用性和可靠性。关键词：玻璃幕墙；固有频率；损伤识别；安全评估 我国是最大的玻璃幕墙生产与使用国。然而，伴随着玻璃幕墙使用量的增多及服役年限的增加，由于设计、施工存在的问题及幕墙支承结构材料的性能退化和玻璃本身缺陷等因素，玻璃幕墙的质量问题越来越突出，幕墙玻璃突发破裂或坠落事故时有发生，严重威胁着人们的生命财产安全。因此，如何现场检测及监测既有玻璃幕墙服役健康状态，确立一套评估玻璃幕墙安全标准是保障玻璃幕墙在使用中预防灾害发生，减少经济损失所迫切需要解决的核心问题。目前，我国相关科研工作者对玻璃幕墙安全性能检测进行了深入的研究 1-3，并率先制订了一套既有玻璃幕墙安全性能现场检测标准4。国外，Weggel，Belarb，Brueggeman均采用动态方法研究了玻璃幕墙的性能5-7，William较详细地分析了幕墙结构的各种失效模式8，Efstathiades研究了采用神经网络方法监测玻璃幕墙健康状态9。美国对建筑结构胶进行了广泛研究，且制定了相关标准和规程10-12。这些研究成果对玻璃幕墙安全检测与评估均具有很好的指导作用，但对现场检测仍缺乏可操作性。玻璃幕墙的失效模式主要包括三大类：材料失效，结构失效和功能失效。当幕墙玻璃本身结构及性态不发生改变时，随着使用年限的增加，幕墙的支承体系及粘结体系会发生松动、老化及力学性能退化，可实际表现出幕墙玻璃的支承边界条件发生松动变化，并导致玻璃的固有频率衰降，另一方面，幕墙玻璃支承松动变化使玻璃幕墙抗外力作用能力降低，增大了幕墙玻璃脱落风险概率，影响其服役安全可靠性。因此，本文提出了通过振动测试获得玻璃的固有频率来评价玻璃幕墙的安全可靠性的一种全新的思维方法，研究目的就是要建立起幕墙玻璃的固有频率衰降与其边界支承松动损伤关系及其评价标准，从而形成一种采用幕墙玻璃频率变化来检测既有玻璃幕墙安全可靠性的新方法，为既有玻璃幕墙的维护、更换提供检测判断依据。1试验条件与方法本文对四边有框支承玻璃幕墙进行分析。为了得到幕墙玻璃边界不同松动程度与其固有频率变化之间的关系，试验室特制一玻璃四边支承松紧可调节装置（见图1），该装置由一个钢基底及边部夹紧装置构成，夹紧装置松紧可通过螺栓进行调节，将玻璃板试样放置于钢基底框架上，玻璃与金属框架之间用弹性橡皮为支承垫，从而使其工作状态与四边夹支玻璃幕墙的实际情况相接近。通过调节螺栓松紧，获得玻璃四边不同夹紧状况下的固有频率。幕墙玻璃固有频率测量采用北京东方振动和噪声技术研究所研制的DASP-ET软件及相关硬件设施进行，激励装置采用橡胶力锤，按触发激振方法获得玻璃的振动信号，利用快速傅立叶变换(FFT)进行频谱分析，便可精确得到玻璃的振动固有频率。 图1玻璃四边支承可调节松紧装置2 结果和讨论2.1 四边夹支玻璃幕墙支承松动对幕墙玻璃固有频率的影响将紧固螺栓拧到最紧状态，然后不断松动螺栓，螺栓松动可视为幕墙玻璃边界支撑发生松动损伤，所有螺栓同步每松动1/2周测量玻璃固有频率一次（只考虑玻璃一阶固有频率），获得玻璃固有频率随其四边紧固力关系（玻璃尺寸为300mm300mm4mm），见图2。由图可以看出，随着螺栓的松动圈数（紧固力衰降）增大，玻璃的固有频率不断降低，而且几乎呈线性关系。图2 不同螺栓紧固力下玻璃的固有频率进一步对该块玻璃四边不同边界支承条件（简支和固支，玻璃板可视为弹性矩形薄板）及不同螺栓紧固力对应的固有频率数值（见表1）进行分析，可以看出所测得的玻璃板的固有频率处在低于玻璃板四边固支和高于四边简支对应的频率约20%的区间（由于实际中玻璃的边界固定是不可能完全四边固支或四边简支的， 所以这大约离四边固支或四边简支理论频率20%左右的频率区间是无法测得到的）。随着玻璃四边紧固力的均匀增大，幕墙玻璃的固有频率也在这一区间均匀的递增。表1 不同螺栓紧固力下玻璃板的固有频率支承条件四边简支螺栓紧固圈数（圈）四边固支0 0.5 1 1.5 2 2.5 3固有频率(Hz)219.0267.3277.5287.6297.5307.5317.5327.4398.0上面试验结果启发了我们可以通过测量玻璃的固有频率来识别该块玻璃的四边支承松紧状况。显然，相同条件下，当玻璃边界支承越松，则其固有频率越低。往往新建的玻璃幕墙由于其支承结构没有出现松动或老化，幕墙玻璃板支承紧固，对应的固有频率较大，而此时幕墙玻璃抵抗外力作用能力也较大，脱落风险也低。随着玻璃幕墙使用年限的增加，幕墙玻璃板边界因支承结构的老化，变形或破损而不断松动，幕墙玻璃对应的固有频率也不断衰降，此时幕墙玻璃抵抗外力作用能力也衰退，其脱落风险概率也大。因此，我们可以只测量一下幕墙玻璃的固有频率，并通过相对比较，建立起评价标准，就可以简便地知道幕墙玻璃的支承松动程度及脱落风险概率,进而评价玻璃幕墙的可靠性。2.2基于固有频率变化的玻璃幕墙安全等级评估方法对现有建筑构件的安全评估主要通过综合考虑其剩余寿命及价值从而决定构件是否应该被更换,以及在安全、经济上是否合理等，因此合理的评估方法很重要。玻璃幕墙脱落主要来源于两方面：一方面是因支承体系，锚固体系和胶黏剂（结构胶）的松动，老化，开裂和变形等而引起对幕墙玻璃支承紧固力衰降，从而使幕墙玻璃抵抗外力作用能力降低而增大了其脱落概率；另一方面来自于幕墙玻璃面板本身缺陷而引起玻璃自爆脱落。而第一方面综合影响作用可表现为幕墙玻璃频率改变的单因素线性函数。因此，我们可以只简单地根据幕墙玻璃固有频率变化大小来识别幕墙因支承结构的老化和损伤程度，评价玻璃幕墙的健康状态及剩余寿命。2.2.1相对比较法幕墙玻璃相互之间是一个单独的单元体，不同玻璃之间的安全性态会存在一定的差别，某块玻璃的破损或脱落基本上不会影响其他幕墙玻璃的使用。相对比较法是通过相互之间的比较，快速找出可能出现问题的幕墙玻璃，从而有针对性地对其采取安全加固或更换措施。相对比较法是建立在同条件下的基础之上的13，也就是说相互比较的幕墙玻璃应该是玻璃品种、形状尺寸、支承方式及材料、施工工艺等均应一样。对于同一工程的幕墙玻璃来说，基本上能满足上述几个条件（至少能分几个批次地满足），因此就给相对比较法提供了条件。在完成现场测量所有需要检测的幕墙玻璃的频率后，将具有相同条件的幕墙玻璃分批比较，显然，频率越高的幕墙玻璃，其安全性越高，而对于那些频率明显偏低的玻璃，就应该引起注意，此时，可对那些频率偏低的玻璃进行更加细致的观察和检测，找出可能出现问题的原因。2.2.2 划分安全频率区间法 相对比较法能快速发现可能出现安全问题的幕墙玻璃，但该方法缺乏整体评估性，比如，我们获得了某栋大楼所有幕墙玻璃的固有频率，我们要如何知道该大楼的幕墙玻璃是否存在安全隐患，其安全等级如何，剩余寿命还有多少，是否需要采取维修加固甚至更换措施等。为此，我们提出了安全频率区间法，其基本思路就是针对某已知玻璃品种、结构、形状尺寸、边界支承条件的幕墙玻璃，对其安全等级事先按频率值的大小区间进行划分，当实测同条件下幕墙玻璃的频率处于哪个频率区间范围时，我们就认为该块玻璃处于这个频率区间对应的安全等级范围内。欧洲学者提出了EPIQR和MEDIC两种方法评价建筑构件的可靠性，评估时把建筑物单元按、 4个等级划分，其中：为可靠；为基本上可靠，能正常使用；为需要维修；为不能继续使用，必须立即采取措施14。显然，用幕墙玻璃固有频率变化来识别玻璃幕墙的损伤程度，也可按4个级别进行划分，但准确确定分级标准（频率区间）是非常重要的。图3显示了按频率区间将玻璃幕墙划分成四个安全等级，此时需要确定幕墙玻璃的频率上限、A、B、C和频率下限5个频率值。试验表明（经过大量试验证明），四边支承幕墙玻璃板固有频率处于四边简支和四边固支对应的固有频率之间，也就是说，支承越紧固，幕墙玻璃板的极限频率越接近于其在四边固支对应下的固有频率，相反，支承越松动，其对应的固有频率越接近于简支状态下对应的固有频率。因此，可以把幕墙玻璃在四边固支和简支对应下的固有频率作为评价玻璃幕墙安全等级的频率上下限值。根据薄板理论，四边固支和简支板固有频率计算方法如下15：四边简支（频率下限值，rad/s）： （1）四边固支（频率上限值，rad/s）： （2）其中：玻璃的固有频率（rad/s），被测试样弯曲刚度，每单位面积的玻璃质量，-玻璃长度，玻璃宽度；其中和为测量值，弯曲刚度的表达式为： （3）其中：-玻璃的杨氏模量； -玻璃的厚度；-玻璃的泊松比。 图3玻璃幕墙可靠性评价安全等级划分只要幕墙玻璃板的形状尺寸结构确定下来了，则玻璃幕墙分级标准的上下限值就确定下来了，下面最为关键的是确定A、B、C的频率区间值，这需要大量试验和工程检测及实践经验，科学地获得幕墙玻璃固有频率的衰降量及对应的玻璃幕墙失效概率或损伤程度，根据失效概率定级。当然，最为简便的方法是直接在试验室里建立起幕墙玻璃固有频率衰降与其承载外力能力下降量关系（或隐框幕墙玻璃固有频率与结构胶剥离强度关系），根据其承载力下降量确定幕墙的安全等级，直接获得安全频率划分区间。作者对不同建设年代的四边有框和隐框玻璃幕墙进行了大量的现场测量及试验室验证，给出表2的玻璃幕墙安全等级分级标准及对应的幕墙玻璃频率区间划分建议值。由于隐框玻璃幕墙的玻璃是完全只靠结构胶的粘结力附在附框上，因此其对应的安全频率划分区间与有框玻璃幕墙低。表2 四边支承玻璃幕墙安全等级分级标准及玻璃频率区间安全等级分级标准频率区间（有框玻璃幕墙）频率区间（隐框玻璃幕墙）安全状态 安全性能符合要求，不影响玻璃幕墙继续使用下限频率150%上限频率下限频率130%上限频率安全可靠 安全性能略低，尚不显著影响玻璃幕墙的继续使用下限频率130%下限频率150%下限频率120%下限频率130%使用正常 安全性能不足，已显著影响玻璃幕墙的继续使用下限频率120%下限频率130%下限频率下限频率120%需要维修加固 安全性能严重不符合要求，已严重影响玻璃幕墙的继续使用下限频率120%下限频率不能使用3 现场检测应用实例(1) 实例1：某大学游泳馆玻璃幕墙安全性能检测（划分安全频率区间法）工程描述：玻璃幕墙结构形式为隐框玻璃幕墙；幕墙玻璃规格为普通单片玻璃，长宽尺寸为2000mm740mm，厚度为6mm，玻璃为钢化玻璃。外观检测发现隐框幕墙结构胶表面光滑，未发现龟裂，脱胶，断胶等现象。玻璃幕墙结构外表见图4（a），幕墙玻璃固有频率测量采样见图4（b）（a）玻璃幕墙外观 (b) 现场采样测试图4 玻璃幕墙外观与现场采样示意图对玻璃频率计算选择参数为： ，则，根据式（1）和（2），得到该幕墙玻璃频率下限值为30.6Hz，上限值为64.2 Hz。根据表2的频率区间划分法，得到玻璃的安全等级频率区间为：级（39.864.2Hz）, 级（36.7239.8Hz）, 级（30.636.72Hz）,级（30.6Hz）。采用日本理音公司生产的便携式振动分析仪（VA-11）对幕墙玻璃频率进行测量，采用触发激励，玻璃的典型的触发激励振动全程波形图见图5（a），对振动信号进行傅立叶积分变换，得到玻璃振动频谱图，见图5（b），由图中可以直接得到玻璃的振动频率。 （a） 触发激励振动全程波形图 （b）玻璃振动频谱图图5 玻璃振动波形图及频谱图通过对该玻璃幕墙第一层表面完好的30块玻璃的固有频率进行测量，测量结果见表3。表3 幕墙玻璃固有频率现场检测数据玻璃编号12345678910固有频率（Hz）44444343434343444544玻璃编号11121314151617181920固有频率（Hz）42444443434444434444玻璃编号21222324252627282930固有频率（Hz）42424343434443444444由表3可知，整个实测幕墙玻璃样本频率，42Hz占3块，43Hz占12块，44Hz占14块，45Hz占1块。实测幕墙玻璃频率变化起伏很小，利用相对比较法可初步说明玻璃幕墙安全状态比较均匀，应属于同一个安全等级状态。根据计算得到的安全频率区间，可知所测量的玻璃频率均分布在级别（39.864.2Hz）频率区间中，说明该玻璃幕墙安全性能符合要求，玻璃幕墙可以继续使用(2) 实例2：某商业会所玻璃幕墙检测（相对比较法）工程描述：幕墙玻璃上下边夹支，左右边与临近玻璃采用密封结构胶粘结密封；玻璃为普通单片平板玻璃。外观检查发现该玻璃幕墙部分地方存在结构密封胶严重老化，有的地方甚至脱胶断胶。对该商厦二层的幕墙玻璃进行频率测量，结果见表4。 表4某商业会所幕墙玻璃固有频率测量值玻璃编号12345678频率（Hz）22.522.511.5121772316由表4可以看出，3、4、5、6、8号玻璃的固有频率明显比其它几块玻璃的频率偏低，说明这几块玻璃存在问题。针对频率偏低的玻璃边缘支承情况进行细致检查，发现密封胶存脱胶或断胶等质量问题，而频率偏高的玻璃则未发现此现象。试验证明了采用相对比较法可快速识别幕墙玻璃边界支承结构或材料的松动或老化、损伤的存在。因此，相对比较法可快速查出可能存在安全隐患的幕墙玻璃。4 结论1）边界支承越松，幕墙玻璃的固有频率越低，而且支承紧固力与玻璃固有频率呈线性关系，四边夹支幕墙玻璃的固有频率处在低于玻璃四边固支和高于四边简支对应的频率约20%的区间，其相对大小体现了玻璃四边支承松紧状况，可作为评价玻璃幕墙支承松动损伤程度参数。2） 四边固支和简支幕墙玻璃板对应的固有频率可分别作为划分玻璃幕墙安全频率区间的上、下限值，安全状态下四边有框支承幕墙玻璃频率应高于其下限频率的30%，隐框玻璃幕墙应高于其下限频率的20%。3）现场检测试验证明了玻璃固有频率是一个比较容易、精确，廉价获得的参数，采用玻璃固有频率变化可快速、方便可靠识别玻璃幕墙支承结构的损伤存在，从而为玻璃幕墙安全评估提供依据。 参考文献1 张元发,陆津龙.玻璃幕墙安全性能现场检测评估技术探讨J.新型建筑材料,2002,05:49-52.2 方东平,李铭恩,毕庶涛.建筑幕墙的安全问题及评估方法J.新型建筑材料,2001,04:12-15.3 辛达帆, 陆津龙.使用中的幕墙玻璃评估方法的研究J.建筑施工,2004,26(1):64-67.4 DG/TJ08-803-2005, 玻璃幕墙安全性能检测评估技术规程(试行)s.5 WEGGLE DAVID, ZAPATA BRIAN, KIEFER MICHAEL J. 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