既有玻璃幕墻安全性能檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

朱瑞娟 陳媛媛 劉繼武 李 治 李東原

（1中國建材檢驗認(rèn)證集團（陜西）有限公司；2國家建筑衛(wèi)生陶瓷質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，陜西 西安 710116）

玻璃幕墻大約于20世紀(jì)80年代從西方國家傳入我國，90年代中期形成高潮，是集建筑美學(xué)、建筑功能、建筑節(jié)能和建筑結(jié)構(gòu)等多種因素于一體的現(xiàn)代主義新型墻體。目前，北京、上海、廣州、深圳等大中城市相繼建造了大量的玻璃幕墻，調(diào)查顯示，2017年底，我國已建成了約10億平方米的各式建筑幕墻(包括采光屋面)，占世界總量的90%以上，其中玻璃幕墻占很大比重。

根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16776-2005《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》[1]和JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》[2]的要求，結(jié)構(gòu)膠需提供10年的質(zhì)量保證，然而，中國建筑大規(guī)模使用玻璃幕墻到現(xiàn)在已經(jīng)20多年，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過結(jié)構(gòu)密封膠的質(zhì)保期限。近兩年全國各地政府對當(dāng)?shù)匕l(fā)生的各種建筑玻璃破裂事故非常重視，住建部2016年8月又一次發(fā)布關(guān)于加強玻璃幕墻安全防護(hù)工作的通知。

1 既有玻璃幕墻安全隱患的原因分析

既有玻璃幕墻是針對已竣工驗收交付使用的建筑玻璃幕墻。我國每年發(fā)生的建筑玻璃幕墻墜落造成的安全事故至少上萬起，明顯多于國外發(fā)達(dá)國家同類事故。經(jīng)研究分析，大多數(shù)安全事故主要是由內(nèi)應(yīng)力引起的玻璃自爆和由外部因素引起的玻璃脫落導(dǎo)致。

1.1 由內(nèi)應(yīng)力引起的玻璃自爆

引起玻璃幕墻自爆的原因有很多種，但其根本原因是玻璃內(nèi)部應(yīng)力層內(nèi)的局部應(yīng)力集中引起的。大多數(shù)情況下，異質(zhì)相（如硫化鎳、單質(zhì)硅、氧化鋁等）是造成玻璃自爆的罪魁禍?zhǔn)譡3-4]，如硫化鎳的相變引起2%-4%的體積膨脹，使得玻璃承受巨大的相變張應(yīng)力；部分雜質(zhì)的物理力學(xué)性能參數(shù)與玻璃不匹配，致使玻璃在升溫降溫過程中在顆粒附近產(chǎn)生的張應(yīng)力等均會引起玻璃內(nèi)局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致玻璃的自爆。

玻璃在安裝過程中，存在工程質(zhì)量隱患。比如：玻璃板塊的垂直度，玻璃框架的垂直度、對角線等結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，幕墻構(gòu)件與結(jié)構(gòu)主體之間節(jié)點的連接和接頭處理，預(yù)埋件安裝位置偏差是否超出規(guī)范要求等都可能給工程造成一定的安全隱患。如果玻璃幕墻的安裝設(shè)計不合理，無法承受建筑物內(nèi)重力，進(jìn)而可能導(dǎo)致幕墻出現(xiàn)安裝應(yīng)力集中如擠壓變形或彎曲，超過玻璃的應(yīng)力極限，最終導(dǎo)致玻璃爆裂而墜落。

1.2 由外部因素引起的玻璃脫落

引起玻璃松動主要是外部因素。首先，結(jié)構(gòu)膠是玻璃幕墻結(jié)構(gòu)中重要材料之一，從市場調(diào)查情況來看，結(jié)構(gòu)膠失效占玻璃幕墻所有質(zhì)量問題的40%以上，結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，與接觸材料相容性差；長期受到自然環(huán)境如風(fēng)吹、雨淋、紫外線照射、地震等影響，造成膠體老化、失去粘接能力等均會導(dǎo)致幕墻玻璃松動而脫落。玻璃支承結(jié)構(gòu)即固定裝置和框架結(jié)構(gòu)，也會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效或其它無法預(yù)見的缺陷，都可能導(dǎo)致幕墻玻璃的墜落。

2 既有玻璃幕墻安全性能檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

既有玻璃幕墻玻璃材料、膠體及其結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全服役對保障城市公共安全至關(guān)重要，通過對玻璃自爆和玻璃脫落的分析，為以后展開進(jìn)一步的技術(shù)研究和實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2.1 玻璃自爆安全性檢測技術(shù)

玻璃自爆主要是由異質(zhì)物和安裝設(shè)計不當(dāng)引起局部應(yīng)力集中造成的，相較于自爆源的檢查，玻璃應(yīng)力集中狀態(tài)的檢查更具有直接性，因此，玻璃應(yīng)力集中的檢測對預(yù)防玻璃自爆至關(guān)重要。

工程中最基本的玻璃外觀檢測手段是依靠經(jīng)驗的表觀檢查和觸碰檢查，即在良好的自然光或散射光照條件下，觀察玻璃表面是否有缺陷，該方法簡單易行，但只針對缺陷較明顯的情況，人為客觀因素影響較大，且對檢測人員工作經(jīng)驗有較高要求。

目前，關(guān)于玻璃應(yīng)力測試的方法大多只適合于玻璃出廠前的檢測，常見的主要有四種[5]：干涉色法即簡式偏光儀法、四分之一波片法即讀數(shù)偏光儀法、補償式玻璃應(yīng)力測試法、半影檢偏器法，這些方法能夠檢測的玻璃樣品比較小，需固定檢測儀器而移動玻璃樣品，不適合在線檢測大型的既有玻璃幕墻。近幾年，萬德田等[6]人正在研發(fā)一種較新的檢測技術(shù)—光彈掃描法，根據(jù)透射式光彈原理，利用起偏片和檢偏片兩邊的透射光強差的變化獲取應(yīng)力條紋圖像，對這些區(qū)域進(jìn)一步放大分析處理可以確定雜質(zhì)或缺陷的類型、尺寸以及位置。該原理可針對玻璃出廠質(zhì)量、安裝前或服役中的鋼化玻璃進(jìn)行檢測，實驗裝置簡單，檢測人員無需進(jìn)行高空作業(yè)，人員以及比較貴重的儀器設(shè)備均可在室內(nèi)進(jìn)行，降低了人員風(fēng)險，也節(jié)約了檢測成本。此外，劉小根等[7]人通過光彈掃描法可以觀測到真空玻璃支撐物與玻璃支撐點處因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的應(yīng)力光斑，研究發(fā)現(xiàn)隨著真空度的提高，應(yīng)力光斑直徑也增大，該原理主要針對真空玻璃實際工程的在線檢測，操作簡單，結(jié)果直觀可靠。

2.2 玻璃脫落安全性能檢測技術(shù)

導(dǎo)致安全事故的幕墻風(fēng)險的另一種表現(xiàn)形式就是幕墻整塊墜落，這類事故的原因有多種多樣，主要包括結(jié)構(gòu)膠老化脫落和支撐結(jié)構(gòu)松動脫落，下面將從這兩方面對其安全性檢測技術(shù)進(jìn)行概述，主要檢測技術(shù)的對比見表1。

2.2.1 結(jié)構(gòu)膠安全性能檢測技術(shù)

結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量是評價玻璃幕墻整體安全性和耐久性的重要指標(biāo)之一，對結(jié)構(gòu)膠常規(guī)的檢測方法主要有目視法、敲擊檢測法、切割拉拔法、邵氏硬度法等。其中，目視法和敲擊檢測法只能作為結(jié)構(gòu)膠質(zhì)量檢測的初步無損檢測，人為因素影響較大，準(zhǔn)確度差，不能滿足玻璃安全性檢測的控制要求；切割拉拔法是將現(xiàn)場切割部分樣品送回實驗室進(jìn)行檢測，并對其進(jìn)行拉拔試驗，可直接測得膠體的最大拉伸強度、拉斷伸長率以及粘結(jié)破壞形式和粘結(jié)破壞面積等結(jié)果，可作為仲裁時的檢測方法，該方法屬于局部破損檢測，檢測后需進(jìn)行修復(fù)和加固；邵氏硬度法是用來判定結(jié)構(gòu)膠的硬化程度，方法簡單、快捷，能定量化說明膠材的質(zhì)量，但硬度只是結(jié)構(gòu)膠的指標(biāo)之一，故還需結(jié)合常規(guī)檢測方法（如目測、敲擊檢查等）或其他方法才能綜合判定。

近幾年，也相繼出現(xiàn)了其它的檢測方法，如推桿法、超聲波檢測、聲發(fā)射檢測、紅外線檢測法和X射線檢測法等[8-9]，此外，從國外引進(jìn)的氣囊法、吸盤法和多吸盤法等[10]在國內(nèi)也有應(yīng)用。推桿法和氣囊法屬于室內(nèi)進(jìn)行的檢測方法，檢測范圍相同，均是通過模擬玻璃幕墻風(fēng)壓作用進(jìn)行的檢測，氣囊法較推桿法更接近玻璃幕墻風(fēng)壓的作用，但檢測時需借助位移測量裝置，推桿法裝置簡單易攜帶，但僅能用于玻璃板塊與鋁型材副框粘接用密封膠的檢測；吸盤法和多吸盤法是通過模擬被測玻璃面板所受均勻風(fēng)荷載等效轉(zhuǎn)化為玻璃面板邊緣部位的荷載進(jìn)行的檢測，多吸盤法是通過多點載荷以模擬被測玻璃面板所受的均勻風(fēng)壓，較吸盤法更接近玻璃幕墻所受風(fēng)壓作用，這兩種方法屬于室外檢測，通常用來檢測中空玻璃幕墻的粘接情況；超聲波檢測和聲發(fā)射檢測均具有較高的準(zhǔn)確度，但只限于探傷，不能明確測定強度，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，且聲發(fā)射檢測法僅限于鋁制構(gòu)件的膠接檢測，胡紹海等人[11]利用超聲波檢測法分析了膠接結(jié)構(gòu)缺陷類型和原因分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了鋁膠接結(jié)構(gòu)缺陷的識別。同時，胡紹海等人[12]又利用聲發(fā)射檢測法，對膠接件進(jìn)行拉伸，可以檢測出缺陷位置和低膠接強度區(qū)。結(jié)果表明，聲發(fā)射檢測對膠接結(jié)構(gòu)的缺陷識別相對于超聲波檢測更準(zhǔn)確，膠接強度的估計精度與超聲波檢測相差甚微；X射線檢測法和紅外線檢測法缺陷識別率高，自動化程度高，也不能明確測定強度，在國內(nèi)還處于起步階段，相關(guān)儀器設(shè)備的成本較高。

表1 玻璃脫落安全性能主要檢測技術(shù)對比

2.2.2 支撐結(jié)構(gòu)安全性能檢測技術(shù)

鋁合金型材是玻璃幕墻的主要支承結(jié)構(gòu)，承受著玻璃面板傳來的各種荷載，對幕墻安全性起著至關(guān)重要的作用。膜厚是鋁合金型材質(zhì)量檢測的基礎(chǔ)項目，而鋁合金型材的硬度直接關(guān)系材料的受力，是檢驗結(jié)構(gòu)安全性的重要力學(xué)指標(biāo)之一。因此，鋁合金型材承載能力的主要檢測指標(biāo)包括：鋁合金型材膜厚和硬度[13]。

現(xiàn)階段對玻璃幕墻鋁合金型材硬度的檢測通常采用韋氏硬度計測量，膜厚的檢驗方法較多，包括渦流測厚儀、橫截面測量法和超聲測厚儀等。渦流法是常規(guī)檢測方法，具有無損、方便、快速等特點，適用于施工現(xiàn)場的快速檢測、生產(chǎn)與驗收檢測等；橫截面測量法需將樣品帶回實驗室檢測，測量準(zhǔn)確，是一種仲裁性檢測方法，但試樣制備復(fù)雜且破壞型材；超聲波測厚儀由于具有高精度自動化的優(yōu)點，在現(xiàn)場測試中被廣泛應(yīng)用。

2.2.3 其它相關(guān)檢測技術(shù)

無論是玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)松動損傷還是結(jié)構(gòu)膠的老化失效均會導(dǎo)致玻璃面板的松動，從而引起玻璃振動頻率的變化，基于這一原理，陳振宇等人[14]提出一種基于FFT功率譜實現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠脫粘長度的檢測，即通過玻璃面板板中激振與測點響應(yīng)信號的分析，對信號功率譜進(jìn)行的測試研究，但該檢測技術(shù)在實際的幕墻檢測工作中局限性較大，只適用于已失效結(jié)構(gòu)膠的脫粘長度的檢測，不能對將要失效的膠體做出預(yù)警。

劉小根等[15]研發(fā)的玻璃幕墻面板松動動態(tài)性能檢測儀，通過振動測試方法獲得幕墻玻璃的固有頻率來識別玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)松動損傷及其結(jié)構(gòu)膠的老化程度，按幕墻玻璃頻率與其失效概率關(guān)系建立起玻璃幕墻頻率安全等級區(qū)間，在現(xiàn)場就可對結(jié)構(gòu)膠的服役現(xiàn)狀（如結(jié)構(gòu)膠的脫膠部位、脫膠的長度、粘結(jié)強度是否高于臨界強度等）進(jìn)行識別，方法輕便、快捷，可實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸。

林圣忠等人[16]提出了以動應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠損傷檢測方法，實驗研究表明測點處應(yīng)變值隨結(jié)構(gòu)膠損傷而改變，隨損傷程度增大而增大。應(yīng)變測試精度高，數(shù)據(jù)處理、采集方便。

以上這些研究方法都是應(yīng)用于隱框玻璃幕墻的安全評定工作，且不能對缺陷類型進(jìn)行識別，也不能對粘結(jié)強度進(jìn)行定量的測定。

3 結(jié)語

為了解決建筑玻璃幕墻使用帶來的嚴(yán)峻的城市公共安全問題，玻璃幕墻檢測技術(shù)的安全性、效率和精準(zhǔn)度也不斷提高。通過對既有玻璃幕墻的風(fēng)險檢測技術(shù)和設(shè)備的歸納和對比，整體上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其工程應(yīng)用，尤其是玻璃幕墻內(nèi)部應(yīng)力的現(xiàn)場檢測，且已研發(fā)的測試技術(shù)均存在較大的局限性，如檢測對象會局限于中空玻璃或隱框玻璃、檢測類型會局限于結(jié)構(gòu)膠長度或鋁型材副框，檢測條件會局限于實驗室或室外檢測等，將來有必要研究確定一個實用且普適性強的指標(biāo)，如缺陷類型、膠體強度與粘結(jié)強度的關(guān)系等指標(biāo)。因此，開發(fā)既有玻璃幕墻的安全性檢測技術(shù)任重而道遠(yuǎn)。