振動測試法在幕墻結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)玻璃面板墜落風險檢測中的應用

楊 浩

（墻管家建筑科技（上海）有限公司，上海 201108）

0 引言

我國是全球最大的建筑玻璃幕墻生產(chǎn)和使用大國，隨著建筑玻璃幕墻使用量的增多及服役年限的增長，以及早期設計規(guī)范缺失、施工缺陷、玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)材料性能退化及結(jié)構(gòu)材料本身缺陷等問題，使得建筑玻璃幕墻的安全使用問題越來越突出。目前，建筑玻璃幕墻引起的公共安全事故主要有以下2方面：① 由于風致飛射物沖擊或玻璃自爆等因素，導致玻璃破損后碎片墜落，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失；② 由于結(jié)構(gòu)對玻璃面板的約束劣化，導致玻璃面板的整體性脫落[1]。

20世紀80年代，我國大量建筑玻璃幕墻的建造沒有規(guī)范的技術(shù)指導及嚴格的質(zhì)量控制。隱框玻璃幕墻通過結(jié)構(gòu)膠與鋁框相連，被固定在主體結(jié)構(gòu)上。隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來部分質(zhì)量優(yōu)良的建筑結(jié)構(gòu)膠生產(chǎn)廠家已推出使用壽命為25年的建筑結(jié)構(gòu)膠，但時間仍少于既有建筑玻璃幕墻的服役時間。結(jié)構(gòu)膠在服役期間因老化失效造成的玻璃面板整體性脫落，已成為隱框玻璃幕墻失效的重要原因。因此，應多采取現(xiàn)場抽樣、采樣，并對采樣的結(jié)構(gòu)膠開展拉伸黏結(jié)強度等物理性能檢測，以確定隱框玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)膠脫膠損傷情況。

這種對在役結(jié)構(gòu)膠質(zhì)量評估方法的問題在于，通常結(jié)構(gòu)膠本身的拉伸強度不是黏結(jié)質(zhì)量的決定性因素，結(jié)構(gòu)膠極限強度一般超過0.8 Mpa，現(xiàn)行技術(shù)標準設計強度僅取0.2 Mpa。結(jié)構(gòu)膠與玻璃或鋁材之間的相容性是確定黏結(jié)面質(zhì)量的關(guān)鍵因素，如結(jié)構(gòu)膠與玻璃、鋁型材不相容，在黏結(jié)界面處會產(chǎn)生破壞面，且黏結(jié)界面強度小于結(jié)構(gòu)膠本身的強度[2]。因此，對在役結(jié)構(gòu)膠采用抽樣取膠的方法僅能評估結(jié)構(gòu)膠母材的性能，不能反映黏結(jié)界面處的實際強度。

DG/TJ08—803—2013《上海市建筑幕墻安全性能檢測評估技術(shù)規(guī)程》推薦的檢測方法為：在現(xiàn)場對玻璃-膠體-鋁框抽樣切割，在實驗室使用特殊夾具將其分別黏結(jié)在玻璃面和鋁框表面，制成可在拉力試驗機上進行黏結(jié)強度試驗的試件，最后按照GB 16776—2005《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》第6.8.3條開展試驗。該評估方法雖然能反映結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)界面處的強度，但由于需要切割鋁附框，導致整塊面板需重新制作鋁附框，耗時長，成本高，對業(yè)主影響較大。該檢測方法具有破壞性，抽樣數(shù)量受限，無法全面評估在役隱框建筑幕墻玻璃面板的安全性能。

1 幕墻玻璃面板的動力檢測

1.1 檢測方法

由于傳統(tǒng)的評估方法存在局限性，相關(guān)科研單位相繼發(fā)布了采用動力測試技術(shù)來評估結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)隱框玻璃面板性能的方法。目前，國家市場監(jiān)督管理總局和國家標準化管理委員會于2020年12月14日聯(lián)合發(fā)布了GB/T 39525—2020《玻璃幕墻面板牢固度檢測方法》，該標準已于2021年11月1日開始實施。中關(guān)村材料試驗技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布了團體標準《既有建筑幕墻面板墜落風險排查法—振動測試法》的征求意見稿。上述標準均采用動力測試技術(shù)，對采用建筑結(jié)構(gòu)膠的隱框玻璃面板瞬態(tài)激勵，使其自由振動，加速度傳感器作為拾振裝置接收玻璃面板的動力響應信號。同時，采用信號處理裝置（包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及分析系統(tǒng)）獲得隱框幕墻玻璃面板的振動響應信號，再通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析并顯示采集的數(shù)據(jù)，通過傅里葉變化計算頻響函數(shù)，顯示頻譜圖。

1.2 分析方法

上述2種標準（《玻璃幕墻面板牢固度檢測方法》、《既有建筑幕墻面板墜落風險排查法—振動測試法》）檢測方法使用的檢測設備基本相同，均認為幕墻玻璃面板的物理參數(shù)和力學參數(shù)不發(fā)生改變，但玻璃面板的支承存在缺陷時，即用于支承、黏結(jié)、連接幕墻面板的材料及結(jié)構(gòu)發(fā)生松動、損傷或脫黏時，幕墻玻璃面板的動力響應信號會發(fā)生變化。2種檢測方法也存在不同，GB/T 39525—2020《玻璃幕墻面板牢固度檢測方法》的分析原理為：對比基準加速度頻響函數(shù)（即無損傷條件下的加速度頻響函數(shù)）與實測加速度頻響函數(shù)，以確定幕墻玻璃面板的牢固程度[3]。《既有建筑幕墻面板墜落風險排查法-振動測試法》征求意見稿的分析原理為：當支承發(fā)生損傷、松動或脫粘時，其對應的幕墻面板頻率越低，墜落風險越大[5]。

對某一物理參數(shù)、支承形式、形狀尺寸完全相同的幕墻面板批次進行基頻測試，比較所測幕墻面板的基頻大小，發(fā)現(xiàn)最小基頻對應的幕墻面板支承體系最薄弱，其墜落風險最大。進一步選擇支承體系最薄弱部位的面板進行拆除、拉拔等檢測，以確定該批次幕墻面板的墜落風險。作為邊緣支承構(gòu)件，幕墻玻璃面板的理論頻率在簡支頻率與固支頻率之間。理論簡支頻率和理論固支頻率可分別作為實測玻璃面板基頻的下限和上限[4-5]，當所測幕墻玻璃面板基頻低于基頻下限值時，可判定該幕墻面板存在墜落風險；當所測幕墻面板基頻高于基頻上限值時（部分邊緣支承幕墻面板黏結(jié)較寬，可能出現(xiàn)這一現(xiàn)象），可判定該幕墻面板不存在墜落風險，不需進一步的處理或檢測；當同一批次所測幕墻面板的基頻處于基頻上、下限值之間時，應對該批次所測幕墻面板的基頻排序，根據(jù)最小基頻對應的幕墻面板位置來確定該批次幕墻面板墜落風險最大的部位，并對該位置采取拆除、拉拔法等進一步開展檢測，以確定其是否存在墜落風險。

2 現(xiàn)場檢測建筑玻璃幕墻隱框開啟窗的應用實例

在GB/T 39525—2020《玻璃幕墻面板牢固度檢測方法》的分析方法中，理論基態(tài)頻響函數(shù)計算需要獲得玻璃面板與支承框架之間的結(jié)構(gòu)膠尺寸和物理參數(shù)，但大部分在役建筑玻璃幕墻的圖紙等技術(shù)資料已無法獲得。團體標準《既有建筑幕墻面板墜落風險排查法—振動測試法》征求意見稿建議采用玻璃面板理論簡支頻率和理論固支頻率作為基頻的上下限值，與實測基頻比較分析。通過測量玻璃面板尺寸和厚度，即可計算獲得玻璃面板的理論簡支頻率和理論固支頻率。一般每幢玻璃幕墻建筑會使用相同的結(jié)構(gòu)膠、框架材料等，標準層的面板及結(jié)構(gòu)膠尺寸也基本相同。因此，可以采用團體標準《既有建筑幕墻面板墜落風險排查法—振動測試法》征求意見稿建議的方法檢測建筑玻璃幕墻隱框開啟窗。

本次檢測采用振動法檢測27棟在役建筑玻璃幕墻的隱框開啟窗玻璃面板。將27棟建筑分為3個樓齡組，每棟樓抽取1扇開啟窗進行基頻檢測，分析不同樓齡組玻璃面板的基頻變化。本次檢測采用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的DASP智能數(shù)據(jù)采集和信號處理系統(tǒng)（Coinv DASP Version11），采用觸發(fā)激勵，3次觸發(fā)激勵平均后進行分析。玻璃面板典型的觸發(fā)激勵振動全程波形圖（時域分析圖形），以及對振動信號進行傅里葉變換所得的振動響應頻譜圖（幅頻圖）如圖1所示。由圖可知玻璃面板的振動頻率。本次檢測的27棟玻璃幕墻建筑的樓齡分組見表1，玻璃面板的理論基頻與實測基頻的比較見表2。

表1 玻璃幕墻建筑的樓齡分組（Tab.1 Age group of glass curtain wall buildings）

表2 按樓齡分組的基頻比較（Tab.2 Fundamental frequency comparison by age group）

由表2可知，在20年以上的樓齡組中，實測基頻與理論基頻下限比的范圍為0.80～1.59。其中，有3棟建筑的實測基頻低于理論基頻的下限，占比42.9%，其他建筑的實測基頻在理論基頻的上下限之間，為1.04、1.10、1.10和1.59，占比57.1%，且無高于理論基頻上限的情況。在11～20年（含）樓齡組中，1棟建筑玻璃面板的實測基頻低于理論基頻下限，占比7.1%；3棟建筑的實測基頻均高于理論基頻上限，占比21.4%；其他10棟建筑的實測基頻在理論基頻上下限之間（與理論基頻的下限為1.07～3.50），占比71.4%。在10年（含）樓齡組中，有1棟建筑玻璃面板實測基頻低于理論基頻下限，占比16.7%；2棟建筑的實測基頻高于理論基頻的上限，占比33.3%；其他3棟建筑的實測基頻在理論基頻的上下限之間（與理論基頻的下限為1.10～2.50），占比50%。

3 結(jié)語

通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與理論值的對比分析可得出以下結(jié)論。

（1）在20年以上樓齡組中，實測基頻低于理論基頻下限的棟數(shù)和比例明顯多于其他2組，說明隨著建筑玻璃幕墻服役年限的增加，采用建筑結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)的玻璃面板的實測基頻出現(xiàn)了向理論基頻下限靠近或低于理論基頻的情況。

（2）隨著建筑玻璃幕墻服役期的增加，建筑結(jié)構(gòu)膠作為隱框玻璃面板的支承結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脫膠、斷裂、硬化等劣化現(xiàn)象，導致出現(xiàn)服役時間長的玻璃面板實測基頻降低的情況。

（3）在服役年限較低的10年內(nèi)樓齡組中，也存在實測基頻低于或接近理論基頻下限的情況，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)膠已老化變硬，完全失去彈性。一般情況下，結(jié)構(gòu)膠不會在10年內(nèi)完全失去彈性，因此這與該玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量存在很大關(guān)聯(lián)系。

（4） 在11～20年（含）及10年內(nèi)（含）樓齡組中，出現(xiàn)了部分實測建筑幕墻玻璃面板基頻高于基頻上限值的情況。相關(guān)研究資料表明，這是由于部分邊緣支承建筑幕墻玻璃面板的黏結(jié)寬度較寬導致的。如發(fā)生此種情況，可判定該建筑幕墻玻璃面板不存在墜落風險，無需進一步的處理或檢測[5]。

（5）本次測量受條件限制，無法對實測基頻低于理論基頻下限的玻璃面板實施進一步檢查，無法判斷其是否出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)膠脫膠、斷裂等情況。但通過數(shù)據(jù)分析可知，玻璃面板的固有頻率是1個獲得成本較低且較易獲得的參數(shù)。通過定期測量玻璃面板固有頻率的變化，可快速識別采用建筑結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)的玻璃面板可能存在的損傷，為玻璃幕墻的安全檢查和評估鑒定提供依據(jù)。