玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性評價的振動分析法

高崇亮 程 超 夏 慶 王 波 曹亞軍

中建深圳裝飾有限公司 廣東 深圳 518023

玻璃幕墻是現(xiàn)代建筑的重要組成部分，尤其在高層建筑中應(yīng)用廣泛。同所有材料和結(jié)構(gòu)一樣，玻璃幕墻在長期使用過程中，其使用的結(jié)構(gòu)膠、螺栓、龍骨等均存在不同程度的性能退化、松動和腐蝕等現(xiàn)象，影響了作用在幕墻玻璃上的黏結(jié)力和緊固力，造成幕墻玻璃松動，極端情況下幕墻玻璃可能脫落。幕墻玻璃的松動和脫落會導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。近年來，我國發(fā)生了多起幕墻玻璃墜落事故，造成了嚴(yán)重的后果[1-2]。

對于該類事故防患于未然的方法是對現(xiàn)有玻璃幕墻定期進行大規(guī)模檢測[3]，尤其是超過設(shè)計使用年限，使用過程中長期遭受陽光照射、潮濕雨水和強風(fēng)影響的玻璃幕墻。然而，目前適用于玻璃幕墻，且簡單、高效、可靠的脫落風(fēng)險檢測方法非常少。其中基于振動的結(jié)構(gòu)檢測方法被學(xué)者應(yīng)用于幕墻玻璃脫落風(fēng)險檢測，已被證明是一種簡便可行的手段[4-6]。該方法的主要原理為：幕墻玻璃的松動是由于其四周邊界條件發(fā)生了改變，從而影響幕墻玻璃的自振頻率。因此，通過結(jié)構(gòu)振動頻率的改變可判斷其邊界條件是否變化，從而分析出幕墻玻璃的松動程度和脫落風(fēng)險。根據(jù)頻率變化程度可以進一步對玻璃幕墻的安全性進行評估，劉小根[7]提出了劃分安全頻率區(qū)間法，在玻璃板塊的頻率上限和下限之間將玻璃幕墻安全劃分成4個等份。將把玻璃板塊在四邊固支和簡支時對應(yīng)的固有頻率分別作為評價玻璃幕墻安全等級的頻率上下限值。并進一步提出了將幕墻安全等級劃分為au、bu、cu和du這4個等級，給出了玻璃板塊屬于各等級的概率計算方法。該方法的不足之處在于沒有將玻璃板塊的振動頻率與結(jié)構(gòu)的抗力因素直接關(guān)聯(lián)，而僅對頻率區(qū)間進行劃分。

綜上所述，當(dāng)前研究表明從玻璃板塊的振動信號中可提取有效信息用于玻璃脫落風(fēng)險評估，但從結(jié)構(gòu)可靠性評價的角度來看，還未形成系統(tǒng)的、實際可行的可靠性評價方法。本文針對當(dāng)前基于振動方法的幕墻脫落風(fēng)險評估存在的問題，分析了影響結(jié)構(gòu)膠與玻璃板塊之間黏結(jié)力的影響因素，通過振動信號分析建立黏結(jié)力與結(jié)構(gòu)振動頻率之間的經(jīng)驗關(guān)系，最后給出了玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性評價方法。

1 玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性評價

1.1當(dāng)前玻璃幕墻板塊安全性評價標(biāo)準(zhǔn)

玻璃幕墻板塊脫落的風(fēng)險取決于結(jié)構(gòu)膠與玻璃板塊間的黏結(jié)力，因此本文將從玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性評價的角度來考慮玻璃幕墻板塊脫落風(fēng)險評價問題。在隱框玻璃幕墻中，外層玻璃面板通過硅酮結(jié)構(gòu)膠與內(nèi)層玻璃黏結(jié)在一起，然后再通過硅酮結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)于金屬附框。對于外層玻璃面板，其結(jié)構(gòu)抗力取決于結(jié)構(gòu)膠的拉伸強度和界面黏結(jié)強度。當(dāng)外力超過結(jié)構(gòu)膠的拉伸強度時，結(jié)構(gòu)膠發(fā)生內(nèi)聚破壞；當(dāng)外力超過界面黏結(jié)強度時，結(jié)構(gòu)膠與玻璃之間的界面發(fā)生脫黏。因此，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)荷載、地震荷載和豎向的玻璃自重等引起的荷載效應(yīng)，超過了結(jié)構(gòu)膠提供的抗力。

可以看出，評判玻璃脫落風(fēng)險首先需要分析抗力降低的原因，評估抗力降低的程度。目前的研究在對結(jié)構(gòu)抗力進行分析時，一般只考慮結(jié)構(gòu)膠的拉伸強度，但在實際的幕墻事故中經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠與玻璃面板之間發(fā)生脫黏現(xiàn)象，即結(jié)構(gòu)膠的界面黏結(jié)強度大大降低。孫與康[8]研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)膠老化導(dǎo)致其與玻璃黏結(jié)界面的性能下降比膠體本身更為嚴(yán)重。

因此，大部分玻璃面板墜落事故都是從黏結(jié)界面開始的。劉小根等[9]也通過試驗驗證了結(jié)構(gòu)老化之后，其破壞形式主要表現(xiàn)為界面拉斷，這與老化前的內(nèi)聚破壞完全不同。同時，研究也發(fā)現(xiàn)目前結(jié)構(gòu)膠在自然老化的情況下，其拉伸黏結(jié)強度相對比較穩(wěn)定[10]，同時根據(jù)目前實際工程中結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計和應(yīng)用情況，其拉伸強度一般均有較大的安全儲備。因此，本文認為玻璃板塊在外力作用下的抗力主要取決于其與結(jié)構(gòu)膠之間的界面黏結(jié)強度。

在玻璃正常受力時，界面黏結(jié)力與外力相平衡，大小與外力一致。當(dāng)荷載效應(yīng)超過了極限界面黏結(jié)力時就會發(fā)生玻璃脫落[11]。黏結(jié)力是一個分布力，可以考慮為界面黏結(jié)應(yīng)力（單位面積上的黏結(jié)力）與面積的乘積，即R=σA。因此，結(jié)構(gòu)膠界面黏結(jié)力與2個因素相關(guān)，其一是結(jié)構(gòu)膠與玻璃的黏結(jié)面積，當(dāng)結(jié)構(gòu)膠脫黏時，黏結(jié)面積減小，極限黏結(jié)力降低，造成脫落風(fēng)險升高；其二是結(jié)構(gòu)膠長期使用后，由于材料老化和其他因素導(dǎo)致的界面黏結(jié)強度的直接降低，造成玻璃脫落風(fēng)險升高，玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性降低。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》針對民用建筑及其附屬構(gòu)筑物給出了詳細的可靠性鑒定方法。該方法中，對于一般構(gòu)件，將其安全性分為au、bu、cu和du這4個等級，具體分級標(biāo)準(zhǔn)和處理要求見表1。安全性等級評定主要通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力和作用效應(yīng)之比計算得到，即R/（γ0S），其中γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)給出了一般性的可靠性鑒定方法，但未針對玻璃幕墻給出具體的方法。廣東省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳于2011年發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-88—2011《建筑幕墻可靠性鑒定技術(shù)規(guī)程》，其中對面板構(gòu)件及其連接給出了承載力的安全性等級計算方法和評定標(biāo)準(zhǔn)。同時也指出，對于結(jié)構(gòu)膠，還需要進行剝離試驗以評定其黏結(jié)性和最大強度伸長率，并給出了評定標(biāo)準(zhǔn)。但此標(biāo)準(zhǔn)為定性評價，其精度和準(zhǔn)確性難以保證。

表1 單個構(gòu)件安全性鑒定分級標(biāo)準(zhǔn)

1.2基于振動分析法的玻璃幕墻板塊安全性評價

針對上述問題，本文提出基于振動分析方法的玻璃幕墻板塊安全性等級評價方法?；谡駝有盘柕牟ＡО鍓K固有頻率分析已被應(yīng)用于玻璃板塊脫落風(fēng)險評估，但目前的方法只是單純根據(jù)頻率變化率定義玻璃板塊脫落風(fēng)險，沒有與結(jié)構(gòu)的抗力情況相關(guān)聯(lián)。由于影響玻璃板塊黏結(jié)狀態(tài)的各因素與此同時也會影響玻璃板塊的振動頻率，因此，本文將通過玻璃板塊的振動頻率分析，估算玻璃板塊黏結(jié)狀態(tài)，進一步通過玻璃板塊黏結(jié)狀態(tài)來估算結(jié)構(gòu)抗力R，最終通過玻璃板塊振動頻率分析實現(xiàn)玻璃幕墻板塊的安全性評價。

如1.1節(jié)所述，玻璃板塊與結(jié)構(gòu)膠之間的黏結(jié)狀態(tài)主要與2個因素相關(guān)，即黏結(jié)面積和界面黏結(jié)強度。對于黏結(jié)面積，由于結(jié)構(gòu)膠脫膠會改變玻璃板塊的邊界條件，從而降低玻璃板塊的振動頻率。因此，可以通過試驗建立玻璃板塊振動頻率與脫膠長度之間的關(guān)系，從而通過振動頻率估算脫膠長度得到脫膠后的黏結(jié)面積。對于界面黏結(jié)強度，其主要受到結(jié)構(gòu)膠老化程度的影響。由于結(jié)構(gòu)膠老化會導(dǎo)致其彈性模量增大，從而增強玻璃板塊的四邊約束，增大玻璃板塊的振動頻率，因此，同樣可以通過振動頻率的改變來評估結(jié)構(gòu)膠界面黏結(jié)強度的變化情況。式（1）給出了本文所提出的玻璃板塊黏結(jié)可靠性評價的計算方法：

2 玻璃板塊黏結(jié)可靠性分析

2.1玻璃板塊脫膠長度試驗研究

理論上，薄板結(jié)構(gòu)的固有頻率分析一般假設(shè)其邊界條件為簡支或固支。隱框玻璃幕墻中，玻璃板塊通過結(jié)構(gòu)膠固定，結(jié)構(gòu)膠可視為玻璃板塊的彈性支撐。與理想情況下的四邊簡支邊界條件相比，由于結(jié)構(gòu)膠的彈性模量和剪切模量相對玻璃均很小，因此，結(jié)構(gòu)膠提供的約束僅在轉(zhuǎn)動自由度上略大于簡支的轉(zhuǎn)動無約束情況，而在水平和豎直2個方向上遠小于簡支的全約束狀態(tài)?？偟膩碚f，相比四邊簡支，結(jié)構(gòu)膠對玻璃面板的約束更小。因此，難以通過理論分析得到邊界條件改變對玻璃板塊固有頻率的影響。本文首先通過試驗方法得到結(jié)構(gòu)膠脫膠長度與固有頻率之間的關(guān)系。

本試驗使用的雙層玻璃幕墻板塊尺寸為661 mm×601 mm×6 mm，夾層為12 mm。玻璃板塊四邊使用的硅酮結(jié)構(gòu)膠固定于鋁合金框架上。結(jié)構(gòu)膠的黏結(jié)厚度為12 mm，寬度為5 mm。試驗中使用力錘激勵，利用安裝在玻璃面板上的加速度傳感器（型號為東華1A803E）采集振動加速度信號，數(shù)據(jù)采集模塊為美國國家儀器公司的USB-4431振動采集模塊。

本次試驗共使用4個單軸加速度傳感器，布設(shè)位置如圖1所示。該布設(shè)方案不僅可識別頻率，也可識別對應(yīng)的振型，在本文中只分析頻率的變化。本次試驗中，通過人工切割的方式破壞結(jié)構(gòu)膠與玻璃面板之間的黏結(jié)，形成玻璃面板脫膠狀態(tài)，脫膠位于短邊，脫膠長度從5 cm增至60 cm，每次增加5 cm，共測試12次。對所有數(shù)據(jù)進行分析以得到頻率隨脫膠長度的變化規(guī)律。圖2給出了玻璃完好狀態(tài)下得到的玻璃板塊典型振動時程曲線，同時利用傅里葉譜結(jié)合隨機子空間法得到了不同脫膠長度下的結(jié)構(gòu)的二階代表模態(tài)的頻率。識別得到的頻率隨脫膠長度的變化規(guī)律如圖3所示。從圖中可以看出，脫膠長度從5 cm變化到25 cm，玻璃板塊振動頻率基本未發(fā)生改變，當(dāng)脫膠長度為30 cm及以上時，頻率明顯降低，最后脫膠長度達到60 cm時，下降趨勢稍變緩。該趨勢可通過二次曲線擬合得到一個可供實際評估使用的經(jīng)驗關(guān)系式，這樣便可通過頻率變化估算結(jié)構(gòu)膠的脫膠長度。

圖1 傳感器的布設(shè)位置

圖2 脈沖激勵下玻璃板塊典型振動時程曲線

圖3 頻率隨脫膠長度的變化規(guī)律

2.2結(jié)構(gòu)膠界面黏結(jié)強度估計

如1.1節(jié)所述，結(jié)構(gòu)膠界面黏結(jié)強度與其老化程度有關(guān)，大量文獻和現(xiàn)場數(shù)據(jù)均證明了這一點，但目前尚缺乏對結(jié)構(gòu)膠界面黏結(jié)強度與老化程度之間的系統(tǒng)研究和定量關(guān)系數(shù)據(jù)。如果能通過大量實驗室試驗和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)建立起結(jié)構(gòu)膠老化時間與界面黏結(jié)強度之間的經(jīng)驗關(guān)系，便可通過結(jié)構(gòu)膠老化時間估算界面黏結(jié)強度的降低程度，從而進一步計算結(jié)構(gòu)膠所提供的抗力。

此外，結(jié)構(gòu)膠老化導(dǎo)致其剛度和硬度均發(fā)生改變，并體現(xiàn)在玻璃面板固有振動頻率的改變，尤其是高階模態(tài)變化更明顯。研究表明，隨著老化時間的增長，玻璃面板的固有頻率持續(xù)增加，當(dāng)老化時間達到5 000 h，玻璃面板的第三階振動頻率增加近50%，同時老化時間與頻率變化率之間的關(guān)系離散性較小?？梢?，通過振動測試也可以估計結(jié)構(gòu)膠的老化程度，并進一步得到結(jié)構(gòu)膠的界面黏結(jié)強度。由于缺乏相關(guān)研究數(shù)據(jù)，本文暫假定結(jié)構(gòu)膠的界面黏結(jié)強度的下降程度來說明所提出的玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性評價方法。

2.3玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性評價算例

本文進行可靠性分析的玻璃幕墻采用硅酮結(jié)構(gòu)膠并固定于鋁合金框架上，如圖4所示，雙層玻璃幕墻板塊的具體尺寸為661 mm×601 mm，硅酮結(jié)構(gòu)膠的寬度為12 mm，通過振動分析法估算得到脫膠長度為350 mm，具體的工程背景如下：

圖4 玻璃脫膠情況示意

該玻璃幕墻結(jié)構(gòu)位于深圳地區(qū)某高層建筑上，安裝高度為50 m，該地區(qū)地面粗糙度取c類，抗震設(shè)防烈度為7度。

由建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范可得風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk；由建筑抗震設(shè)計規(guī)范可得垂直于玻璃幕墻平面的分布水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值qEK以及平行于玻璃幕墻平面的集中水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值PEK；通過荷載效應(yīng)組合得到豎向作用效應(yīng)組合SV以及水平向作用效應(yīng)組合SL，具體數(shù)值見表2。

表2 荷載及荷載效應(yīng)組合

得到荷載效應(yīng)后按式（2）計算水平和豎直方向的結(jié)構(gòu)抗力：

按照式（1）對幕墻結(jié)構(gòu)進行可靠性分析，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取γ0=1.0，驗算結(jié)果見表3。

表3 幕墻結(jié)構(gòu)可靠性分析

3 結(jié)語

目前，基于振動方法的玻璃板塊脫落風(fēng)險分析僅根據(jù)理論的固有頻率區(qū)間劃分法進行，該方法缺乏與結(jié)構(gòu)材料和力學(xué)參數(shù)之間的直接關(guān)聯(lián)。本文針對隱框玻璃幕墻，給出了一種玻璃板塊黏結(jié)可靠性評價的方法，該方法通過分析玻璃板塊的振動特征，估計結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)面積和界面黏結(jié)強度，從而得到結(jié)構(gòu)膠提供的抗力，并用于可靠性指標(biāo)計算。

對于結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)面積，本文通過試驗得到了脫膠長度與玻璃板塊振動頻率之間的關(guān)系；對于界面黏結(jié)強度，本文分析了其與老化時間及玻璃板塊振動頻率之間的關(guān)系。最后通過算例說明了該方法的分析過程和可行性，有望作為一種實用的玻璃板塊黏結(jié)可靠性評價方法應(yīng)用于實際工程。

需要指出的是，結(jié)構(gòu)膠界面黏結(jié)強度的估計需進一步通過實驗室的老化試驗和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行研究。另外，不同尺寸的玻璃幕墻板塊的脫膠長度和頻率之間的關(guān)系也需要進一步研究。