振动测试法在幕墙结构胶粘结玻璃面板坠落风险检测中的应用
时间：2023-05-30 20:35:33 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
杨 浩
（墙管家建筑科技（上海）有限公司，上海 201108）
我国是全球最大的建筑玻璃幕墙生产和使用大国，随着建筑玻璃幕墙使用量的增多及服役年限的增长，以及早期设计规范缺失、施工缺陷、玻璃幕墙支承结构材料性能退化及结构材料本身缺陷等问题，使得建筑玻璃幕墙的安全使用问题越来越突出。目前，建筑玻璃幕墙引起的公共安全事故主要有以下2方面：① 由于风致飞射物冲击或玻璃自爆等因素，导致玻璃破损后碎片坠落，造成人员伤亡和财产损失；
② 由于结构对玻璃面板的约束劣化，导致玻璃面板的整体性脱落[1]。
20世纪80年代，我国大量建筑玻璃幕墙的建造没有规范的技术指导及严格的质量控制。隐框玻璃幕墙通过结构胶与铝框相连，被固定在主体结构上。随着技术的发展，近年来部分质量优良的建筑结构胶生产厂家已推出使用寿命为25年的建筑结构胶，但时间仍少于既有建筑玻璃幕墙的服役时间。结构胶在服役期间因老化失效造成的玻璃面板整体性脱落，已成为隐框玻璃幕墙失效的重要原因。因此，应多采取现场抽样、采样，并对采样的结构胶开展拉伸黏结强度等物理性能检测，以确定隐框玻璃幕墙的结构胶脱胶损伤情况。
这种对在役结构胶质量评估方法的问题在于，通常结构胶本身的拉伸强度不是黏结质量的决定性因素，结构胶极限强度一般超过0.8 Mpa，现行技术标准设计强度仅取0.2 Mpa。结构胶与玻璃或铝材之间的相容性是确定黏结面质量的关键因素，如结构胶与玻璃、铝型材不相容，在黏结界面处会产生破坏面，且黏结界面强度小于结构胶本身的强度[2]。因此，对在役结构胶采用抽样取胶的方法仅能评估结构胶母材的性能，不能反映黏结界面处的实际强度。
DG/TJ08—803—2013《上海市建筑幕墙安全性能检测评估技术规程》推荐的检测方法为：在现场对玻璃-胶体-铝框抽样切割，在实验室使用特殊夹具将其分别黏结在玻璃面和铝框表面，制成可在拉力试验机上进行黏结强度试验的试件，最后按照GB 16776—2005《建筑用硅酮结构密封胶》第6.8.3条开展试验。该评估方法虽然能反映结构胶黏结界面处的强度，但由于需要切割铝附框，导致整块面板需重新制作铝附框，耗时长，成本高，对业主影响较大。该检测方法具有破坏性，抽样数量受限，无法全面评估在役隐框建筑幕墙玻璃面板的安全性能。
1.1 检测方法
由于传统的评估方法存在局限性，相关科研单位相继发布了采用动力测试技术来评估结构胶黏结隐框玻璃面板性能的方法。目前，国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会于2020年12月14日联合发布了GB/T 39525—2020《玻璃幕墙面板牢固度检测方法》，该标准已于2021年11月1日开始实施。中关村材料试验技术联盟发布了团体标准《既有建筑幕墙面板坠落风险排查法—振动测试法》的征求意见稿。上述标准均采用动力测试技术，对采用建筑结构胶的隐框玻璃面板瞬态激励，使其自由振动，加速度传感器作为拾振装置接收玻璃面板的动力响应信号。同时，采用信号处理装置（包括数据采集系统及分析系统）获得隐框幕墙玻璃面板的振动响应信号，再通过数据分析系统分析并显示采集的数据，通过傅里叶变化计算频响函数，显示频谱图。
1.2 分析方法
上述2种标准（《玻璃幕墙面板牢固度检测方法》、《既有建筑幕墙面板坠落风险排查法—振动测试法》）检测方法使用的检测设备基本相同，均认为幕墙玻璃面板的物理参数和力学参数不发生改变，但玻璃面板的支承存在缺陷时，即用于支承、黏结、连接幕墙面板的材料及结构发生松动、损伤或脱黏时，幕墙玻璃面板的动力响应信号会发生变化。2种检测方法也存在不同，GB/T 39525—2020《玻璃幕墙面板牢固度检测方法》的分析原理为：对比基准加速度频响函数（即无损伤条件下的加速度频响函数）与实测加速度频响函数，以确定幕墙玻璃面板的牢固程度[3]。《既有建筑幕墙面板坠落风险排查法-振动测试法》征求意见稿的分析原理为：当支承发生损伤、松动或脱粘时，其对应的幕墙面板频率越低，坠落风险越大[5]。
对某一物理参数、支承形式、形状尺寸完全相同的幕墙面板批次进行基频测试，比较所测幕墙面板的基频大小，发现最小基频对应的幕墙面板支承体系最薄弱，其坠落风险最大。进一步选择支承体系最薄弱部位的面板进行拆除、拉拔等检测，以确定该批次幕墙面板的坠落风险。作为边缘支承构件，幕墙玻璃面板的理论频率在简支频率与固支频率之间。理论简支频率和理论固支频率可分别作为实测玻璃面板基频的下限和上限[4-5]，当所测幕墙玻璃面板基频低于基频下限值时，可判定该幕墙面板存在坠落风险；
当所测幕墙面板基频高于基频上限值时（部分边缘支承幕墙面板黏结较宽，可能出现这一现象），可判定该幕墙面板不存在坠落风险，不需进一步的处理或检测；
当同一批次所测幕墙面板的基频处于基频上、下限值之间时，应对该批次所测幕墙面板的基频排序，根据最小基频对应的幕墙面板位置来确定该批次幕墙面板坠落风险最大的部位，并对该位置采取拆除、拉拔法等进一步开展检测，以确定其是否存在坠落风险。
在GB/T 39525—2020《玻璃幕墙面板牢固度检测方法》的分析方法中，理论基态频响函数计算需要获得玻璃面板与支承框架之间的结构胶尺寸和物理参数，但大部分在役建筑玻璃幕墙的图纸等技术资料已无法获得。团体标准《既有建筑幕墙面板坠落风险排查法—振动测试法》征求意见稿建议采用玻璃面板理论简支频率和理论固支频率作为基频的上下限值，与实测基频比较分析。通过测量玻璃面板尺寸和厚度，即可计算获得玻璃面板的理论简支频率和理论固支频率。一般每幢玻璃幕墙建筑会使用相同的结构胶、框架材料等，标准层的面板及结构胶尺寸也基本相同。因此，可以采用团体标准《既有建筑幕墙面板坠落风险排查法—振动测试法》征求意见稿建议的方法检测建筑玻璃幕墙隐框开启窗。
本次检测采用振动法检测27栋在役建筑玻璃幕墙的隐框开启窗玻璃面板。将27栋建筑分为3个楼龄组，每栋楼抽取1扇开启窗进行基频检测，分析不同楼龄组玻璃面板的基频变化。本次检测采用北京东方振动和噪声技术研究所生产的DASP智能数据采集和信号处理系统（Coinv DASP Version11），采用触发激励，3次触发激励平均后进行分析。玻璃面板典型的触发激励振动全程波形图（时域分析图形），以及对振动信号进行傅里叶变换所得的振动响应频谱图（幅频图）如图1所示。由图可知玻璃面板的振动频率。本次检测的27栋玻璃幕墙建筑的楼龄分组见表1，玻璃面板的理论基频与实测基频的比较见表2。
表1 玻璃幕墙建筑的楼龄分组（Tab.1 Age group of glass curtain wall buildings）
表2 按楼龄分组的基频比较（Tab.2 Fundamental frequency comparison by age group）
由表2可知，在20年以上的楼龄组中，实测基频与理论基频下限比的范围为0.80～1.59。其中，有3栋建筑的实测基频低于理论基频的下限，占比42.9%，其他建筑的实测基频在理论基频的上下限之间，为1.04、1.10、1.10和1.59，占比57.1%，且无高于理论基频上限的情况。在11～20年（含）楼龄组中，1栋建筑玻璃面板的实测基频低于理论基频下限，占比7.1%；
3栋建筑的实测基频均高于理论基频上限，占比21.4%；
其他10栋建筑的实测基频在理论基频上下限之间（与理论基频的下限为1.07～3.50），占比71.4%。在10年（含）楼龄组中，有1栋建筑玻璃面板实测基频低于理论基频下限，占比16.7%；
2栋建筑的实测基频高于理论基频的上限，占比33.3%；
其他3栋建筑的实测基频在理论基频的上下限之间（与理论基频的下限为1.10～2.50），占比50%。
通过现场实测数据与理论值的对比分析可得出以下结论。
（1）在20年以上楼龄组中，实测基频低于理论基频下限的栋数和比例明显多于其他2组，说明随着建筑玻璃幕墙服役年限的增加，采用建筑结构胶粘结的玻璃面板的实测基频出现了向理论基频下限靠近或低于理论基频的情况。
（2）随着建筑玻璃幕墙服役期的增加，建筑结构胶作为隐框玻璃面板的支承结构出现脱胶、断裂、硬化等劣化现象，导致出现服役时间长的玻璃面板实测基频降低的情况。
（3）在服役年限较低的10年内楼龄组中，也存在实测基频低于或接近理论基频下限的情况，经检查发现，其结构胶已老化变硬，完全失去弹性。一般情况下，结构胶不会在10年内完全失去弹性，因此这与该玻璃幕墙结构胶的质量存在很大关联系。
（4） 在11～20年（含）及10年内（含）楼龄组中，出现了部分实测建筑幕墙玻璃面板基频高于基频上限值的情况。相关研究资料表明，这是由于部分边缘支承建筑幕墙玻璃面板的黏结宽度较宽导致的。如发生此种情况，可判定该建筑幕墙玻璃面板不存在坠落风险，无需进一步的处理或检测[5]。
（5）本次测量受条件限制，无法对实测基频低于理论基频下限的玻璃面板实施进一步检查，无法判断其是否出现了结构胶脱胶、断裂等情况。但通过数据分析可知，玻璃面板的固有频率是1个获得成本较低且较易获得的参数。通过定期测量玻璃面板固有频率的变化，可快速识别采用建筑结构胶粘结的玻璃面板可能存在的损伤，为玻璃幕墙的安全检查和评估鉴定提供依据。
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