基于光纖傳感技術(shù)的建筑幕墻變形監(jiān)測與分析

孫經(jīng)緯 （中國建筑第二工程局有限公司，北京 100000）

0 引言

目前，我國幕墻的生產(chǎn)和消費水平已逐步提高，但在長時間的外力負荷、溫度變化、陽光照射下，幕墻的使用壽命大大縮短。且由于降雨等因素的影響，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)支撐松動，結(jié)構(gòu)膠粘劑老化，連接器安全性能下降，嚴重制約著幕墻的安全性。幕墻質(zhì)量問題日益凸顯，已成為建筑安全的“定時炸彈”。因此，提高建筑玻璃幕墻安全性可有效降低幕墻墜落風(fēng)險。光纖傳感技術(shù)是20 世紀70 年代中期開發(fā)的新技術(shù)[4]，光纖傳感器是一種將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測領(lǐng)域的傳感器，與傳統(tǒng)傳感器相比，它具有高靈敏度、耐腐蝕性、抗電磁干擾，并且可以實現(xiàn)溫度、應(yīng)變和其他參數(shù)的長期和分布式測量。但目前較少研究光纖傳感技術(shù)監(jiān)測建筑幕墻變形。因此將光纖傳感技術(shù)用于建筑幕墻變形監(jiān)測與分析，可有效提高建筑幕墻的安全性能。

基于此，本文提出的光纖傳感模型是根據(jù)多年的實際工作經(jīng)驗，建立的一種基于光纖傳感器的傳感器模型，以影響因子作為輸入，并以玻璃幕墻穩(wěn)定結(jié)果為輸出，對其穩(wěn)定性進行研究，研究結(jié)果可為玻璃幕墻的檢測提供理論參考。

1 玻璃幕墻臨界頻率確定

以建筑玻璃幕墻為研究對象，基于影響玻璃幕墻安全狀態(tài)的主要因素，對不同材料的力學(xué)性能進行了研究。本文在對固有頻率約束的基礎(chǔ)上，建立了以固有頻率為基礎(chǔ)的抗震評估體系。同時，幕墻玻璃的橫截面比其厚壁大得多，是一種經(jīng)典的薄板結(jié)構(gòu)，其動態(tài)特性可用薄鋼板理論進行計算。

2 玻璃幕墻臨界頻率的測定

2.1 輸入信號的正向傳播

來自光纖傳感輸入層的信息，通過光纖傳感傳輸?shù)焦饫w傳感的隱藏層。到達隱藏層光纖傳感的信息由隱藏層的光纖傳感功能處理，然后通過光纖傳感傳輸?shù)捷敵鰧又?。如果由隱藏層光纖傳感處理的結(jié)果滿足誤差要求，則通過輸出層輸出。

2.2 錯誤反饋處理

在光纖傳感器中，誤差是指實際輸出與期望輸出的差值。在應(yīng)用光纖傳感器前，必須對其進行培訓(xùn)和研究。首先，應(yīng)初始網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重，一般采用少量的隨機變量。通常，光纖傳感系統(tǒng)要反復(fù)地調(diào)整各個網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，反復(fù)地進行訓(xùn)練。若樣本的誤差可以滿足要求，網(wǎng)絡(luò)則可以達到收斂狀態(tài)，這表明光纖傳感器的訓(xùn)練是成功的。光纖傳感算法如下。

首先，采樣輸入矢量和輸出矢量分別定義為Xk與Yk，如式（1）、式（2）所示：

采用MATLAB 編程軟件實現(xiàn)基于以上算法的計算公式。加權(quán)初始化選取為一個較少隨機數(shù)的初始加權(quán)因子。在對樣例進行學(xué)習(xí)之后，在總體的錯誤率為預(yù)定目標(biāo)時，將其終止，保留各層次加權(quán)的計算結(jié)果。由此可以得出一個輸入矢量與輸出矢量的對應(yīng)關(guān)系。

2.3 穩(wěn)定性模型的建立

通過光纖傳感模型預(yù)測玻璃幕墻的穩(wěn)定性。在模型預(yù)報中，許多因素都會對預(yù)報的精度造成一定影響，而在輸入級，影響因子的方法也會對預(yù)報效果有較大的作用。在幕墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算中，光纖傳感模式的預(yù)測值主要取決于兩個方面，即玻璃幕墻穩(wěn)定光纖傳感技術(shù)的學(xué)習(xí)速度和泛化能力。在獲得幕墻幾天的應(yīng)力應(yīng)變值基礎(chǔ)上，采用以下四個步驟建立預(yù)測框架，根據(jù)實際應(yīng)用中存在的問題，進行詳細的分析，選取一種適用于該項目的光纖傳感模型；玻璃幕墻表面粘貼單模光纖，實時采集主應(yīng)力值；基于上述兩個步驟，建立了光纖傳感器的傳感模型，并對其進行了試驗研究；采用訓(xùn)練后的光纖傳感器進行相關(guān)預(yù)報。

2.4 輸入層內(nèi)容的確定

2.4.1 風(fēng)壓的影響

玻璃幕墻在長時間內(nèi)會受到外力的風(fēng)荷載，其受力范圍較大，因此受到的影響也比較大。玻璃幕墻在風(fēng)荷載下，易發(fā)生變形，從而使其穩(wěn)定性降低。在玻璃幕墻設(shè)計中，對其抗風(fēng)壓性能有較高的要求。玻璃幕墻的風(fēng)壓強度指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)以其標(biāo)準風(fēng)荷載Wk為基準，不得低于1.0kPa。在風(fēng)壓阻特性指標(biāo)下，幕墻支承體系及面板的相對變形和絕對變形不應(yīng)超過L/180及L/250。

2.4.2 玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

玻璃幕墻通常與主體框架連接在一起。首先，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，確定玻璃幕墻的大小是關(guān)鍵問題。體積太大會使整體結(jié)構(gòu)的負荷增大。尺度太小會使整個幕墻變得更加復(fù)雜，從而使不確定因素增多。根據(jù)工程實踐，建議在單板兩端跨距上橫向受力構(gòu)件最大變形量不能大于面板兩端跨距的1/500，也不能大于3mm。

3 工程概況

某銀行總部的34 層商業(yè)中心大樓是當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)性建筑之一，其中幕墻工程總建筑面積為25294m2，工期為12 個月，整體幕墻結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，總造價為3967 萬元，辦公樓幕墻工程立面如圖1所示。該大樓玻璃幕墻采用了一種單片的鋼化玻璃。為了對幕墻的健康情況進行評價，以排除安全隱患，并用光纖傳感器對玻璃幕墻進行測試。

圖1 建筑幕墻

根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)，玻璃面板的尺寸為1500mm×950mm×4mm，容許的風(fēng)荷載標(biāo)準值為1.49kPa，安全因子為1.7。垂直于建筑物表面的出風(fēng)口荷載標(biāo)準值計算公式為：

式中，Wk為風(fēng)荷載的標(biāo)準值；αx為高空處的風(fēng)振動系數(shù)；us為風(fēng)荷載的形狀系數(shù)；uz為高度變化系數(shù)；Wo為基本風(fēng)壓。風(fēng)荷載主應(yīng)力的相關(guān)系數(shù)值為：

形狀系數(shù)為us=0.8，高度系數(shù)為uz=1.95（幕墻高度為113m），基本風(fēng)壓W0=70Kg/m2=686N/m2。因此，風(fēng)荷載的標(biāo)準值wk=1.42×0.8×1.95×668=1520(N/m2)=1.52kPa。風(fēng)壓力P1=wk=1.52kPa

考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的附加荷載，采用1.6 的安全因子，得到P2=wk=2432（N/m2）=2.43kPa。將設(shè)計的風(fēng)壓取為P3=3000N/m2。建筑玻璃強度校核采用單層玻璃強度，計算公式為：

式中，P 為容許風(fēng)壓；α 為玻璃強度系數(shù)；A 為玻璃；t 為玻璃厚度。通過對玻璃的分析，發(fā)現(xiàn)其抗風(fēng)強度達到8.2kPa，強度完全符合設(shè)計要求。

4 結(jié)果與討論

4.1 槽鋼層幕墻檢測

在本研究中，使用BOFDA 光纖傳感儀（ftb2505）獲得幕墻結(jié)構(gòu)的固有頻率。BOFDA 的原理是當(dāng)來自探針激光器和泵浦激光器的光束同時注入光纖的兩端時，會散射出大量的光，從而檢測玻璃固有頻率。光纖為單模光纖，可分為芯層和包層、聚酰亞胺涂層和聚氨酯保護鞘。槽鋼層位于某大樓的10 層，本層20 塊非開放式幕墻玻璃均進行光纖傳感測試。幕墻玻璃板尺寸為1.7m×102m×0.006m，周邊單純支承頻率為18.25Hz，固定支承為36.42Hz。測試結(jié)果如表1所示。

表1 幕墻玻璃固有頻率（Hz）試驗結(jié)果

由表1 可以看出，基于簡支四邊，頂部幕墻玻璃的FONF 值已經(jīng)低于FONF的下限，這表明該幕墻的窗框受到了很大的破壞，很有可能會脫落。槽鋼層玻璃面板的三個FONF 值低于FONF 的下限，而其他值高于頻率下限，但低于允許風(fēng)壓所需的臨界頻率，說明該樓層玻璃幕墻的承載力不符合設(shè)計的最低標(biāo)準，必須進行維修或替換。在避難樓層中，通常出現(xiàn)比其他樓層更大的振動，這表明頂部幕墻的安全系數(shù)很低，更容易發(fā)生事故。主要由于避難樓層較高，風(fēng)荷載較大，易導(dǎo)致玻璃幕墻承受更大的荷載。同時可觀察到編號27 位置的固有頻率最大，主要由于幕墻玻璃的震動會導(dǎo)致光纖的應(yīng)力集中。這將導(dǎo)致應(yīng)變曲線在玻璃裂縫附近突然上升。如果幕墻玻璃的震動產(chǎn)生共振現(xiàn)象，光纖將從幕墻玻璃的界面脫離出來，從而卸載光纖中的應(yīng)力，表明該處玻璃幕墻固有頻率較大。

4.2 主應(yīng)力值

根據(jù)風(fēng)荷載主應(yīng)力值的計算公式，選擇不同的試驗點來驗證玻璃幕墻主應(yīng)力值。主應(yīng)力值通過BOFDA 光纖傳感儀獲得，在光纖傳感器安裝過程中，涂覆一層氰基丙烯酸酯粘合劑，以保證幕墻主應(yīng)力值結(jié)果準確，光纖傳感器中的空間分辨率為0.625mm，采樣率為5Hz。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 主應(yīng)力值結(jié)果

由表2 可知，測量點1 誤差率最低，測量點5 最高，最高誤差率高達12.4%，主要由于測量點5 位于幕墻邊框，受風(fēng)荷載影響較大，導(dǎo)致誤差率偏高。同時可觀察到，測量點3 主應(yīng)力值較大，主要由于測量點3 位于幕墻中部，中部彎矩較大，進而使測量點3 主應(yīng)力值大。玻璃幕墻的仿真模擬計算是將幕墻受力和變形單獨考慮，忽略相鄰幕墻之間的相互影響，且不考慮不同位置幕墻與相鄰力的關(guān)系，因此實測值大于數(shù)值模擬結(jié)果，且幕墻之間存在連接。在風(fēng)荷載作用下，玻璃幕墻將風(fēng)荷載傳遞到結(jié)構(gòu)膠的位置，結(jié)構(gòu)膠粘劑的物理力學(xué)性能比玻璃板要差，而且其變形變化較大，很難把握[9]，這就導(dǎo)致模擬計算與實測數(shù)據(jù)的不同。同時單模光纖在測試過程中，由于風(fēng)荷載因素，易出現(xiàn)光纖傳感器不規(guī)律震動，這也將對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定影響。因此，在試驗過程中，建議使用性能較好的粘接劑對光纖進行加固。

5 結(jié)論

模擬值結(jié)果小于實測值，誤差主要歸因于風(fēng)荷載模擬方法，幕墻施工中主體的微小變形效應(yīng)被忽視，玻璃幕墻的變形是由于玻璃幕墻在風(fēng)壓下不合理的重力傳遞造成的。盡管模擬值結(jié)果與測量值之間存在一定偏差，通過對工程結(jié)構(gòu)進行變形監(jiān)控，得到的實測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)都能滿足工程實際需要，可以為工程實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。