高崇亮 程 超 夏 慶 王 波 曹亞軍

中建深圳裝飾有限公司 廣東 深圳 518023

玻璃幕墻是現(xiàn)代建筑的重要組成部分，尤其在高層建筑中應(yīng)用廣泛。同所有材料和結(jié)構(gòu)一樣，玻璃幕墻在長期使用過程中，其使用的結(jié)構(gòu)膠、螺栓、龍骨等均存在不同程度的性能退化、松動(dòng)和腐蝕等現(xiàn)象，影響了作用在幕墻玻璃上的黏結(jié)力和緊固力，造成幕墻玻璃松動(dòng)，極端情況下幕墻玻璃可能脫落。幕墻玻璃的松動(dòng)和脫落會導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。近年來，我國發(fā)生了多起幕墻玻璃墜落事故，造成了嚴(yán)重的后果[1-2]。

對于該類事故防患于未然的方法是對現(xiàn)有玻璃幕墻定期進(jìn)行大規(guī)模檢測[3]，尤其是超過設(shè)計(jì)使用年限，使用過程中長期遭受陽光照射、潮濕雨水和強(qiáng)風(fēng)影響的玻璃幕墻。然而，目前適用于玻璃幕墻，且簡單、高效、可靠的脫落風(fēng)險(xiǎn)檢測方法非常少。其中基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)檢測方法被學(xué)者應(yīng)用于幕墻玻璃脫落風(fēng)險(xiǎn)檢測，已被證明是一種簡便可行的手段[4-6]。該方法的主要原理為：幕墻玻璃的松動(dòng)是由于其四周邊界條件發(fā)生了改變，從而影響幕墻玻璃的自振頻率。因此，通過結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率的改變可判斷其邊界條件是否變化，從而分析出幕墻玻璃的松動(dòng)程度和脫落風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)頻率變化程度可以進(jìn)一步對玻璃幕墻的安全性進(jìn)行評估，劉小根[7]提出了劃分安全頻率區(qū)間法，在玻璃板塊的頻率上限和下限之間將玻璃幕墻安全劃分成4個(gè)等份。將把玻璃板塊在四邊固支和簡支時(shí)對應(yīng)的固有頻率分別作為評價(jià)玻璃幕墻安全等級的頻率上下限值。并進(jìn)一步提出了將幕墻安全等級劃分為au、bu、cu和du這4個(gè)等級，給出了玻璃板塊屬于各等級的概率計(jì)算方法。該方法的不足之處在于沒有將玻璃板塊的振動(dòng)頻率與結(jié)構(gòu)的抗力因素直接關(guān)聯(lián)，而僅對頻率區(qū)間進(jìn)行劃分。

綜上所述，當(dāng)前研究表明從玻璃板塊的振動(dòng)信號中可提取有效信息用于玻璃脫落風(fēng)險(xiǎn)評估，但從結(jié)構(gòu)可靠性評價(jià)的角度來看，還未形成系統(tǒng)的、實(shí)際可行的可靠性評價(jià)方法。本文針對當(dāng)前基于振動(dòng)方法的幕墻脫落風(fēng)險(xiǎn)評估存在的問題，分析了影響結(jié)構(gòu)膠與玻璃板塊之間黏結(jié)力的影響因素，通過振動(dòng)信號分析建立黏結(jié)力與結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，最后給出了玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性評價(jià)方法。

1 玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性評價(jià)

1.1當(dāng)前玻璃幕墻板塊安全性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

玻璃幕墻板塊脫落的風(fēng)險(xiǎn)取決于結(jié)構(gòu)膠與玻璃板塊間的黏結(jié)力，因此本文將從玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性評價(jià)的角度來考慮玻璃幕墻板塊脫落風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)問題。在隱框玻璃幕墻中，外層玻璃面板通過硅酮結(jié)構(gòu)膠與內(nèi)層玻璃黏結(jié)在一起，然后再通過硅酮結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)于金屬附框。對于外層玻璃面板，其結(jié)構(gòu)抗力取決于結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度和界面黏結(jié)強(qiáng)度。當(dāng)外力超過結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)膠發(fā)生內(nèi)聚破壞；當(dāng)外力超過界面黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)膠與玻璃之間的界面發(fā)生脫黏。因此，玻璃脫落意味著作用在玻璃上的外力，主要包括水平方向的風(fēng)荷載、地震荷載和豎向的玻璃自重等引起的荷載效應(yīng)，超過了結(jié)構(gòu)膠提供的抗力。

可以看出，評判玻璃脫落風(fēng)險(xiǎn)首先需要分析抗力降低的原因，評估抗力降低的程度。目前的研究在對結(jié)構(gòu)抗力進(jìn)行分析時(shí)，一般只考慮結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度，但在實(shí)際的幕墻事故中經(jīng)常可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠與玻璃面板之間發(fā)生脫黏現(xiàn)象，即結(jié)構(gòu)膠的界面黏結(jié)強(qiáng)度大大降低。孫與康[8]研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)膠老化導(dǎo)致其與玻璃黏結(jié)界面的性能下降比膠體本身更為嚴(yán)重。

因此，大部分玻璃面板墜落事故都是從黏結(jié)界面開始的。劉小根等[9]也通過試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)老化之后，其破壞形式主要表現(xiàn)為界面拉斷，這與老化前的內(nèi)聚破壞完全不同。同時(shí)，研究也發(fā)現(xiàn)目前結(jié)構(gòu)膠在自然老化的情況下，其拉伸黏結(jié)強(qiáng)度相對比較穩(wěn)定[10]，同時(shí)根據(jù)目前實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況，其拉伸強(qiáng)度一般均有較大的安全儲備。因此，本文認(rèn)為玻璃板塊在外力作用下的抗力主要取決于其與結(jié)構(gòu)膠之間的界面黏結(jié)強(qiáng)度。

在玻璃正常受力時(shí)，界面黏結(jié)力與外力相平衡，大小與外力一致。當(dāng)荷載效應(yīng)超過了極限界面黏結(jié)力時(shí)就會發(fā)生玻璃脫落[11]。黏結(jié)力是一個(gè)分布力，可以考慮為界面黏結(jié)應(yīng)力（單位面積上的黏結(jié)力）與面積的乘積，即R=σA。因此，結(jié)構(gòu)膠界面黏結(jié)力與2個(gè)因素相關(guān)，其一是結(jié)構(gòu)膠與玻璃的黏結(jié)面積，當(dāng)結(jié)構(gòu)膠脫黏時(shí)，黏結(jié)面積減小，極限黏結(jié)力降低，造成脫落風(fēng)險(xiǎn)升高；其二是結(jié)構(gòu)膠長期使用后，由于材料老化和其他因素導(dǎo)致的界面黏結(jié)強(qiáng)度的直接降低，造成玻璃脫落風(fēng)險(xiǎn)升高，玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性降低。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》針對民用建筑及其附屬構(gòu)筑物給出了詳細(xì)的可靠性鑒定方法。該方法中，對于一般構(gòu)件，將其安全性分為au、bu、cu和du這4個(gè)等級，具體分級標(biāo)準(zhǔn)和處理要求見表1。安全性等級評定主要通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力和作用效應(yīng)之比計(jì)算得到，即R/（γ0S），其中γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)給出了一般性的可靠性鑒定方法，但未針對玻璃幕墻給出具體的方法。廣東省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳于2011年發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-88—2011《建筑幕墻可靠性鑒定技術(shù)規(guī)程》，其中對面板構(gòu)件及其連接給出了承載力的安全性等級計(jì)算方法和評定標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)也指出，對于結(jié)構(gòu)膠，還需要進(jìn)行剝離試驗(yàn)以評定其黏結(jié)性和最大強(qiáng)度伸長率，并給出了評定標(biāo)準(zhǔn)。但此標(biāo)準(zhǔn)為定性評價(jià)，其精度和準(zhǔn)確性難以保證。

表1 單個(gè)構(gòu)件安全性鑒定分級標(biāo)準(zhǔn)

1.2基于振動(dòng)分析法的玻璃幕墻板塊安全性評價(jià)

針對上述問題，本文提出基于振動(dòng)分析方法的玻璃幕墻板塊安全性等級評價(jià)方法?；谡駝?dòng)信號的玻璃板塊固有頻率分析已被應(yīng)用于玻璃板塊脫落風(fēng)險(xiǎn)評估，但目前的方法只是單純根據(jù)頻率變化率定義玻璃板塊脫落風(fēng)險(xiǎn)，沒有與結(jié)構(gòu)的抗力情況相關(guān)聯(lián)。由于影響玻璃板塊黏結(jié)狀態(tài)的各因素與此同時(shí)也會影響玻璃板塊的振動(dòng)頻率，因此，本文將通過玻璃板塊的振動(dòng)頻率分析，估算玻璃板塊黏結(jié)狀態(tài)，進(jìn)一步通過玻璃板塊黏結(jié)狀態(tài)來估算結(jié)構(gòu)抗力R，最終通過玻璃板塊振動(dòng)頻率分析實(shí)現(xiàn)玻璃幕墻板塊的安全性評價(jià)。

如1.1節(jié)所述，玻璃板塊與結(jié)構(gòu)膠之間的黏結(jié)狀態(tài)主要與2個(gè)因素相關(guān)，即黏結(jié)面積和界面黏結(jié)強(qiáng)度。對于黏結(jié)面積，由于結(jié)構(gòu)膠脫膠會改變玻璃板塊的邊界條件，從而降低玻璃板塊的振動(dòng)頻率。因此，可以通過試驗(yàn)建立玻璃板塊振動(dòng)頻率與脫膠長度之間的關(guān)系，從而通過振動(dòng)頻率估算脫膠長度得到脫膠后的黏結(jié)面積。對于界面黏結(jié)強(qiáng)度，其主要受到結(jié)構(gòu)膠老化程度的影響。由于結(jié)構(gòu)膠老化會導(dǎo)致其彈性模量增大，從而增強(qiáng)玻璃板塊的四邊約束，增大玻璃板塊的振動(dòng)頻率，因此，同樣可以通過振動(dòng)頻率的改變來評估結(jié)構(gòu)膠界面黏結(jié)強(qiáng)度的變化情況。式（1）給出了本文所提出的玻璃板塊黏結(jié)可靠性評價(jià)的計(jì)算方法：

2 玻璃板塊黏結(jié)可靠性分析

2.1玻璃板塊脫膠長度試驗(yàn)研究

理論上，薄板結(jié)構(gòu)的固有頻率分析一般假設(shè)其邊界條件為簡支或固支。隱框玻璃幕墻中，玻璃板塊通過結(jié)構(gòu)膠固定，結(jié)構(gòu)膠可視為玻璃板塊的彈性支撐。與理想情況下的四邊簡支邊界條件相比，由于結(jié)構(gòu)膠的彈性模量和剪切模量相對玻璃均很小，因此，結(jié)構(gòu)膠提供的約束僅在轉(zhuǎn)動(dòng)自由度上略大于簡支的轉(zhuǎn)動(dòng)無約束情況，而在水平和豎直2個(gè)方向上遠(yuǎn)小于簡支的全約束狀態(tài)?？偟膩碚f，相比四邊簡支，結(jié)構(gòu)膠對玻璃面板的約束更小。因此，難以通過理論分析得到邊界條件改變對玻璃板塊固有頻率的影響。本文首先通過試驗(yàn)方法得到結(jié)構(gòu)膠脫膠長度與固有頻率之間的關(guān)系。

本試驗(yàn)使用的雙層玻璃幕墻板塊尺寸為661 mm×601 mm×6 mm，夾層為12 mm。玻璃板塊四邊使用的硅酮結(jié)構(gòu)膠固定于鋁合金框架上。結(jié)構(gòu)膠的黏結(jié)厚度為12 mm，寬度為5 mm。試驗(yàn)中使用力錘激勵(lì)，利用安裝在玻璃面板上的加速度傳感器（型號為東華1A803E）采集振動(dòng)加速度信號，數(shù)據(jù)采集模塊為美國國家儀器公司的USB-4431振動(dòng)采集模塊。

本次試驗(yàn)共使用4個(gè)單軸加速度傳感器，布設(shè)位置如圖1所示。該布設(shè)方案不僅可識別頻率，也可識別對應(yīng)的振型，在本文中只分析頻率的變化。本次試驗(yàn)中，通過人工切割的方式破壞結(jié)構(gòu)膠與玻璃面板之間的黏結(jié)，形成玻璃面板脫膠狀態(tài)，脫膠位于短邊，脫膠長度從5 cm增至60 cm，每次增加5 cm，共測試12次。對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以得到頻率隨脫膠長度的變化規(guī)律。圖2給出了玻璃完好狀態(tài)下得到的玻璃板塊典型振動(dòng)時(shí)程曲線，同時(shí)利用傅里葉譜結(jié)合隨機(jī)子空間法得到了不同脫膠長度下的結(jié)構(gòu)的二階代表模態(tài)的頻率。識別得到的頻率隨脫膠長度的變化規(guī)律如圖3所示。從圖中可以看出，脫膠長度從5 cm變化到25 cm，玻璃板塊振動(dòng)頻率基本未發(fā)生改變，當(dāng)脫膠長度為30 cm及以上時(shí)，頻率明顯降低，最后脫膠長度達(dá)到60 cm時(shí)，下降趨勢稍變緩。該趨勢可通過二次曲線擬合得到一個(gè)可供實(shí)際評估使用的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，這樣便可通過頻率變化估算結(jié)構(gòu)膠的脫膠長度。

圖1 傳感器的布設(shè)位置

圖2 脈沖激勵(lì)下玻璃板塊典型振動(dòng)時(shí)程曲線

圖3 頻率隨脫膠長度的變化規(guī)律

2.2結(jié)構(gòu)膠界面黏結(jié)強(qiáng)度估計(jì)

如1.1節(jié)所述，結(jié)構(gòu)膠界面黏結(jié)強(qiáng)度與其老化程度有關(guān)，大量文獻(xiàn)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)均證明了這一點(diǎn)，但目前尚缺乏對結(jié)構(gòu)膠界面黏結(jié)強(qiáng)度與老化程度之間的系統(tǒng)研究和定量關(guān)系數(shù)據(jù)。如果能通過大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)建立起結(jié)構(gòu)膠老化時(shí)間與界面黏結(jié)強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，便可通過結(jié)構(gòu)膠老化時(shí)間估算界面黏結(jié)強(qiáng)度的降低程度，從而進(jìn)一步計(jì)算結(jié)構(gòu)膠所提供的抗力。

此外，結(jié)構(gòu)膠老化導(dǎo)致其剛度和硬度均發(fā)生改變，并體現(xiàn)在玻璃面板固有振動(dòng)頻率的改變，尤其是高階模態(tài)變化更明顯。研究表明，隨著老化時(shí)間的增長，玻璃面板的固有頻率持續(xù)增加，當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到5 000 h，玻璃面板的第三階振動(dòng)頻率增加近50%，同時(shí)老化時(shí)間與頻率變化率之間的關(guān)系離散性較小?？梢?，通過振動(dòng)測試也可以估計(jì)結(jié)構(gòu)膠的老化程度，并進(jìn)一步得到結(jié)構(gòu)膠的界面黏結(jié)強(qiáng)度。由于缺乏相關(guān)研究數(shù)據(jù)，本文暫假定結(jié)構(gòu)膠的界面黏結(jié)強(qiáng)度的下降程度來說明所提出的玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性評價(jià)方法。

2.3玻璃幕墻板塊黏結(jié)可靠性評價(jià)算例

本文進(jìn)行可靠性分析的玻璃幕墻采用硅酮結(jié)構(gòu)膠并固定于鋁合金框架上，如圖4所示，雙層玻璃幕墻板塊的具體尺寸為661 mm×601 mm，硅酮結(jié)構(gòu)膠的寬度為12 mm，通過振動(dòng)分析法估算得到脫膠長度為350 mm，具體的工程背景如下：

圖4 玻璃脫膠情況示意

該玻璃幕墻結(jié)構(gòu)位于深圳地區(qū)某高層建筑上，安裝高度為50 m，該地區(qū)地面粗糙度取c類，抗震設(shè)防烈度為7度。

由建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范可得風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk；由建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范可得垂直于玻璃幕墻平面的分布水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值qEK以及平行于玻璃幕墻平面的集中水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值PEK；通過荷載效應(yīng)組合得到豎向作用效應(yīng)組合SV以及水平向作用效應(yīng)組合SL，具體數(shù)值見表2。

表2 荷載及荷載效應(yīng)組合

得到荷載效應(yīng)后按式（2）計(jì)算水平和豎直方向的結(jié)構(gòu)抗力：

按照式（1）對幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取γ0=1.0，驗(yàn)算結(jié)果見表3。

表3 幕墻結(jié)構(gòu)可靠性分析

3 結(jié)語

目前，基于振動(dòng)方法的玻璃板塊脫落風(fēng)險(xiǎn)分析僅根據(jù)理論的固有頻率區(qū)間劃分法進(jìn)行，該方法缺乏與結(jié)構(gòu)材料和力學(xué)參數(shù)之間的直接關(guān)聯(lián)。本文針對隱框玻璃幕墻，給出了一種玻璃板塊黏結(jié)可靠性評價(jià)的方法，該方法通過分析玻璃板塊的振動(dòng)特征，估計(jì)結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)面積和界面黏結(jié)強(qiáng)度，從而得到結(jié)構(gòu)膠提供的抗力，并用于可靠性指標(biāo)計(jì)算。

對于結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)面積，本文通過試驗(yàn)得到了脫膠長度與玻璃板塊振動(dòng)頻率之間的關(guān)系；對于界面黏結(jié)強(qiáng)度，本文分析了其與老化時(shí)間及玻璃板塊振動(dòng)頻率之間的關(guān)系。最后通過算例說明了該方法的分析過程和可行性，有望作為一種實(shí)用的玻璃板塊黏結(jié)可靠性評價(jià)方法應(yīng)用于實(shí)際工程。

需要指出的是，結(jié)構(gòu)膠界面黏結(jié)強(qiáng)度的估計(jì)需進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)室的老化試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。另外，不同尺寸的玻璃幕墻板塊的脫膠長度和頻率之間的關(guān)系也需要進(jìn)一步研究。