既有玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠損傷檢測(cè)方法研究綜述

包 磊 寧波工程學(xué)院建筑與交通工程學(xué)院

黃 城 寧波工程學(xué)院建筑與交通工程學(xué)院

陳文博 寧波工程學(xué)院建筑與交通工程學(xué)院

肖自仁 寧波工程學(xué)院建筑與交通工程學(xué)院

1 前言

玻璃幕墻是建筑幕墻的一種，源于現(xiàn)代建筑理論中自由立面的構(gòu)想，它由支撐結(jié)構(gòu)與玻璃面板組成，多以垂直向布置在建筑結(jié)構(gòu)物的表面，以承受水平風(fēng)荷載為主，并通過支撐結(jié)構(gòu)將荷載傳遞給建筑主體。玻璃幕墻相對(duì)于建筑主體結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生一定的位移，不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)受力[1]。

相比于其他建筑幕墻，玻璃幕墻具有裝飾性強(qiáng)，采光性能佳，自重較輕，科技感和現(xiàn)代感強(qiáng)，材料供應(yīng)充足，施工工藝成熟且方便，施工造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此在現(xiàn)代都市建筑物中，玻璃幕墻被大量采用。玻璃幕墻的廣泛應(yīng)用，也很大程度上提高了現(xiàn)代主義建筑美學(xué)。

玻璃幕墻在國(guó)外的發(fā)展較早，1851 年在英國(guó)倫敦建造的國(guó)際博覽會(huì)“水晶宮”被認(rèn)為是玻璃幕墻的雛形[2]，此后在西方國(guó)家，玻璃幕墻被大量的采用。我國(guó)在1984年竣工第一座真正意義上的玻璃幕墻建筑物——北京長(zhǎng)城飯店，且當(dāng)時(shí)的玻璃幕墻均從西方進(jìn)口，這也標(biāo)志著我國(guó)玻璃幕墻工業(yè)的開始。

2 玻璃幕墻現(xiàn)狀

我國(guó)的玻璃幕墻工業(yè)雖然起步較晚，但得益于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，玻璃幕墻的發(fā)展和應(yīng)用也十分迅速。目前中國(guó)已是全球最大的玻璃幕墻生產(chǎn)和使用國(guó)，既有的玻璃幕墻存量已經(jīng)超過了2 億平方米，占全球的85%，而中國(guó)的玻璃幕墻產(chǎn)量則占全球的75%以上，已經(jīng)成功應(yīng)用于歐洲第一高樓——俄羅斯聯(lián)邦大廈和世界第一高樓——迪拜哈利法塔。在可預(yù)見的未來(lái)，我國(guó)玻璃幕墻的應(yīng)用將更為廣泛且逐年增大。

2.1 玻璃幕墻應(yīng)用現(xiàn)狀

支撐玻璃幕墻產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的是幕墻玻璃、結(jié)構(gòu)膠、密封膠和合金材料等相關(guān)產(chǎn)業(yè)。其中關(guān)系到玻璃幕墻粘結(jié)安全的粘結(jié)結(jié)構(gòu)膠，密封膠封等是制約玻璃幕墻更安全可靠發(fā)展的關(guān)鍵因素。根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2018）的有關(guān)規(guī)定，建筑物玻璃幕墻的設(shè)計(jì)年限一般為25 年，而相關(guān)的粘結(jié)結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)保期限一般僅為10 年，10年后玻璃幕墻的質(zhì)量普遍由業(yè)主負(fù)責(zé)[3]。因此，現(xiàn)階段很大一部分玻璃幕墻都已經(jīng)超過了結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)保期限，留下了極大的安全隱患。尤其是上個(gè)世紀(jì)施工建設(shè)的玻璃幕墻，還伴隨著由于施工設(shè)計(jì)不成熟、施工技術(shù)落后和施工監(jiān)管缺乏等，導(dǎo)致施工質(zhì)量難以保證，使得很大一部分玻璃幕墻都具有結(jié)構(gòu)膠老化、支撐能力降低、穩(wěn)定性變差、可靠性不足等問題。

玻璃幕墻脫落和掉落往往會(huì)造成十分嚴(yán)重的人身財(cái)產(chǎn)損失。2014 年北京朝陽(yáng)區(qū)某建筑物的玻璃幕墻掉落，造成一死一傷；2017 年廣東省某大廈的玻璃幕墻在臺(tái)風(fēng)的影響下大面積脫落，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。玻璃幕墻給我們的建筑結(jié)構(gòu)外觀設(shè)計(jì)帶來(lái)了質(zhì)的飛躍，但由于玻璃幕墻損傷導(dǎo)致的高空墜落事故卻時(shí)有發(fā)生，造成的人身財(cái)產(chǎn)損失也十分巨大，因此，探究玻璃幕墻的失效模式和原因，并發(fā)展玻璃幕墻的檢測(cè)技術(shù)具有重大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

2.2 玻璃幕墻失效模式及原因

朱璇的研究表明，玻璃幕墻在使用過程中，主要存在幕墻玻璃自爆、金屬連接桿件松動(dòng)、粘結(jié)密封材料失效而引起的玻璃幕墻失效模式[4]。

幕墻玻璃通常采用鋼化玻璃，因此幕墻玻璃自爆也可稱為鋼化玻璃自爆，是指玻璃在不受到外力沖擊的情況下自己開裂，甚至破摔的情況。鋼化玻璃自爆主要由兩方面的原因，一是玻璃制作過程中存在的肉眼可見缺陷，例如結(jié)石，砂礫，氣泡，劃邊等，但此類缺陷可以通過嚴(yán)格控制玻璃生產(chǎn)過程，提高檢測(cè)控制等方法加以控制和剔除；二是由于耐高溫爐中都含有硫化鎳，使得玻璃面板在生產(chǎn)過程中不可避免地?fù)饺肓肆蚧?，并以高溫下?晶體和常溫下β 晶體的形式存在于玻璃中，α 晶體轉(zhuǎn)變成β 晶體會(huì)伴隨著2%～4%體積的膨脹，使玻璃承受較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致鋼化玻璃自爆[5]。

金屬連接桿是固定幕墻玻璃及將其與建筑主體連接在一起的結(jié)構(gòu)，并將幕墻玻璃自身重量以及作用在幕墻上的荷載傳遞到建筑結(jié)構(gòu)主體上。目前金屬連接桿多采用合金材料，材料強(qiáng)度高且可靠，而連接方式多采用螺栓連接，鉚釘連接和焊接等，并且都要在現(xiàn)場(chǎng)施工，施工過程中不可避免的會(huì)存在施工缺陷等問題，這是造成連接件在長(zhǎng)期使用過程中失效，連接桿松動(dòng)的主要原因之一。連接桿的松動(dòng)，會(huì)直接導(dǎo)致幕墻玻璃的松動(dòng)，甚至?xí)沟媚粔ΣＡ撀?，造成?yán)重后果。

粘結(jié)密封材料失效則是目前玻璃幕墻損傷最常見也是影響最大的原因，即粘結(jié)結(jié)構(gòu)膠和密封膠失效引起了幕墻玻璃松動(dòng)，降低了整體穩(wěn)定性，使其在環(huán)境外力作用下發(fā)生掉落。粘結(jié)密封材料失效主要可分為產(chǎn)品質(zhì)量問題，長(zhǎng)期復(fù)雜受力老化問題，超年限使用問題等。其中，隨著監(jiān)管體系的完善和材料科學(xué)的進(jìn)步，產(chǎn)品質(zhì)量控制和復(fù)雜受力老化問題已經(jīng)可以較好解決，但是超年限使用問題是目前玻璃幕墻產(chǎn)業(yè)中普遍存在，且亟待解決的問題。相關(guān)建筑規(guī)范中對(duì)建筑玻璃幕墻25年的設(shè)計(jì)年限、對(duì)結(jié)構(gòu)膠10 年質(zhì)保期限，出現(xiàn)了明顯的使用年限不匹配的問題，并且早已滿足不了現(xiàn)代玻璃幕墻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求[6]。

面對(duì)早期建設(shè)完成、使用已遠(yuǎn)超10 年、且數(shù)量龐大的玻璃幕墻，開發(fā)可靠、有效、快速的玻璃幕墻檢測(cè)技術(shù)是十分重要且必要的。

3 玻璃幕墻檢測(cè)技術(shù)

隨著玻璃幕墻的長(zhǎng)期使用，連接桿松動(dòng)、粘結(jié)密封材料失效引起的玻璃面板支撐體系損傷問題逐漸突出，導(dǎo)致幕墻玻璃或框架體系的約束條件發(fā)生變化，直接表現(xiàn)為玻璃面板的松動(dòng)，甚至脫落。各國(guó)學(xué)者針對(duì)玻璃幕墻約束條件的變化和支撐體系的損傷探索研究出的檢測(cè)措施主要可分為無(wú)損檢測(cè)和有損檢測(cè)兩種。有損檢測(cè)主要是依據(jù)《玻璃幕墻工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，整個(gè)過程復(fù)雜繁瑣、工作量較大，不適合現(xiàn)有的大工程玻璃幕墻的檢測(cè)要求。無(wú)損檢測(cè)是目前科研人員主要的研究方向，包括外觀觀察法、聲波檢測(cè)法、動(dòng)應(yīng)變檢測(cè)法、振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)法、射線檢測(cè)法等。

3.1 聲波檢測(cè)法

聲波檢測(cè)法是利用了聲波在不同介質(zhì)中傳播會(huì)產(chǎn)生折射和反射的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)出來(lái)的一種檢測(cè)玻璃幕墻膠結(jié)材料損傷情況的方法。在對(duì)玻璃幕墻檢測(cè)時(shí)，將超聲波射入玻璃幕墻的膠結(jié)材料，當(dāng)遇到損傷、缺失的結(jié)構(gòu)膠時(shí)，超聲波會(huì)在界面處產(chǎn)生折射和反射，再通過專業(yè)的儀器收集這些超聲波信號(hào)，并進(jìn)行分析處理，最終得到結(jié)構(gòu)膠的具體損傷位置。

胡紹海等人對(duì)超聲波檢測(cè)法做了大量且深入的研究。首先利用超聲波檢測(cè)的特征參數(shù)對(duì)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的缺陷進(jìn)行了分析和研究，并對(duì)結(jié)構(gòu)膠的缺陷做了細(xì)致的分類，為超聲波檢測(cè)結(jié)構(gòu)膠缺陷的可行性提供了理論和事實(shí)依據(jù)?；诔暡ㄌ卣鲄?shù)分析的基礎(chǔ)之上，又進(jìn)一步提出了利用聲波發(fā)射技術(shù)的超聲脈沖回波法來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)膠的缺陷位置或低強(qiáng)度位置，并且在實(shí)際工程應(yīng)用中獲得了令人滿意的結(jié)果。超聲波檢測(cè)法具有靈敏度較高，成本較低，可以定量檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[7]。

3.2 射線檢測(cè)法

射線檢測(cè)法主要通過紅外線或X-射線來(lái)對(duì)玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行檢測(cè)的方法。紅外線檢測(cè)法是利用外部可移動(dòng)加熱源對(duì)玻璃幕墻的膠結(jié)材料進(jìn)行熱激勵(lì)，并同時(shí)用紅外線檢測(cè)儀或者熱成像儀等收集受熱后的膠體表面溫度，轉(zhuǎn)換成熱圖像，通過溫度差異來(lái)直觀、可靠、快速地分辨結(jié)構(gòu)膠的缺陷位置和大小。許維鎣還在此方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)和搭建了玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠損傷熱波檢測(cè)平臺(tái)，推進(jìn)了玻璃幕墻檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和方法的發(fā)展[8]。

而X-射線檢測(cè)法的原理則類似于醫(yī)院的拍片和車站等地的安檢，充分利用X-射線穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，利用X-射線照射玻璃幕墻的膠體結(jié)構(gòu)，并依據(jù)X-射線的衰減來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，這樣的檢測(cè)方法對(duì)于結(jié)構(gòu)膠的蜂窩型缺陷十分有效[9]。無(wú)論是紅外線檢測(cè)法還是X-射線檢測(cè)法都具有自動(dòng)化程度高，識(shí)別準(zhǔn)確等特點(diǎn)，但是都需要較為昂貴的配套設(shè)備，前期投入成本較大，且設(shè)備體積普遍較大，在工程實(shí)際檢測(cè)中較為不方便，相關(guān)配套設(shè)備的小型化和低價(jià)化是未來(lái)的發(fā)展方向之一。

3.3 振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)法

振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)法主要是通過對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行一個(gè)激振，測(cè)量激振反饋的頻率和振型并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃面板及周圍結(jié)構(gòu)膠的檢測(cè)。在實(shí)際操作中，通常采用橡膠錘激振玻璃幕墻，獲得振動(dòng)信號(hào)，但對(duì)于數(shù)量巨大的待檢測(cè)的玻璃幕墻而言，橡膠錘的激振措施會(huì)略顯效率低下。玻璃幕墻支撐體系，包括金屬連接桿和結(jié)構(gòu)膠，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的外力作用以及侵蝕必然會(huì)發(fā)生老化，導(dǎo)致玻璃幕墻出現(xiàn)松動(dòng)和損傷，其固有頻率也會(huì)發(fā)生衰減，使其抵抗外力作用的能力急劇下降。

通過對(duì)玻璃面板頻率的檢測(cè)分析，可以建立幕墻玻璃的約束狀況與頻率之間的關(guān)系，再通過數(shù)學(xué)方程對(duì)結(jié)構(gòu)膠的損傷情況進(jìn)行判斷，最后可以通過增加檢測(cè)測(cè)點(diǎn)間接地找出玻璃受損的位置。根據(jù)頻率變化率來(lái)確定損傷位置并判斷損傷長(zhǎng)度是較為有效和可靠的，尤其是采用低階模態(tài)的變化率可以更有效的確定損傷位置，因此在實(shí)際操作中可以采用較少的測(cè)點(diǎn)來(lái)檢測(cè)損傷位置和程度，極大地降低了檢測(cè)工作量，但相應(yīng)的計(jì)算及分析方法依舊相對(duì)較為繁雜。

通過振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)玻璃幕墻的損傷，張?jiān)驳热艘宰哉耦l率為振動(dòng)信號(hào)，對(duì)玻璃幕墻振動(dòng)測(cè)試方法做了深入研究，探究了邊界約束條件和幕墻尺寸與玻璃幕墻基頻的關(guān)系，通過分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果比較，指出振動(dòng)測(cè)試法是一種可行的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法[10]。劉小根等人也通過脈沖激振的方法獲得幕墻玻璃的固有頻率，用以識(shí)別玻璃幕墻的松動(dòng)與損傷程度，并依據(jù)幕墻玻璃的固有頻率與邊界支撐條件之間的變化衰減關(guān)系，建立起了一套以幕墻玻璃固有頻率變化來(lái)評(píng)價(jià)支撐結(jié)構(gòu)和邊界條件松動(dòng)損傷及玻璃脫落風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)[11]。

激勵(lì)作用下的玻璃面板的動(dòng)態(tài)應(yīng)變也可作為動(dòng)態(tài)信號(hào)的一種。玻璃幕墻周圍的結(jié)構(gòu)膠老化、脫膠會(huì)降低這些部位對(duì)玻璃面板的約束，使這些部位會(huì)的在激勵(lì)作用下的動(dòng)應(yīng)變大于其他結(jié)構(gòu)膠完整的部位。因此，通過相關(guān)應(yīng)變檢測(cè)儀測(cè)量出來(lái)的玻璃四邊振幅和動(dòng)態(tài)應(yīng)變也可以很好的識(shí)別結(jié)構(gòu)膠與玻璃面板的損傷部位和脫膠狀況。

4 玻璃幕墻損傷檢測(cè)技術(shù)新發(fā)展及應(yīng)用

玻璃幕墻往往具有面積大，數(shù)量多的特點(diǎn)，因此在其他產(chǎn)業(yè)中適用的抽檢方法，并不適用于玻璃幕墻的損傷檢測(cè)，即使有一塊玻璃幕墻存在損傷缺陷，造成脫落，都會(huì)對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅。因此，一項(xiàng)良好的玻璃幕墻的損傷檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)具有檢測(cè)設(shè)備便攜簡(jiǎn)單、易于現(xiàn)場(chǎng)操作、檢測(cè)過程快速、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

通過振動(dòng)信號(hào)來(lái)對(duì)玻璃幕墻的損傷進(jìn)行檢查是未來(lái)?yè)p傷檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。為了探究振動(dòng)信號(hào)，包括頻率、振型、頻響函數(shù)、振動(dòng)傳遞率等對(duì)損傷檢測(cè)的有效性和可靠性，許多研究人員甚至將小波變換，Hilbert 包絡(luò)譜等引入到損傷檢測(cè)的數(shù)據(jù)處理中，用以提高對(duì)玻璃幕墻安全狀態(tài)的更快速、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)[12]。激光測(cè)振模態(tài)分析系統(tǒng)也被用于研究模態(tài)參數(shù)和玻璃面板穩(wěn)定狀態(tài)之間的關(guān)系，相關(guān)的研究人員也提出了基于承載力和安全系數(shù)的幕墻面板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型中固有頻率臨界值確定方法，并建立了基于遠(yuǎn)程激光測(cè)振技術(shù)的建筑幕墻穩(wěn)定性檢測(cè)工法[13]，其檢測(cè)工作效率要遠(yuǎn)高于用橡膠錘激勵(lì)的振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)法。

遠(yuǎn)程激光測(cè)振技術(shù)可依據(jù)動(dòng)力特征參數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的安全，具有無(wú)損可測(cè)、為監(jiān)測(cè)預(yù)警提供基礎(chǔ)與依據(jù)等優(yōu)勢(shì)。但為了更好的實(shí)用性和適用性，需要在提高激光的反射信號(hào)強(qiáng)度，快速實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)定位以及降低外界噪聲等方面做更深入的研究。

此外，李濤等人還將BIM 技術(shù)引入到幕墻結(jié)構(gòu)可靠性檢測(cè)中，建立可靠性檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將檢測(cè)過程可視化[14]。而近些年發(fā)展較為迅速且成熟的無(wú)人機(jī)技術(shù)也被用于玻璃幕墻的檢測(cè)領(lǐng)域，李雷等人構(gòu)建了基于無(wú)人機(jī)和圖像處理技術(shù)的玻璃幕墻面板損傷檢測(cè)系統(tǒng)，主要針對(duì)玻璃面板會(huì)出現(xiàn)的自爆、熱炸裂和外力沖擊導(dǎo)致的開裂和損傷等進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量，獲得了較好的應(yīng)用效果[15]。

隨著玻璃幕墻的快速多元化發(fā)展，玻璃幕墻的種類、結(jié)構(gòu)、形狀等日趨多樣，包括夾層玻璃、中空玻璃等，為檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了更大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上可得出以下幾個(gè)結(jié)論。

第一，玻璃幕墻在現(xiàn)代化建筑中應(yīng)用廣泛，但實(shí)際使用過程中會(huì)存在玻璃自爆、金屬連接桿件松動(dòng)、粘結(jié)密封材料失效而引起的玻璃幕墻失效情況。

第二，使用年限較長(zhǎng)的玻璃幕墻易存在松動(dòng)、脫落的安全隱患，一旦掉落會(huì)對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅，因此對(duì)玻璃幕墻的損傷檢測(cè)十分必要且重要。

第三，橡膠錘激勵(lì)玻璃雖然是一種獲取振動(dòng)信號(hào)很有效的方法之一，但是對(duì)于數(shù)量巨大的檢測(cè)對(duì)象，需要嘗試更為方便、高效、快捷的激勵(lì)方法來(lái)獲得動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

第四，玻璃幕墻的檢測(cè)技術(shù)大致上可以分為聲波檢測(cè)法、射線檢測(cè)法和振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)法，每種方法各有優(yōu)勢(shì)，射線檢測(cè)法和振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)法是較有發(fā)展前景的方法，其中，射線檢測(cè)法精度較高，但設(shè)備昂貴且不便，振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)法是目前被研究得較多的方法，可用的振動(dòng)信號(hào)參數(shù)較多，在實(shí)際工程中具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

第五，針對(duì)種類多樣且發(fā)展迅速的玻璃幕墻產(chǎn)業(yè)，相關(guān)的損傷檢測(cè)技術(shù)也在迅速且全面的發(fā)展，在傳統(tǒng)常規(guī)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了許多采用新技術(shù)的檢測(cè)方法，包括BIM 技術(shù)、無(wú)人機(jī)技術(shù)等。

第六，目前的研究方法用到很多較為精準(zhǔn)的儀器，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確有效，但是對(duì)檢測(cè)人員的技術(shù)要求較高，對(duì)儀器的精度要求較高，不適宜大規(guī)模全方位的使用，所以對(duì)現(xiàn)階段的檢測(cè)方法進(jìn)行改良、或者創(chuàng)造出新的檢測(cè)方法使得檢測(cè)更為簡(jiǎn)便高效是十分必要的。