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隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展,城鎮(zhèn)化速度逐漸加快,在一些發(fā)達城市中,玻璃幕墻的高層建筑成為一道靚麗的風(fēng)景線,甚至很多擁有玻璃幕墻的建筑成為當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)。
傳統(tǒng)的建筑也被賦予了新的生命,墻體除了最初的支承作用,也被擴展到采光、隔熱、保溫、隔聲和裝飾等作用。玻璃幕墻由于其優(yōu)異的透光、美觀、防風(fēng)、防雨等特性,加之其自重輕、施工方便、可替換和具有現(xiàn)代風(fēng)格的特點,逐漸成為辦公建筑、商務(wù)建筑和超高層建筑的必要部分。
玻璃幕墻作為非承重結(jié)構(gòu),通過支承架構(gòu)懸掛在主體結(jié)構(gòu)外側(cè)。但這樣的結(jié)構(gòu)并非一直是安全的,以下原因可能導(dǎo)致幕墻玻璃的脫落或是破裂,造成不可預(yù)知的后果。
1)早期對玻璃幕墻類建筑沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,以及建筑質(zhì)量參差不齊、監(jiān)管落實不到位。
2)玻璃幕墻的穩(wěn)定性會受到風(fēng)載荷、力載荷、地震等因素的影響。
3)隨著時間的推移,膠體材料老化、斷裂、腐蝕等各種情況都會出現(xiàn)。
因此,玻璃幕墻支承體系和黏結(jié)體系的松動和損傷識別是評價幕墻玻璃安全性能重要指標(biāo)之一。建立幕墻玻璃固有頻率與其邊界支承松動損傷之間的關(guān)系,就可以通過幕墻玻璃固有頻率來間接描述玻璃幕墻支承體系和黏結(jié)體系的損傷與老化程度,預(yù)測玻璃幕墻的脫落風(fēng)險程度及抵抗外力的剩余能力,進而評價玻璃幕墻的安全可靠性能。在幕墻玻璃本身性態(tài)不發(fā)生損傷變化情況下,頻率的變化可認為是完全由于其邊界支承松動損傷引起的。因此,我們只要通過比較幕墻玻璃固有頻率相對大小就可以識別其邊界支承松動損傷程度,并依此給玻璃幕墻進行安全等級劃分。
針對安全性能的測試,相關(guān)研究人員給出了不同的測試方法。
劉小根等[1]提出了一種利用脈沖激振方法獲得幕墻玻璃固有頻率來識別玻璃幕墻的松動與損傷程度,試驗結(jié)果表明四邊支承幕墻玻璃試樣的邊界支承松動會引起其固有頻率衰降,從而可根據(jù)固有頻率的變化來識別玻璃四邊支承松動損傷程度。
陳振宇等[2]針對全隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠脫黏長度檢測問題,率先提出了基于瞬態(tài)脈沖動力響應(yīng)信號的FFT功率譜脫黏長度檢測方法。研究成果顯示,此方法對全隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠脫黏長度檢測有推廣作用。
黃智德[3]以隱框玻璃幕墻和點支承建筑幕墻為研究對象,重點研究了幕墻面板的穩(wěn)定狀態(tài)與其動力特征參數(shù)之間的關(guān)系,并將遠程激光測振技術(shù)引入幕墻檢測,以期實現(xiàn)幕墻面板安全狀態(tài)的遠程、快速、準(zhǔn)確的量化評價。
陳玉明等[4]做了基于熱圖像重建及增強的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠損傷區(qū)域識別方法的研究,主要利用單列位置的數(shù)據(jù)重建、基于小波變換的圖像重構(gòu)、采用維納濾波的圖像增強和基于損傷區(qū)域識別規(guī)則的熱波定位方法完成玻璃幕墻熱圖像序列的處理及損傷區(qū)域的識別。該試驗結(jié)果表明:小波變換技術(shù)利用自適應(yīng)閾值系數(shù)可有效降低熱圖像高頻分量中噪聲成分,保留熱圖像特征;維納濾波采用3×3模板進一步平滑圖像,確保熱圖像中大部分重要信息;損傷區(qū)域識別率達93.7%。
王永祥等[5]針對玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠老化、失效以及高風(fēng)壓荷載導(dǎo)致的玻璃脫落等安全事故問題,提出了一種基于光纖光柵傳感技術(shù)對玻璃幕墻邊緣動態(tài)應(yīng)力進行檢測的方法,構(gòu)造了玻璃面板邊緣應(yīng)變與結(jié)構(gòu)膠之間的多模態(tài)耦合模型,從而預(yù)測玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全狀況。通過對比分析多模態(tài)應(yīng)變的仿真與試驗結(jié)果數(shù)據(jù)可以得到:準(zhǔn)分布光纖光柵能夠給出結(jié)構(gòu)膠的失效位置,提前對玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的健康狀況進行安全性能評估與反饋。
固有頻率分析是結(jié)構(gòu)振動固有特性分析之一,且是模態(tài)參數(shù)中最容易獲得的一個參數(shù)。
當(dāng)幕墻玻璃的結(jié)構(gòu)損傷時,其固有振動特性就會發(fā)生變化,所以目前利用結(jié)構(gòu)振動的特性參數(shù)來檢查結(jié)構(gòu)是否完好成為當(dāng)下的研究熱點。
玻璃整體在無約束條件下,正面玻璃固有頻率只與邊界結(jié)構(gòu)膠的約束狀況有關(guān)。玻璃自重對約束改變不大,改變激勵位置和振動加速度傳感器位置來測試固有頻率。
幕墻檢測評估系統(tǒng)是一款小型的、快速的固有頻率檢測系統(tǒng),可對幕墻的振動頻譜進行分析,通過人機界面顯示結(jié)果。同時,將檢測信息及時傳送到計算機或管理平臺,檢測儀配有大容量數(shù)據(jù)存儲器,通過USB等標(biāo)準(zhǔn)通信接口與上位機軟件建立通信。檢測儀應(yīng)獲得玻璃幕墻的振動頻譜,并提取固有頻率,并且還應(yīng)包含玻璃、石材幕墻的環(huán)境信息,對于系統(tǒng)測試信息的提取、輸出、顯示和應(yīng)用等功能的實現(xiàn)。
幕墻檢測評估系統(tǒng)硬件由傳感器、控制執(zhí)行器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、模數(shù)信號處理電路,以及儀器操作面板和對外通信接口電路組成。中央處理器是檢測評估系統(tǒng)的核心,將數(shù)字信號進行處理和相關(guān)分析提取出所需的測量信息,具體為振動的頻譜信息和固有頻率。
此外,通過位移、加速度傳感器將幕墻板塊的振動信息(位移、加速度)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可以接受和處理的模擬電壓信號。通過模擬電路進行模擬信號處理后,形成與振動物理信息對應(yīng)的高信噪比測量信號,再由中央處理器以測量信息的形式輸出測量結(jié)果。
常見的玻璃幕墻失效模式有3種:一是玻璃面板失效,二是黏結(jié)材料失效,三是幕墻支承結(jié)構(gòu)失效。
本課題首先對黏結(jié)材料失效進行模擬,主要包括2種情況:硅酮(聚硅氧烷)結(jié)構(gòu)膠全部老化、硅酮結(jié)構(gòu)膠部分失效。
由于全部硅酮結(jié)構(gòu)膠在相同的大氣環(huán)境下工作,因此可以假設(shè)玻璃幕墻各部位硅酮結(jié)構(gòu)膠的老化程度一樣。硅酮結(jié)構(gòu)膠部分失效的情況會造成玻璃面板和支承結(jié)構(gòu)部分脫離。
對于硅酮結(jié)構(gòu)膠全部老化情況,結(jié)構(gòu)膠在使用過程中,黏結(jié)性能會逐漸下降。將結(jié)構(gòu)膠放入高溫高濕環(huán)境進行人工加速老化,并對不同老化時間的結(jié)構(gòu)膠進行加載可獲得變形與荷載曲線,如圖1所示。因此,在本項目模擬中通過增加硅酮結(jié)構(gòu)膠的彈性模量來模擬其老化,并進一步分析其對玻璃幕墻結(jié)構(gòu)振動特性的影響。
圖1 不同老化時間后結(jié)構(gòu)膠荷載-變形曲線
取玻璃面板一邊長度a=600 mm,另外一邊長度b從600 mm連續(xù)變化至1 000 mm。計算其前4階振動頻率,即m=n=1,m=1、n=2,m=2、n=1,m=2、n=2。
圖2給出了前4階模態(tài)頻率隨一邊邊長的變化曲線。從圖中可以看出,隨著玻璃面板一邊尺寸增大,結(jié)構(gòu)振動頻率連續(xù)降低。
圖2 前4階模態(tài)頻率隨一邊長度變化
圖3和圖4給出了不同邊長以及不同邊長變化率下各階頻率的變化率。可以看出,在邊長增大2 cm,即改變約3.3%的情況下,頻率已發(fā)生約5%的改變,當(dāng)邊長進一步增大時,頻率改變率隨之增加。由此可知,在實際玻璃幕墻檢測時,如果不同尺寸的幕墻放在一起比較,較小的尺寸差異會導(dǎo)致較大的頻率變化,從而誤認為玻璃面板發(fā)生疑似脫落,得到錯誤的檢測結(jié)論。
圖3 前4階模態(tài)頻率變化率與一邊長度關(guān)系
圖4 前4階模態(tài)的頻率變化率與邊長變化率關(guān)系
取玻璃面板兩邊長度均從6 0 0 m m 連續(xù)變化至1 000 mm。以第2階模態(tài)為例,由于2個邊長均為變量,因此得到頻率隨邊長變化的二維曲面如圖5所示。在600 mm×600 mm時自振頻率最大,為82.4 Hz,在1 000 mm×1 000 mm時自振頻率最小,為29.7 Hz。兩邊同時變長時,自振頻率降低得更快。
圖5 第2階頻率隨兩邊長變化曲面
從試驗角度對玻璃振動固有頻率隨著尺寸的變化進行分析,固定測試板塊的寬度為600 mm,改變板塊的高度,進行3次測試取平均值作為樣品固有頻率,數(shù)據(jù)如表1所示。樣品的寬度與固有頻率關(guān)系如圖6所示,固有頻率隨著高度的增大而減小,符合理論研究結(jié)果。
表1 固定寬度玻璃固有頻率
圖6 不同高度玻璃幕墻固有頻率
根據(jù)玻璃幕墻板塊振型特點,設(shè)計測試方案見圖7。
圖7 測試方案
圖7中紅點為傳感器位置,共布設(shè)4個傳感器。藍色三角形為敲擊位置,1為正中心;2和3分別位于左中和右中,兩者激勵效果等效;4和5分別位于上中和下中,兩者激勵效果等效;6、7、8和9分別位于對角線上,這4個激勵點的激勵效果等效。
結(jié)果顯示:正中心激勵時,主要振動頻率為175 Hz。2和3點激勵時,主要振動頻率為148、175 Hz,且148 Hz對應(yīng)頻率幅值更大。4和5點激勵時,主要振動頻率為175 Hz。6、7、8和9點激勵時,主要振動頻率為148、175 Hz,且兩者幅值基本接近。上述結(jié)果可用于指導(dǎo)實際檢測時的激勵位置。
由以上研究內(nèi)容可知: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)壓和豎向的玻璃自重等,超過了結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)力。借用結(jié)構(gòu)設(shè)計中荷載效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力需要滿足的關(guān)系來表示隱框玻璃正常工作所需滿足的條件,即:
式中:R——玻璃和結(jié)構(gòu)膠之間的黏結(jié)力;
S——作用在玻璃上的外力。
因此,評判玻璃脫落風(fēng)險需分析黏結(jié)力降低的原因和程度。結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)力屬于結(jié)構(gòu)膠與玻璃面板界面之間的相互作用。在玻璃正常受力時,黏結(jié)力與外力相平衡,大小與外力一致。我們常說的玻璃脫落其實是外力作用超過了極限黏結(jié)力。黏結(jié)力是一個分布力,可以考慮為黏結(jié)應(yīng)力(單位面積上的黏結(jié)力)與面積的乘積。
結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)力與2個因素相關(guān):
1)結(jié)構(gòu)膠與玻璃的黏結(jié)面積,當(dāng)結(jié)構(gòu)膠脫落時,黏結(jié)面積減小,極限黏結(jié)力降低,造成脫落風(fēng)險升高。
2)結(jié)構(gòu)膠長期使用后材料老化和其他因素導(dǎo)致極限黏結(jié)力直接降低,從而造成玻璃脫落風(fēng)險升高。
理論及試驗分析表明,玻璃振動頻率和振型由以下4個因素決定:
1)結(jié)構(gòu)膠相關(guān)的邊界條件1:結(jié)構(gòu)膠的黏結(jié)面積。
2)結(jié)構(gòu)膠相關(guān)的邊界條件2:結(jié)構(gòu)膠本身具備的彈性模量。
3)玻璃的幾何尺寸,包括邊長和厚度。
4)玻璃的物理參數(shù),包括密度、彈性模量和泊松比。
上述因素中,通過大量的振動測試與數(shù)據(jù)分析,可以得到振動頻率與結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)面積(亦可表示為結(jié)構(gòu)膠脫落長度)之間的關(guān)系,從而在新的測試中可以通過振動頻率判斷結(jié)構(gòu)膠脫落情況和玻璃脫落風(fēng)險。
而上述因素中的2)、3)和4)則是識別1)過程中的干擾因素。因此,需要研究結(jié)構(gòu)膠老化導(dǎo)致其彈性模量增大對玻璃振動頻率的影響、溫度變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠彈性模量變化對玻璃振動頻率的影響以及玻璃尺寸變化對玻璃振動頻率的影響。當(dāng)排除上述因素影響后,可更精確地識別判斷脫膠情況。
需要指出的是,上文中提及的黏結(jié)力是界面中的靜力,極限黏結(jié)力的大小不影響玻璃振動模態(tài)。黏結(jié)力對玻璃振動模態(tài)的影響只體現(xiàn)在有和無上:黏結(jié)力存在,結(jié)構(gòu)膠就能起到約束的作用;黏結(jié)力不存在,邊界條件改變,振動模態(tài)受到影響。
同時,對于結(jié)構(gòu)膠和玻璃之間的黏結(jié)力目前尚未見到相關(guān)文獻和研究數(shù)據(jù)。根據(jù)推測,結(jié)構(gòu)膠和玻璃之間的極限黏結(jié)應(yīng)力(或稱黏結(jié)強度)與玻璃表面清潔度、施工質(zhì)量、使用年限(老化程度)等有關(guān)。因此,可通過試驗研究結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)力與上述因素之間的關(guān)系,然后在實際檢測中,利用該關(guān)系,對黏結(jié)力進行估計。估計得到的黏結(jié)力與玻璃脫落風(fēng)險直接相關(guān)。
綜上所述,玻璃脫落的風(fēng)險主要與結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)面積和黏結(jié)強度相關(guān),而兩者影響分別需通過振動法和試驗研究確定。
最終的風(fēng)險判斷主要由振動頻率來估計脫膠長度,玻璃尺寸、結(jié)構(gòu)膠老化程度、溫度影響、黏結(jié)強度等均通過修正系數(shù)來體現(xiàn)。玻璃脫落風(fēng)險的影響因素分析具體如圖8所示。
圖8 玻璃脫落風(fēng)險影響因素分析