玻璃幕墻板塊黏結可靠性評價的振動分析法

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

玻璃幕墻是現代建筑的重要組成部分，尤其在高層建筑中應用廣泛。同所有材料和結構一樣，玻璃幕墻在長期使用過程中，其使用的結構膠、螺栓、龍骨等均存在不同程度的性能退化、松動和腐蝕等現象，影響了作用在幕墻玻璃上的黏結力和緊固力，造成幕墻玻璃松動，極端情況下幕墻玻璃可能脫落。幕墻玻璃的松動和脫落會導致嚴重的人員傷亡和財產損失。近年來，我國發生了多起幕墻玻璃墜落事故，造成了嚴重的后果[1-2]。

對于該類事故防患于未然的方法是對現有玻璃幕墻定期進行大規模檢測[3]，尤其是超過設計使用年限，使用過程中長期遭受陽光照射、潮濕雨水和強風影響的玻璃幕墻。然而，目前適用于玻璃幕墻，且簡單、高效、可靠的脫落風險檢測方法非常少。其中基于振動的結構檢測方法被學者應用于幕墻玻璃脫落風險檢測，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：幕墻玻璃的松動是由于其四周邊界條件發生了改變，從而影響幕墻玻璃的自振頻率。因此，通過結構振動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程度和脫落風險。根據頻率變化程度可以進一步對玻璃幕墻的安全性進行評估，劉小根[7]提出了劃分安全頻率區間法，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個等份。將把玻璃板塊在四邊固支和簡支時對應的固有頻率分別作為評價玻璃幕墻安全等級的頻率上下限值。并進一步提出了將幕墻安全等級劃分為au、bu、cu和du這4個等級，給出了玻璃板塊屬于各等級的概率計算方法。該方法的不足之處在于沒有將玻璃板塊的振動頻率與結構的抗力因素直接關聯，而僅對頻率區間進行劃分。

綜上所述，當前研究表明從玻璃板塊的振動信號中可提取有效信息用于玻璃脫落風險評估，但從結構可靠性評價的角度來看，還未形成系統的、實際可行的可靠性評價方法。本文針對當前基于振動方法的幕墻脫落風險評估存在的問題，分析了影響結構膠與玻璃板塊之間黏結力的影響因素，通過振動信號分析建立黏結力與結構振動頻率之間的經驗關系，最后給出了玻璃幕墻板塊黏結可靠性評價方法。

1 玻璃幕墻板塊黏結可靠性評價

1.1當前玻璃幕墻板塊安全性評價標準

玻璃幕墻板塊脫落的風險取決于結構膠與玻璃板塊間的黏結力，因此本文將從玻璃幕墻板塊黏結可靠性評價的角度來考慮玻璃幕墻板塊脫落風險評價問題。在隱框玻璃幕墻中，外層玻璃面板通過硅酮結構膠與內層玻璃黏結在一起，然后再通過硅酮結構膠黏結于金屬附框。對于外層玻璃面板，其結構抗力取決于結構膠的拉伸強度和界面黏結強度。當外力超過結構膠的拉伸強度時，結構膠發生內聚破壞；當外力超過界面黏結強度時，結構膠與玻璃之間的界面發生脫黏。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荷載、地震荷載和豎向的玻璃自重等引起的荷載效應，超過了結構膠提供的抗力。

可以看出，評判玻璃脫落風險首先需要分析抗力降低的原因，評估抗力降低的程度。目前的研究在對結構抗力進行分析時，一般只考慮結構膠的拉伸強度，但在實際的幕墻事故中經常可以發現結構膠與玻璃面板之間發生脫黏現象，即結構膠的界面黏結強度大大降低。孫與康[8]研究發現，結構膠老化導致其與玻璃黏結界面的性能下降比膠體本身更為嚴重。

因此，大部分玻璃面板墜落事故都是從黏結界面開始的。劉小根等[9]也通過試驗驗證了結構老化之后，其破壞形式主要表現為界面拉斷，這與老化前的內聚破壞完全不同。同時，研究也發現目前結構膠在自然老化的情況下，其拉伸黏結強度相對比較穩定[10]，同時根據目前實際工程中結構膠的設計和應用情況，其拉伸強度一般均有較大的安全儲備。因此，本文認為玻璃板塊在外力作用下的抗力主要取決于其與結構膠之間的界面黏結強度。

在玻璃正常受力時，界面黏結力與外力相平衡，大小與外力一致。當荷載效應超過了極限界面黏結力時就會發生玻璃脫落[11]。黏結力是一個分布力，可以考慮為界面黏結應力（單位面積上的黏結力）與面積的乘積，即R=σA。因此，結構膠界面黏結力與2個因素相關，其一是結構膠與玻璃的黏結面積，當結構膠脫黏時，黏結面積減小，極限黏結力降低，造成脫落風險升高；其二是結構膠長期使用后，由于材料老化和其他因素導致的界面黏結強度的直接降低，造成玻璃脫落風險升高，玻璃幕墻板塊黏結可靠性降低。

國家標準GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標準》針對民用建筑及其附屬構筑物給出了詳細的可靠性鑒定方法。該方法中，對于一般構件，將其安全性分為au、bu、cu和du這4個等級，具體分級標準和處理要求見表1。安全性等級評定主要通過結構構件的抗力和作用效應之比計算得到，即R/（γ0S），其中γ0為結構重要性系數。該標準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。廣東省住房與城鄉建設廳于2011年發布了地方標準DBJ/T 15-88—2011《建筑幕墻可靠性鑒定技術規程》，其中對面板構件及其連接給出了承載力的安全性等級計算方法和評定標準。同時也指出，對于結構膠，還需要進行剝離試驗以評定其黏結性和最大強度伸長率，并給出了評定標準。但此標準為定性評價，其精度和準確性難以保證。

表1 單個構件安全性鑒定分級標準

1.2基于振動分析法的玻璃幕墻板塊安全性評價

針對上述問題，本文提出基于振動分析方法的玻璃幕墻板塊安全性等級評價方法。基于振動信號的玻璃板塊固有頻率分析已被應用于玻璃板塊脫落風險評估，但目前的方法只是單純根據頻率變化率定義玻璃板塊脫落風險，沒有與結構的抗力情況相關聯。由于影響玻璃板塊黏結狀態的各因素與此同時也會影響玻璃板塊的振動頻率，因此，本文將通過玻璃板塊的振動頻率分析，估算玻璃板塊黏結狀態，進一步通過玻璃板塊黏結狀態來估算結構抗力R，最終通過玻璃板塊振動頻率分析實現玻璃幕墻板塊的安全性評價。

如1.1節所述，玻璃板塊與結構膠之間的黏結狀態主要與2個因素相關，即黏結面積和界面黏結強度。對于黏結面積，由于結構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頻率。因此，可以通過試驗建立玻璃板塊振動頻率與脫膠長度之間的關系，從而通過振動頻率估算脫膠長度得到脫膠后的黏結面積。對于界面黏結強度，其主要受到結構膠老化程度的影響。由于結構膠老化會導致其彈性模量增大，從而增強玻璃板塊的四邊約束，增大玻璃板塊的振動頻率，因此，同樣可以通過振動頻率的改變來評估結構膠界面黏結強度的變化情況。式（1）給出了本文所提出的玻璃板塊黏結可靠性評價的計算方法：

2 玻璃板塊黏結可靠性分析

2.1玻璃板塊脫膠長度試驗研究

理論上，薄板結構的固有頻率分析一般假設其邊界條件為簡支或固支。隱框玻璃幕墻中，玻璃板塊通過結構膠固定，結構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，由于結構膠的彈性模量和剪切模量相對玻璃均很小，因此，結構膠提供的約束僅在轉動自由度上略大于簡支的轉動無約束情況，而在水平和豎直2個方向上遠小于簡支的全約束狀態。總的來說，相比四邊簡支，結構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。本文首先通過試驗方法得到結構膠脫膠長度與固有頻率之間的關系。

本試驗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構膠固定于鋁合金框架上。結構膠的黏結厚度為12 mm，寬度為5 mm。試驗中使用力錘激勵，利用安裝在玻璃面板上的加速度傳感器（型號為東華1A803E）采集振動加速度信號，數據采集模塊為美國國家儀器公司的USB-4431振動采集模塊。

本次試驗共使用4個單軸加速度傳感器，布設位置如圖1所示。該布設方案不僅可識別頻率，也可識別對應的振型，在本文中只分析頻率的變化。本次試驗中，通過人工切割的方式破壞結構膠與玻璃面板之間的黏結，形成玻璃面板脫膠狀態，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。對所有數據進行分析以得到頻率隨脫膠長度的變化規律。圖2給出了玻璃完好狀態下得到的玻璃板塊典型振動時程曲線，同時利用傅里葉譜結合隨機子空間法得到了不同脫膠長度下的結構的二階代表模態的頻率。識別得到的頻率隨脫膠長度的變化規律如圖3所示。從圖中可以看出，脫膠長度從5 cm變化到25 cm，玻璃板塊振動頻率基本未發生改變，當脫膠長度為30 cm及以上時，頻率明顯降低，最后脫膠長度達到60 cm時，下降趨勢稍變緩。該趨勢可通過二次曲線擬合得到一個可供實際評估使用的經驗關系式，這樣便可通過頻率變化估算結構膠的脫膠長度。

圖1 傳感器的布設位置

圖2 脈沖激勵下玻璃板塊典型振動時程曲線

圖3 頻率隨脫膠長度的變化規律

2.2結構膠界面黏結強度估計

如1.1節所述，結構膠界面黏結強度與其老化程度有關，大量文獻和現場數據均證明了這一點，但目前尚缺乏對結構膠界面黏結強度與老化程度之間的系統研究和定量關系數據。如果能通過大量實驗室試驗和現場測試數據建立起結構膠老化時間與界面黏結強度之間的經驗關系，便可通過結構膠老化時間估算界面黏結強度的降低程度，從而進一步計算結構膠所提供的抗力。

此外，結構膠老化導致其剛度和硬度均發生改變，并體現在玻璃面板固有振動頻率的改變，尤其是高階模態變化更明顯。研究表明，隨著老化時間的增長，玻璃面板的固有頻率持續增加，當老化時間達到5 000 h，玻璃面板的第三階振動頻率增加近50%，同時老化時間與頻率變化率之間的關系離散性較小。可見，通過振動測試也可以估計結構膠的老化程度，并進一步得到結構膠的界面黏結強度。由于缺乏相關研究數據，本文暫假定結構膠的界面黏結強度的下降程度來說明所提出的玻璃幕墻板塊黏結可靠性評價方法。

2.3玻璃幕墻板塊黏結可靠性評價算例

本文進行可靠性分析的玻璃幕墻采用硅酮結構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，硅酮結構膠的寬度為12 mm，通過振動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

該玻璃幕墻結構位于深圳地區某高層建筑上，安裝高度為50 m，該地區地面粗糙度取c類，抗震設防烈度為7度。

由建筑結構荷載規范可得風荷載標準值wk；由建筑抗震設計規范可得垂直于玻璃幕墻平面的分布水平地震作用標準值qEK以及平行于玻璃幕墻平面的集中水平地震作用標準值PEK；通過荷載效應組合得到豎向作用效應組合SV以及水平向作用效應組合SL，具體數值見表2。

表2 荷載及荷載效應組合

得到荷載效應后按式（2）計算水平和豎直方向的結構抗力：

按照式（1）對幕墻結構進行可靠性分析，結構重要性系數取γ0=1.0，驗算結果見表3。

表3 幕墻結構可靠性分析

3 結語

目前，基于振動方法的玻璃板塊脫落風險分析僅根據理論的固有頻率區間劃分法進行，該方法缺乏與結構材料和力學參數之間的直接關聯。本文針對隱框玻璃幕墻，給出了一種玻璃板塊黏結可靠性評價的方法，該方法通過分析玻璃板塊的振動特征，估計結構膠黏結面積和界面黏結強度，從而得到結構膠提供的抗力，并用于可靠性指標計算。

對于結構膠黏結面積，本文通過試驗得到了脫膠長度與玻璃板塊振動頻率之間的關系；對于界面黏結強度，本文分析了其與老化時間及玻璃板塊振動頻率之間的關系。最后通過算例說明了該方法的分析過程和可行性，有望作為一種實用的玻璃板塊黏結可靠性評價方法應用于實際工程。

需要指出的是，結構膠界面黏結強度的估計需進一步通過實驗室的老化試驗和現場實測數據進行研究。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系也需要進一步研究。