基于振動(dòng)加速度幅值變化的干掛石材幕墻脫掛部位檢測(cè)

許曙光，劉小根，王文歡

（1、廣州安德信幕墻有限公司 廣州 510400；2、中國(guó)國(guó)檢測(cè)試控股集團(tuán)股份有限公司 北京 100024）

0 引言

我國(guó)是建筑幕墻最多的國(guó)家，作為建筑幕墻主要結(jié)構(gòu)形式之一，石材幕墻正被大量建筑應(yīng)用于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中。目前，石材幕墻主要采用干掛結(jié)構(gòu)形式（干掛式石材幕墻），具體包括插銷式石材幕墻、開槽式石材幕墻及背栓式石材幕墻等［1-2］。隨著干掛石材幕墻的應(yīng)用量增多及服役年限的增加，同時(shí)疊加部分石材幕墻施工存在缺陷，導(dǎo)致石材面板整體墜落事故時(shí)有發(fā)生，給人民生命及財(cái)產(chǎn)安全帶來極大隱患。因此，石材幕墻安全評(píng)估時(shí)，有必要事先檢測(cè)并排查有墜落風(fēng)險(xiǎn)的石材面板，從而將安全事故防患于未燃。

干掛式石材幕墻主要通過在石材面板的背部或邊部開槽或打孔，采用掛件支承固定石材面板。掛件承擔(dān)著石材面板重量及風(fēng)、振動(dòng)等外部載荷作用，一旦掛件與石材面板之間掛接部位松動(dòng)或脫掛，則石材面板就會(huì)存在較大的墜落風(fēng)險(xiǎn)，掛件（栓件）脫掛是導(dǎo)致石材幕墻面板整體墜落的根本原因［3-6］。通過對(duì)大量既有石材幕墻進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)石材掛件嚴(yán)重銹蝕并失去支承能力或完全脫掛現(xiàn)象較為普遍，如圖1所示。由于掛件均隱含在石材面板的背后，在室外面觀察幕墻表觀，無法直接察覺掛件是否出現(xiàn)脫掛或松動(dòng)現(xiàn)象。目前，常規(guī)的檢測(cè)方法是將部分石材面板拆卸下來，通過肉眼觀察石材面板背部掛接情況。但該種方法只適合于局部抽樣檢測(cè)，無法進(jìn)行全部檢測(cè)，且檢測(cè)為有損檢測(cè)，部分地方石材面板拆卸異常困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此，發(fā)展石材幕墻安全無損檢測(cè)方法，成為業(yè)內(nèi)目前重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容之一［7-10］。

圖1 典型石材幕墻掛件失效Fig.1 Typical Stone Curtain Wall Pendant Failure

為實(shí)現(xiàn)石材幕墻安全評(píng)估無損檢測(cè)，王永煥等人［11-12］均提出了通過測(cè)量石材面板的一階固有頻率來確定其脫落風(fēng)險(xiǎn)。其原理是隨著支承件的支承松動(dòng)，石材面板的固有頻率通常會(huì)呈下降趨勢(shì)。但因石材面板的固有頻率受影響因素較多，難以建立石材面板脫落風(fēng)險(xiǎn)程度與其固有頻率值之間的定量關(guān)系。本文提出通過檢測(cè)干掛石材掛接處的振動(dòng)參數(shù)幅值，并通過相對(duì)比較，以期望識(shí)別背部的掛件是否與石材面板之間存在脫掛現(xiàn)象，為石材幕墻安全檢測(cè)提供一種新的無損檢測(cè)技術(shù)途徑。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 樣品制備

采用花崗巖作為石材面板，長(zhǎng)寬尺寸為800 mm×600 mm，厚度為30 mm。在石材面板的上、下短邊側(cè)邊分別開兩個(gè)槽用于與掛件連接，槽口離石材面板側(cè)邊距離為50 mm。掛件一端通過螺栓與支承型材連接，另一端嵌入石材面板槽內(nèi)，并在其空隙處充填云石膠固定，其支承連接示意圖如圖2所示。

圖2 石材面板樣品支承連接結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Support Connection Structure for Stone Panel Samples

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用INV9822 型加速度傳感器拾振，采用INV3062T0 型信號(hào)采集分析儀和DASP V10 精選版分析系統(tǒng)（含信號(hào)示波、采集、波形圖時(shí)域分析等）進(jìn)行振動(dòng)加速度信號(hào)處理，通過以上設(shè)備獲得石材面板各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度振幅變化歷程曲線。

1.3 振動(dòng)加速度幅值測(cè)量

對(duì)石材面板的4 個(gè)掛點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，分別為1#、2#、3#、4#，如圖3 所示。在每個(gè)掛點(diǎn)的對(duì)應(yīng)部位石材面板外表面（立面外面）處粘貼加速度傳感器，加速度傳感器與信號(hào)采集分析儀連接（含4個(gè)通道）。采用橡膠錘瞬態(tài)激勵(lì)石材面板外表面的板中心部位（需保證激勵(lì)點(diǎn)與各加速度測(cè)點(diǎn)距離相同），加速度傳感器獲得各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度信號(hào)，通過信號(hào)采集分析儀處理后，得到的各測(cè)點(diǎn)典型振動(dòng)加速度振幅變化歷程曲線示意圖如圖4所示。通過讀取圖4中最大振動(dòng)加速度幅值A(chǔ)1和A2，并按式⑴計(jì)算A值作為各測(cè)點(diǎn)的最終結(jié)果值。

圖3 振動(dòng)加速度幅值測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Layout Diagram of Vibration Acceleration Amplitude Measurement Points

圖4 瞬態(tài)激勵(lì)各測(cè)點(diǎn)典型振動(dòng)加速度振幅變化歷程曲線示意圖Fig.4 Schematic Diagram of the Variation History Curve of Typical Vibration Acceleration Amplitude at Various of Measurement Points under Transient Excitation

2 結(jié)果與討論

2.1 掛件脫掛對(duì)振動(dòng)加速度幅值影響

因?yàn)槿我辉诹⒚嫔系氖哪粔γ姘逯辽贂?huì)有一個(gè)掛點(diǎn)處于掛接牢固狀態(tài)（不存在4 個(gè)掛點(diǎn)均脫掛現(xiàn)象，否則石材面板會(huì)掉落）。本次分四種工況進(jìn)行試驗(yàn)：①4 個(gè)掛點(diǎn)掛接均緊固；②1#掛點(diǎn)完全脫掛，其余掛點(diǎn)掛接緊固；③1#、2#掛點(diǎn)完全脫掛，其余掛點(diǎn)掛接緊固；1#、2#、3#掛點(diǎn)完全脫掛，4#掛點(diǎn)掛接緊固。對(duì)上述工況，采用人為破壞方式，故意讓需要脫掛的掛點(diǎn)處的掛件完全與石材面板脫掛。按圖3示意圖布放加速度傳感器并進(jìn)行激振，得到的不同工況下各測(cè)點(diǎn)處石材面板的振動(dòng)加速度幅值A(chǔ)如表1 所示。圖5 為1#掛點(diǎn)完全脫掛，其余掛點(diǎn)掛接緊固對(duì)應(yīng)的4 個(gè)掛點(diǎn)的振動(dòng)加速度振幅變化歷程曲線。

表1 不同工況下各測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)加速度幅值Tab.1 Vibration Acceleration Amplitude at Each Measurement Points under Different Working Conditions

圖5 1#測(cè)點(diǎn)完全脫掛，其余測(cè)點(diǎn)掛接緊固對(duì)應(yīng)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度振幅變化歷程曲線Fig.5 Vibration Acceleration Amplitude Variation Curve of 4 Measuring Points Corresponding to the complete Detachment of 1# Hanging Point and the Fastening of Other Hanging Points

理論上來說，各掛點(diǎn)處測(cè)量得到的振動(dòng)加速度幅值越大，說明掛件對(duì)該掛點(diǎn)處的約束力（或支承力）越小。由表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，無論哪個(gè)掛件脫掛，其脫掛后該點(diǎn)處的振動(dòng)加速度幅值比脫掛前均發(fā)生明顯的增大，如1#掛點(diǎn)脫掛時(shí)，其振動(dòng)加速幅值比未脫掛前增大了101.2%，1#、2#掛點(diǎn)脫掛時(shí)，其振動(dòng)加速幅值比未脫掛前分別增大了108.5%和77.6%；1#、2#、3#掛點(diǎn)脫掛時(shí)，其振動(dòng)加速幅值比未脫掛前分別增大了111.1%、82.1%和71.9%。以上測(cè)試數(shù)據(jù)表明，振動(dòng)加速度幅值變化對(duì)掛件脫掛較為敏感。

進(jìn)一步對(duì)比不同工況下4個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度幅值最大相對(duì)偏差值，可以看出，當(dāng)4個(gè)掛點(diǎn)掛接均緊固時(shí)，加速度幅值最大位于2#掛點(diǎn)處，最小位于4#掛點(diǎn)處，其最大偏差為12.24%，這種偏差主要來源于安裝導(dǎo)致的各掛點(diǎn)受掛接力不均導(dǎo)致的（不可避免），且下面2 個(gè)掛點(diǎn)的振動(dòng)加速度幅值要小些，這主要是這兩個(gè)掛點(diǎn)承擔(dān)了更多石材面板的自重，而導(dǎo)致其掛接力更大所致。當(dāng)1#測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)脫掛時(shí)，4 個(gè)掛接點(diǎn)的最大相對(duì)偏差增大至136.5%，當(dāng)1#、2#測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)脫掛時(shí)，其最大相對(duì)偏差增大至153.1%，當(dāng)1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)脫掛時(shí)，其最大相對(duì)偏差增大至203.0%。顯然，任一或多個(gè)掛件脫掛后，同一片石材面板的各掛點(diǎn)處的振動(dòng)加速度幅值偏差明顯增大，并遠(yuǎn)大于因安裝不均導(dǎo)致的偏差值。

2.2 基于振動(dòng)加速度幅值變化的石材幕墻脫掛識(shí)別

石材幕墻面板任一掛件脫掛，均可增大該塊石材面板脫落風(fēng)險(xiǎn)。由上節(jié)試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同測(cè)試條件下，只要測(cè)量石材面板各個(gè)掛接處的振動(dòng)加速度幅值，并進(jìn)行相對(duì)比較，即可識(shí)別出被測(cè)掛點(diǎn)是否存在脫掛。實(shí)際檢測(cè)過程中，可按如下程序進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別：首先，根據(jù)獲得的4 個(gè)掛接點(diǎn)處（如有6 個(gè)或超過6個(gè)，也需對(duì)每個(gè)掛點(diǎn)都測(cè)量）石材面板的加速度振動(dòng)波形圖，分別讀出振動(dòng)加速度信號(hào)最大幅值A(chǔ)1、A2、A3、A4，選擇該4個(gè)值中的一個(gè)最小值（一般認(rèn)為最小值處對(duì)應(yīng)的掛點(diǎn)掛接是牢固的），并與其余3 個(gè)值進(jìn)行比較，計(jì)算偏差值（其余3個(gè)值中任一值減最小值后除最小值得到的百分比）。一般認(rèn)為，當(dāng)各掛點(diǎn)的所有偏差值均小于20%以內(nèi)（可由安裝不均勻?qū)е碌模?，則可判斷該4個(gè)掛點(diǎn)均未脫掛或松動(dòng)。當(dāng)任一個(gè)或多個(gè)掛點(diǎn)處的偏差值大于50%時(shí)，則可判斷該對(duì)應(yīng)處的掛點(diǎn)處可能存在完全脫掛現(xiàn)象。當(dāng)掛點(diǎn)處的偏差值處于以上兩值之間時(shí)，一般認(rèn)為該對(duì)應(yīng)掛點(diǎn)處存在掛接松動(dòng)可能（處于完全脫掛和掛接緊固之間）。通過以上簡(jiǎn)單對(duì)比，可以快速識(shí)別出石材面板可能存在脫掛的部位，并根據(jù)脫掛點(diǎn)數(shù)量，提出該石材面板的安全維護(hù)方案。由于以上檢測(cè)均可在立面或吊頂石材的外部測(cè)量，不需拆卸石材，是一種較為便捷的無損檢測(cè)方法，且該方法不局限于任一特定石材面板掛接形式，具有普適性。

3 結(jié)語(yǔ)

因石材面板的支承掛件均隱蔽于石材板塊后方，無法直接通過表觀察覺其支承狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)拆除抽樣或采用內(nèi)窺鏡抽樣檢測(cè)，以點(diǎn)帶面，無法全部檢測(cè)出整個(gè)石材幕墻墜落風(fēng)險(xiǎn)部位或支承薄弱部位。本文通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了掛點(diǎn)處的支承松動(dòng)或完全脫掛會(huì)導(dǎo)致該處石材面板的振動(dòng)加速度幅值明顯增大。因此，通過制定標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)程序，該方法具備實(shí)現(xiàn)對(duì)石材幕墻安全隱患無損全檢的能力。如發(fā)現(xiàn)掛件完全脫掛的石材面板，應(yīng)通過更換或加固等措施進(jìn)行安全維護(hù)，以實(shí)現(xiàn)降低或杜絕石材幕墻面板整體墜落帶來的城市公共安全隱患。