基于振動測試的半隱框結(jié)構(gòu)雙層中空玻璃幕墻邊界松弛試驗研究*

魏明宇，張元植，余少樂，古明川，陳新喜

(1 四川省建筑科學研究院有限公司， 成都 610081； 2 中國建筑第八工程局有限公司， 上海 200135；3 西南交通大學， 成都 610031)

0 引言

作為常見的建筑外圍護結(jié)構(gòu)或裝飾結(jié)構(gòu)，玻璃幕墻長期承受重力荷載、風荷載、溫度作用及多種環(huán)境侵蝕作用，隨著時間的推移，由于施工和設計上的缺陷，材料的磨損、腐蝕和老化等原因，建筑玻璃幕墻存在各種各樣的安全隱患。建筑玻璃幕墻墜落等安全問題近年來時有發(fā)生，造成了財產(chǎn)損失、人身傷害和較大的社會影響。

經(jīng)筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，實際的幕墻結(jié)構(gòu)與之前研究試件有一定差別，主要在于：1)實際工程中，單塊幕墻面板是通過鋼骨架、鋁合金龍骨與主體結(jié)構(gòu)連接，因此，通過動力特征測試得到的固有頻率通常為幕墻面板、鋁合金龍骨、鋼骨架整體單元的基頻與單塊面板頻率的耦合。幕墻單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。應首先結(jié)合對幕墻整體單元、單片幕墻面板的有限元模態(tài)分析及解析解推導，基于幕墻整體單元、單片面板模態(tài)分析結(jié)果，采用FFT功率譜識別、相關系數(shù)法等進行單塊玻璃幕墻面板基頻的識別；2)以往試驗研究邊界條件與實際幕墻邊界條件有差異，理想夾支與簡支的情況與實際邊界均有不同；3)以往的研究大多針對單層玻璃面板，其動力特征與目前廣泛應用的雙層中空玻璃面板有差異。

圖1 某在建工程玻璃幕墻鋁合金龍骨結(jié)構(gòu)

本文通過對兩個足尺橫隱框豎明框玻璃幕墻試件進行振動法測試試驗，考察工程實際邊界條件玻璃面板的動力特征及邊界松弛條件下幕墻面板單元的的振動特性，結(jié)合對雙層彈性薄板的解析解分析、幕墻整體單元的有限元計算，對試驗結(jié)果進行分析。

1 試驗概述

本試驗在進行試件設計時，取可拆分的幕墻單元(包括幕墻面板及龍骨框架)作為研究對象。試驗幕墻單元選取示意如圖2所示。橫隱框豎明框玻璃幕墻，其豎向邊界為明框，通常采用等距壓條或通長壓板，橫向隱框通過鋁合金副框或鋁合金壓塊與龍骨連接。本試驗考察工程中常見幕墻節(jié)點構(gòu)造做法，對足尺幕墻單元進行振動測試，每個試件包括若干種玻璃面板規(guī)格，均采用中空雙層鋼化玻璃。

圖2 試驗幕墻單元選取示意

試件G1為6.30m×4.20m橫隱框豎明框玻璃幕墻，采用3種玻璃面板尺寸，分別為800×1 400，2 700×1 400，2 800×1 400，均采用1種玻璃面板規(guī)格，即10mm+12中空+10mm，每種玻璃面板尺寸取3塊試件，共9塊玻璃面板板塊。該試件加工示意圖見圖3。

試驗過程中，通過螺栓將框架支座與試驗剛架連接。本試件豎向邊界采用設置豎向壓條形式如圖3(a)所示，圖中襯墊膠條不與面板連接。本試件橫向邊界采用隱框，即沿著面板邊界設置通長鋁合金副框，副框與龍骨通過定距(間隔300mm)鋁合金壓塊連接，同時按照一定間距(間隔300，500mm)設置水平鋁合金托板，并設置結(jié)構(gòu)膠將玻璃面板與豎向龍骨連接。具體參數(shù)見表1。

試件G2為4.08m×3.36m橫隱框豎明框玻璃幕墻，采用4種玻璃面板尺寸，分別為1 680×790，1 680×890，1 680×2 400，1 680×3 290，3種玻璃面板規(guī)格，分別為6mm+12中空+6mm、10mm+12中空+10mm、12mm+12中空+12mm，試件G2共5塊玻璃面板板塊。本試件豎向邊界采用通長壓板，采用螺釘定距(300mm)與龍骨連接，橫向邊界采用鋁合金水平壓塊(間距350mm)，如圖3，4所示，具體參數(shù)見表1。

圖3 試件G1，G2加工示意圖

圖4 試件G1，G2測振試驗

試件G1，G2與剛性框架連接，剛性框架與試驗場地地面為嵌固連接，試驗中剛性框架具有足夠大剛度，保證其不會參與整體振動。振動測量采用東華2D001型磁電式速度傳感器。采用東華DH5908動態(tài)信號測試無線采集模塊組成測試分析系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 東華DH5908動態(tài)信號測試無線采集模塊

試驗時，加速度傳感器布設在幕墻面板中部。試驗方法為：安裝、調(diào)試加速度測振設備、采集設備→讀取未激勵下速度時域曲線→橡膠錘輕擊幕墻面板→讀取速度時域曲線→頻率曲線分析，判別篩除噪音→重復以上步驟，直至獲得所有幕墻面板基頻。

2 彈性面板自振頻率的解析解

2.1 考慮等效厚度的彈性薄板振動微分方程

本文試件玻璃幕墻面板采用中空雙層鋼化玻璃面板(圖6)，以往研究多針對單層彈性薄板的振動解析解[1-12]進行研究。文獻[2]中提出的劃分頻率區(qū)間方法也是基于單層玻璃面板得出。雙層鋼化玻璃面板在中空充氣層耦合作用下的振動特性與單層玻璃薄板有所不同。當對測點1(圖6)所在測面板采用橡膠錘激勵時，測點1、測點2同時測得振動速度時程曲線如圖7所示。由圖7可以看出，當對中空雙層鋼化玻璃面板采用橡膠錘輕擊單側(cè)面板(測點1所在面板)后，未激勵一側(cè)的面板能夠立刻產(chǎn)生響應(響應時間約0.7s)，其振動速度幅值與激振測玻璃面板幅值接近。結(jié)果表明中空雙層鋼化玻璃幕墻在振動時，兩側(cè)玻璃面板能夠發(fā)生協(xié)同振動。因此，在對雙層鋼化玻璃面板進行動力特征分析時，應當考慮兩側(cè)面板的耦合作用。

試件具體參數(shù) 表1

圖6 某幕墻中空雙層鋼化玻璃面板

圖7 單側(cè)激勵后雙層鋼化玻璃面板速度時程曲線

中空玻璃幕墻中的雙片玻璃面板振動時等效彈性剛度與同等厚度(兩片玻璃厚度之和)單片玻璃不同，原因在于兩片彈性薄板不滿足變形協(xié)調(diào)條件，本文采取文獻[6]中等效厚度te計算中空玻璃等效剛度De：

(1)

式中t1，t2分別為兩片玻璃面板厚度。

(2)

式中：De為中空玻璃等效剛度；te為中空玻璃等效厚度；ν為泊松比。

2.2 基于能量法解析解推導

已知彈性薄板邊界條件，適合的振型函數(shù)就能求解上述微分方程?？紤]到采用頻率法判別玻璃面板松弛狀態(tài)時主要判別最低固有自振頻率，此時采用能量法較為方便。表2為通過能量法推導得到的從兩邊簡支到四邊嵌固7種經(jīng)典邊界條件下中空雙層鋼化玻璃薄板的第一階自振頻率解析解。表2中，隨著兩邊簡支向四邊嵌固遞進，邊界條件從松弛向緊固變化，其中面板兩邊簡支為最松弛狀態(tài)，當玻璃面板基頻小于兩邊簡支薄板解析解時，整個玻璃面板本身處于可變形機構(gòu)的狀態(tài)，存在隨時脫落的可能。四邊嵌固是最緊固的狀態(tài)，通常玻璃面板基頻實測值小于四邊嵌固彈性薄板的第一階自振頻率解析解。

以本文試件G1玻璃面板M1～M9、G2試件玻璃面板M1～M5為例，7種經(jīng)典邊界條件下第一階自振頻率解析解如圖8所示。其中邊界條件編號表示為1-兩短邊簡支；2-兩長邊簡支；3-四邊簡支；4-三邊簡支一邊嵌固(嵌固短邊)；5-三邊簡支一邊嵌固(嵌固長邊)；6-對邊簡支對邊嵌固(嵌固短邊)；7-對邊簡支對邊嵌固(嵌固長邊)；8-鄰邊簡支鄰邊嵌固；9-三邊固支一邊簡支(嵌固短邊)；10-三邊固支一邊簡支(嵌固長邊)；11-四邊嵌固。

圖8 中空玻璃面板經(jīng)典邊界條件下第一階自振頻率解析解

幕墻面板基頻解析解 表2

3 幕墻整體單元激振結(jié)果分析

通過本次試驗發(fā)現(xiàn)，當不對幕墻試件進行激勵時，測得時域信號數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換后得到的試件第一階主要自振頻率主要為幕墻整體單元的基頻，其主要表現(xiàn)為所有面板測得基頻均基本一致。以試件G1為例，未激勵狀態(tài)下典型面板頻域曲線如圖9所示，測得結(jié)構(gòu)基頻約為13.9Hz。試驗發(fā)現(xiàn)，當采用橡膠錘對單個玻璃面板進行逐個輕擊激勵時，單個玻璃面板頻域曲線第一階自振頻率發(fā)生變化，以試件G1的面板M4為例，其激勵前后的時域及頻域曲線如圖10所示。

圖9 未激勵時試件G1頻域曲線

圖10 試件G1面板M4激勵前后的時域及頻域曲線對比

4 玻璃面板頻率法實測結(jié)果分析

對玻璃面板逐個激勵，通過處理后就可以得到單個面板的基頻。試件G1，G2各面板實測第一階自振頻率如圖11～12所示?？梢钥吹?，在豎向采用常見壓條間距(間距300mm)，橫向邊界采用貫通鋁合金副框及定距壓塊(間距300mm)邊界條件下，試件G1所有玻璃面板自振基頻在兩長邊簡支邊界至四邊嵌固邊界基頻范圍之間，當面板尺寸較大時(面板M1，M2，M3，M7，M8，M9)，其實測基頻在兩長邊簡支至四邊簡支板基頻范圍之間；當面板尺寸較小(面板M4，M5，M6)時，其實測基頻位于四邊簡支邊界至四邊嵌固邊界板基頻范圍之間。當面板尺寸較小時，其實測基頻在四邊簡支邊界和四邊嵌固邊界板基頻范圍之間。

圖11 試件G1面板頻域曲線

當采用豎向通長壓板后，由圖11,12可以看出，當面板尺寸較大時(面板M4，M5)，其實測基頻接近四邊簡支板基頻；當面板尺寸較小(面板M1，M2，M3)時，其實測基頻位于四邊簡支邊界和四邊嵌固邊界板基頻范圍之間。當面板尺寸較小時，其實測基頻在四邊簡支邊界和四邊嵌固邊界板基頻范圍之間?？梢钥吹?，采用貫通壓板后，面板實測基頻比采用定距壓條略高。

拆除試件G1豎向邊界部分壓條后各玻璃面板實測基頻見表3。由表3可知，當拆除部分壓條后，玻璃面板實測基頻降低，表明隨著豎向邊界壓條的拆除，豎向邊界發(fā)生松弛，導致基頻降低，當拆除全部縱向壓條后，所測玻璃面板略高于兩邊簡支板解析解。拆除試件G2水平邊界密封耐候膠后各玻璃面板實測基頻如表4所示。由表4可知，當拆除試件G2玻璃面板水平邊界密封膠后，結(jié)構(gòu)實測基頻未出現(xiàn)明顯變化，表明水平邊界密封膠對玻璃面板基頻無明顯影響。

圖12 試件G2面板頻域曲線

拆除壓條前后試件G1面板基頻/Hz 表3

拆除水平密封膠前后試件G2面板基頻/Hz 表4

5 結(jié)論

本文通過對兩個足尺橫隱框豎明框玻璃幕墻試件進行振動法測試試驗，基于中空雙層鋼化玻璃面板基頻的解析解分析，并結(jié)合對整體結(jié)構(gòu)單元進行有限元分析，得到以下結(jié)論：

(1)經(jīng)過現(xiàn)場實測驗證得出，雙層鋼化玻璃面板的振動過程是內(nèi)外片玻璃協(xié)同工作相互耦合的過程，應考慮雙片玻璃的耦合作用，本文引入等效剛度計算經(jīng)典邊界條件下解析解，取得較好效果。

(2)通過試驗發(fā)現(xiàn)，當不對幕墻進行激勵時，測得時域信號數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換后得到的試件第一階自振頻率主要為幕墻整體單元試件的基頻，其主要特征為所有面板測得基頻基本一致。

(3)兩種實際邊界做法下(試件G1，G2)所測玻璃面板基頻在四邊簡支邊界和四邊嵌固邊界板基頻范圍之間，當面板尺寸較大時，所測基頻接近于四邊簡支板基頻，當面板尺寸較小時，所測基頻比四邊簡支板基頻大；與豎向采用定距壓板的試件相比，采用貫通壓條的玻璃面板基頻略高。隨著豎向壓條的拆除，玻璃面板實測基頻降低；水平邊界密封膠的拆除、破壞等對玻璃面板基頻無明顯影響。