基于激光振頻法的石材幕墻安全性能快速評(píng)價(jià)*

包亦望，鄭德志，劉小根，萬德田，孫與康

(1.中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司 綠色建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；2.中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司 中央研究院，北京 100024)

為了追求建筑物的恢宏、大氣、美觀與節(jié)能，建筑師越來越青睞于在建筑物外立面裝飾層使用石材幕墻.根據(jù)中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，我國建筑幕墻的年生產(chǎn)量從2001年的1 600萬平方米增至2014年的1.3億平方米，平均復(fù)合增長率為18%，已成為世界建筑幕墻第一生產(chǎn)大國，其中石材幕墻約占30%[1].石材幕墻按照施工方式可分為干掛法和濕貼法，其中干掛法因安全性、耐久性、可更換性等方面具有較大優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用.干掛石材幕墻是一種由石材面板、不銹鋼金屬掛件以及立柱橫梁龍骨組成的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu).金屬掛件一方面通過螺栓連接到龍骨上，另一方面通過膠粘劑與開槽的石材進(jìn)行連接.但在服役過程中，由于長期受到自然力以及熱應(yīng)力作用，必然導(dǎo)致飾面層材料本身以及連接掛件與支撐結(jié)構(gòu)的老化、損傷、松動(dòng)等問題，造成石材面板整體或局部松動(dòng)甚至脫落，嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)安定.既有建筑幕墻正常設(shè)計(jì)使用年限通常定為25年，因此，20世紀(jì)80～90年代建造的幕墻已接近甚至超過設(shè)計(jì)使用年限.此外2001年以前建成的金屬與石材幕墻，建造時(shí)還存在缺乏國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的問題，這類建筑幕墻的安全性問題在現(xiàn)階段顯得更為突出.因此，對(duì)既有建筑幕墻開展可靠性鑒定與評(píng)價(jià)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[2].

已有研究主要集中于建筑幕墻在承受熱應(yīng)力、地震力等外部荷載情況下整體的可靠性評(píng)價(jià)[3-4]，但目前鮮有研究關(guān)注干掛石材幕墻背部錨固結(jié)構(gòu)損傷的現(xiàn)場檢測.導(dǎo)致石材幕墻墜落的原因在于錨固結(jié)構(gòu)的失效和薄大理石板材的彎曲，而后者在大理石厚度超過5 cm時(shí)很少出現(xiàn).在石材幕墻背部錨固結(jié)構(gòu)損傷檢測方面，國內(nèi)外目前采用的主要測試方法有：觀察法、拉拔法、敲擊法等[5].其中，觀察法采用內(nèi)窺鏡對(duì)石材背部掛件以及龍骨進(jìn)行觀察，只可在幕墻局部位置使用；拉拔法屬于局部破損檢測，檢測時(shí)抽樣數(shù)量受到很多限制；敲擊法嚴(yán)重依賴檢測人員經(jīng)驗(yàn)，無法實(shí)現(xiàn)定量化檢測.

鑒于以上直接觀察法和抽樣檢測法無法準(zhǔn)確、快速檢測幕墻的安全性能，中國建筑材料科學(xué)研究總院劉小根等[6-7]采用動(dòng)態(tài)法研究既有玻璃幕墻安全性能評(píng)估，發(fā)現(xiàn)四邊支撐玻璃幕墻試樣邊界支撐松動(dòng)會(huì)引起其固有頻率衰減，從而利用幕墻玻璃固有頻率的降低程度來識(shí)別玻璃四邊支撐松動(dòng)損傷程度，但該研究并未涉及石材幕墻、陶瓷幕墻等施工方式為干掛的幕墻.已有研究利用激光多普勒測振儀測得隱框玻璃幕墻一階固有頻率來評(píng)價(jià)其安全性能[8]，但該研究也未涉及石材幕墻.相關(guān)研究[9]表明，存在缺陷的石材的一階頻率明顯低于完整石材，但對(duì)于背部錨固結(jié)構(gòu)損傷的檢測未進(jìn)行相關(guān)研究.綜上所述，已有研究采用動(dòng)態(tài)法獲取所有幕墻面板的固有頻率，通過相對(duì)比較，固有頻率值較低的幕墻面板因邊界支撐松動(dòng)而具有較大的墜落風(fēng)險(xiǎn)，但現(xiàn)有的檢測方法中固有頻率的獲取大多依賴加速度傳感器，其檢測效率受制于加速度傳感器的布置和拆除.

針對(duì)干掛石材幕墻墜落風(fēng)險(xiǎn)在線檢測方法的不足，本文提出激光振頻法，即通過激光位移傳感器獲取幕墻面板振動(dòng)信息，通過比較石材的振動(dòng)特征參數(shù)確定具有墜落風(fēng)險(xiǎn)的幕墻石材.通過激光振頻法對(duì)9種邊界條件下的石材面板進(jìn)行測試，研究了不同結(jié)構(gòu)損傷程度與石材一階固有頻率之間的關(guān)系，并將測試結(jié)果與模態(tài)分析方法所得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其可行性；其次研究了不同測試點(diǎn)和激光入射角對(duì)測試結(jié)果的影響，為實(shí)際工程檢測提供參考[10].

1 石材面板模擬試驗(yàn)

本文采用在四角點(diǎn)用金屬掛件連接的石材幕墻結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，為模擬石材面板實(shí)際所處的服役狀態(tài)，自行設(shè)計(jì)了相關(guān)試驗(yàn)裝置，如圖1所示.采用角鋼焊接而成的“口”字形鋼架模擬幕墻龍骨結(jié)構(gòu)，鋼架上通過螺栓連接四個(gè)“T”形金屬掛件，通過松動(dòng)螺栓可使金屬掛件松動(dòng)，并可使金屬掛件與鋼架脫離.掛件與石材面板在開槽處連接，然后在槽內(nèi)使用干掛石材膠粘劑固定，這樣石材面板通過金屬掛件連接到鋼架龍骨上，連接構(gòu)造如圖1d所示.從左上角處開始，按順時(shí)針方向?qū)⑺奶帓旒謩e標(biāo)記為A、B、C和D，如圖1b所示.將干掛石材背部連接損傷形式分為四類：第一類為四角連接牢固，包括ABCD；第二類為一角損傷，包括BCD、ACD、ABD、ABC；第三類為對(duì)角損傷，包括AC、BD；第四類為鄰角損傷，包括AD和BC.其中，ABCD表示四角連接牢固；BCD表示A處掛件拆除，而B、C、D三角處連接牢固；AC表示B、D兩處掛件拆除，而A、C兩處連接完好；以此類推.由于AB和DC兩種情況下石材面板極易崩邊破壞，本試驗(yàn)未對(duì)這兩種情況進(jìn)行討論.

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test equipment

為了進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，在石材面板上面均勻布置25個(gè)測點(diǎn)，如圖2所示.試驗(yàn)過程中在某一種邊界條件下，依次進(jìn)行模態(tài)測試和激光振頻測試，之后通過松動(dòng)或旋緊螺栓改變石材面板的邊界條件，直到9種損傷情況下的兩種試驗(yàn)全部完成，具體試驗(yàn)流程如圖3所示.

圖2 測試點(diǎn)選取示意圖Fig.2 Schematic selection of testing points

圖3 試驗(yàn)流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of test process

模態(tài)試驗(yàn)采用北京東方振動(dòng)與噪聲研究所研制的DASP模態(tài)分析軟件及相關(guān)硬件設(shè)施進(jìn)行.激勵(lì)裝置采用橡膠力錘，激勵(lì)所有測點(diǎn)，拾振裝置采用INV9822型加速度傳感器，參考點(diǎn)選在測點(diǎn)2和測點(diǎn)19，將不同測點(diǎn)處的激勵(lì)力信號(hào)以及參考點(diǎn)處的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)輸入采集卡，進(jìn)而通過DASP軟件可得到石材面板的固有頻率和陣型.模態(tài)測試采用多輸入多輸出(MIMO)方法，該方法所測得的固有頻率結(jié)果準(zhǔn)確，但操作繁瑣，耗時(shí)較長.

激光振頻測試試驗(yàn)裝置如圖4所示.采用基恩士國際貿(mào)易有限公司所售LK-G400高速激光位移傳感器取代加速度傳感器，通過激光位移傳感器直接采集某測點(diǎn)處的振動(dòng)信號(hào)，通過DASP軟件得到石材面板的一階固有頻率.將激光位移傳感器所發(fā)射出來的激光對(duì)準(zhǔn)圖2所示不同測點(diǎn)，分別測得石材面板的振動(dòng)固有頻率.

圖4 激光振頻測試系統(tǒng)Fig.4 Laser vibration frequency testing system

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 激光振頻測試結(jié)果與模態(tài)測試結(jié)果對(duì)比

激光振頻法和傳統(tǒng)模態(tài)法所得的四類不同邊界條件下石材固有頻率如表1所示.由表1可知，激光振頻法所得頻率fL與傳統(tǒng)模態(tài)法所得頻率fD相差在1%以內(nèi)，對(duì)于幕墻檢測的影響在允許范圍之內(nèi)，所以采用激光振頻法獲取石材一階固有頻率用于幕墻安全檢測具有一定的可靠性.表2為使用激光振頻法在不同測點(diǎn)所測得固有頻率數(shù)值的離散情況.由表2可知，每種損傷情況下所得頻率的標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.5，所以采用激光振頻法獲取石材一階固有頻率數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定性.

表1 石材固有頻率測試結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison for testing results of intrinsic frequencies of stones

表2 激光振頻法測試結(jié)果離散性Tab.2 Discreteness of testing results with laser vibration frequency method

2.2 結(jié)構(gòu)損傷對(duì)固有頻率的影響

不同結(jié)構(gòu)損傷情況下幕墻面板一階固有頻率如圖5所示.由圖5可知，石材面板固有頻率呈現(xiàn)階梯狀規(guī)律，在石材背部損傷程度相同時(shí)，石材面板一階固有頻率相差不大，而隨著石材背部損傷程度加大，石材面板的一階固有頻率依次下降.

圖5 不同結(jié)構(gòu)損傷情況下幕墻面板固有頻率Fig.5 Intrinsic frequency of curtain wall panels under different structural damages

石材面板背部連接掛件的損傷，造成石材結(jié)構(gòu)邊界條件的改變，繼而引起固有頻率的下降，石材背部損傷越嚴(yán)重，固有頻率的衰降幅度越大，因此，可通過測量幕墻面板的固有頻率來找出背部連接損傷的石材，排除幕墻石材的墜落風(fēng)險(xiǎn).

2.3 測試點(diǎn)對(duì)測試結(jié)果的影響

由表2可知，對(duì)于特定邊界損傷條件下的石材面板，選擇不同測點(diǎn)所測得頻率值相差不大.但是不同測點(diǎn)對(duì)測得的頻譜圖有一定影響.圖6為對(duì)四角穩(wěn)固(ABCD)石材分別在測點(diǎn)1、7和13處測得的頻譜圖.由圖6可知，不同測試點(diǎn)得到的結(jié)果在固有頻率處的信號(hào)峰值分別為0.01、0.05和0.12 mV，隨著測試點(diǎn)距中心的距離變近，頻譜圖的峰值逐漸變大.圖7為采用Ansys有限元軟件分析得到的石材面板一階振型位移云圖.由圖7可知，在四角穩(wěn)固的情況下，面板在中心處振幅較大，而在四角處振幅接近于零.因此，測試點(diǎn)離中心點(diǎn)越近，越容易得到高而尖的譜峰，而測試點(diǎn)選在四角處則難以得到尖銳的譜峰.

圖6 四角穩(wěn)固(ABCD)石材在不同測點(diǎn)測得的頻譜圖Fig.6 Frequency spectra obtained on different measuring points of four-corner stable (ABCD)stone

圖7 石材面板(ABCD)一階振型位移云圖Fig.7 Displacement nephogram of first vibration mode of stone panel (ABCD)

圖8為對(duì)對(duì)角損傷(AC)石材分別在測點(diǎn)1、7和13處測得的頻譜圖.由圖8可知，測點(diǎn)1和7測得的信號(hào)峰值分別為0.59和0.32 mV，而測點(diǎn)13未發(fā)現(xiàn)一階固有頻率處的譜峰.

圖8 對(duì)角損傷(AC)石材在不同測點(diǎn)測得的頻譜圖Fig.8 Frequency spectra measured at different measuring points of diagonal damage (AC)stone

圖9為采用Ansys有限元軟件得到的石材面板一階振型位移云圖，AC為該振型的節(jié)線，在節(jié)線處振幅為零.因此，測點(diǎn)1、7和13所得頻譜峰值依次降低，事實(shí)上節(jié)線上各點(diǎn)都捕捉不到一階固有頻率，如圖10所示.在實(shí)際檢測過程中，如果選取這些節(jié)點(diǎn)位置作為測試點(diǎn)，很大可能誤將石材面板高階頻率當(dāng)做其一階固有頻率，從而遺漏具有墜落風(fēng)險(xiǎn)的幕墻面板.在檢測之前進(jìn)行模態(tài)分析測試或有限元模擬，找出幕墻面板各階振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)位置，從而在實(shí)際檢測中避免激光照射到這些節(jié)點(diǎn)位置.

圖9 石材面板(AC)一階振型位移云圖Fig.9 Displacement nephogram of first vibration mode of stone panel (AC)

圖10 節(jié)線上各點(diǎn)測得石材(AC)的頻譜圖Fig.10 Frequency spectra measured at respective points on joint line of stone (AC)

2.4 激光入射角對(duì)測量結(jié)果的影響

調(diào)整激光位移傳感器的位置，改變激光入射角，獲取幕墻面板的固有頻率，如圖11所示.表3為改變激光入射角對(duì)四角穩(wěn)固(ABCD)石材測試的結(jié)果.由表3可知，入射角在0°～60°范圍內(nèi)改變對(duì)固有頻率測量沒有明顯影響.在實(shí)際檢測工程中，有時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整入射激光的傾角，當(dāng)激光不能垂直入射到面板表面時(shí)，激光位移傳感器通過擴(kuò)散反射方式獲取信號(hào)也可測得正確的固有頻率值.

圖11 激光入射角圖示Fig.11 Schematic diagram of laser incidence angle

表3 不同激光入射角下四角穩(wěn)固(ABCD)石材的測試結(jié)果Tab.3 Testing results of four-corner stable (ABCD)stone under different laser incidence angles

3 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1)激光振頻法是一種非接觸式、遠(yuǎn)程、快速的幕墻墜落風(fēng)險(xiǎn)檢測方法，避免了高處布置和拆除加速度傳感器的困難，可實(shí)現(xiàn)對(duì)幕墻安全性能的現(xiàn)場快速檢測，從而有效預(yù)測幕墻面板的突發(fā)性墜落.

2)石材面板錨固損傷與其固有頻率具有相關(guān)性，因此可利用激光振頻法測試固有頻率來評(píng)價(jià)幕墻的損傷和墜落風(fēng)險(xiǎn).實(shí)施步驟為：利用激光快速測得所有相同幕墻面板的固有頻率.將所測頻率由低到高排序，頻率最低的幾塊板風(fēng)險(xiǎn)最大，重點(diǎn)檢查是否有錨固損傷.

3)測點(diǎn)的選擇影響測試效果.通常錨固點(diǎn)為振動(dòng)節(jié)點(diǎn)，實(shí)際測試盡量避開這些節(jié)點(diǎn)位置，可得到更好的測試效果.通常矩形板的測試點(diǎn)可以選在距幾何中心五分之一邊長的位置.

4)激光入射角度對(duì)檢測結(jié)果無明顯影響，在實(shí)際檢測中無需刻意調(diào)整入射激光與面板平面垂直，并可利用這一特點(diǎn)對(duì)高處幕墻面板進(jìn)行檢測.