既有玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠損傷檢測方法研究綜述

包 磊 寧波工程學(xué)院建筑與交通工程學(xué)院

黃 城 寧波工程學(xué)院建筑與交通工程學(xué)院

陳文博 寧波工程學(xué)院建筑與交通工程學(xué)院

肖自仁 寧波工程學(xué)院建筑與交通工程學(xué)院

1 前言

玻璃幕墻是建筑幕墻的一種，源于現(xiàn)代建筑理論中自由立面的構(gòu)想，它由支撐結(jié)構(gòu)與玻璃面板組成，多以垂直向布置在建筑結(jié)構(gòu)物的表面，以承受水平風(fēng)荷載為主，并通過支撐結(jié)構(gòu)將荷載傳遞給建筑主體。玻璃幕墻相對于建筑主體結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生一定的位移，不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)受力[1]。

相比于其他建筑幕墻，玻璃幕墻具有裝飾性強，采光性能佳，自重較輕，科技感和現(xiàn)代感強，材料供應(yīng)充足，施工工藝成熟且方便，施工造價低等諸多優(yōu)點。因此在現(xiàn)代都市建筑物中，玻璃幕墻被大量采用。玻璃幕墻的廣泛應(yīng)用，也很大程度上提高了現(xiàn)代主義建筑美學(xué)。

玻璃幕墻在國外的發(fā)展較早，1851 年在英國倫敦建造的國際博覽會“水晶宮”被認(rèn)為是玻璃幕墻的雛形[2]，此后在西方國家，玻璃幕墻被大量的采用。我國在1984年竣工第一座真正意義上的玻璃幕墻建筑物——北京長城飯店，且當(dāng)時的玻璃幕墻均從西方進(jìn)口，這也標(biāo)志著我國玻璃幕墻工業(yè)的開始。

2 玻璃幕墻現(xiàn)狀

我國的玻璃幕墻工業(yè)雖然起步較晚，但得益于社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，玻璃幕墻的發(fā)展和應(yīng)用也十分迅速。目前中國已是全球最大的玻璃幕墻生產(chǎn)和使用國，既有的玻璃幕墻存量已經(jīng)超過了2 億平方米，占全球的85%，而中國的玻璃幕墻產(chǎn)量則占全球的75%以上，已經(jīng)成功應(yīng)用于歐洲第一高樓——俄羅斯聯(lián)邦大廈和世界第一高樓——迪拜哈利法塔。在可預(yù)見的未來，我國玻璃幕墻的應(yīng)用將更為廣泛且逐年增大。

2.1 玻璃幕墻應(yīng)用現(xiàn)狀

支撐玻璃幕墻產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的是幕墻玻璃、結(jié)構(gòu)膠、密封膠和合金材料等相關(guān)產(chǎn)業(yè)。其中關(guān)系到玻璃幕墻粘結(jié)安全的粘結(jié)結(jié)構(gòu)膠，密封膠封等是制約玻璃幕墻更安全可靠發(fā)展的關(guān)鍵因素。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2018）的有關(guān)規(guī)定，建筑物玻璃幕墻的設(shè)計年限一般為25 年，而相關(guān)的粘結(jié)結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)保期限一般僅為10 年，10年后玻璃幕墻的質(zhì)量普遍由業(yè)主負(fù)責(zé)[3]。因此，現(xiàn)階段很大一部分玻璃幕墻都已經(jīng)超過了結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)保期限，留下了極大的安全隱患。尤其是上個世紀(jì)施工建設(shè)的玻璃幕墻，還伴隨著由于施工設(shè)計不成熟、施工技術(shù)落后和施工監(jiān)管缺乏等，導(dǎo)致施工質(zhì)量難以保證，使得很大一部分玻璃幕墻都具有結(jié)構(gòu)膠老化、支撐能力降低、穩(wěn)定性變差、可靠性不足等問題。

玻璃幕墻脫落和掉落往往會造成十分嚴(yán)重的人身財產(chǎn)損失。2014 年北京朝陽區(qū)某建筑物的玻璃幕墻掉落，造成一死一傷；2017 年廣東省某大廈的玻璃幕墻在臺風(fēng)的影響下大面積脫落，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。玻璃幕墻給我們的建筑結(jié)構(gòu)外觀設(shè)計帶來了質(zhì)的飛躍，但由于玻璃幕墻損傷導(dǎo)致的高空墜落事故卻時有發(fā)生，造成的人身財產(chǎn)損失也十分巨大，因此，探究玻璃幕墻的失效模式和原因，并發(fā)展玻璃幕墻的檢測技術(shù)具有重大的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。

2.2 玻璃幕墻失效模式及原因

朱璇的研究表明，玻璃幕墻在使用過程中，主要存在幕墻玻璃自爆、金屬連接桿件松動、粘結(jié)密封材料失效而引起的玻璃幕墻失效模式[4]。

幕墻玻璃通常采用鋼化玻璃，因此幕墻玻璃自爆也可稱為鋼化玻璃自爆，是指玻璃在不受到外力沖擊的情況下自己開裂，甚至破摔的情況。鋼化玻璃自爆主要由兩方面的原因，一是玻璃制作過程中存在的肉眼可見缺陷，例如結(jié)石，砂礫，氣泡，劃邊等，但此類缺陷可以通過嚴(yán)格控制玻璃生產(chǎn)過程，提高檢測控制等方法加以控制和剔除；二是由于耐高溫爐中都含有硫化鎳，使得玻璃面板在生產(chǎn)過程中不可避免地?fù)饺肓肆蚧嚕⒁愿邷叵娄?晶體和常溫下β 晶體的形式存在于玻璃中，α 晶體轉(zhuǎn)變成β 晶體會伴隨著2%～4%體積的膨脹，使玻璃承受較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致鋼化玻璃自爆[5]。

金屬連接桿是固定幕墻玻璃及將其與建筑主體連接在一起的結(jié)構(gòu)，并將幕墻玻璃自身重量以及作用在幕墻上的荷載傳遞到建筑結(jié)構(gòu)主體上。目前金屬連接桿多采用合金材料，材料強度高且可靠，而連接方式多采用螺栓連接，鉚釘連接和焊接等，并且都要在現(xiàn)場施工，施工過程中不可避免的會存在施工缺陷等問題，這是造成連接件在長期使用過程中失效，連接桿松動的主要原因之一。連接桿的松動，會直接導(dǎo)致幕墻玻璃的松動，甚至?xí)沟媚粔ΣＡ撀洌斐蓢?yán)重后果。

粘結(jié)密封材料失效則是目前玻璃幕墻損傷最常見也是影響最大的原因，即粘結(jié)結(jié)構(gòu)膠和密封膠失效引起了幕墻玻璃松動，降低了整體穩(wěn)定性，使其在環(huán)境外力作用下發(fā)生掉落。粘結(jié)密封材料失效主要可分為產(chǎn)品質(zhì)量問題，長期復(fù)雜受力老化問題，超年限使用問題等。其中，隨著監(jiān)管體系的完善和材料科學(xué)的進(jìn)步，產(chǎn)品質(zhì)量控制和復(fù)雜受力老化問題已經(jīng)可以較好解決，但是超年限使用問題是目前玻璃幕墻產(chǎn)業(yè)中普遍存在，且亟待解決的問題。相關(guān)建筑規(guī)范中對建筑玻璃幕墻25年的設(shè)計年限、對結(jié)構(gòu)膠10 年質(zhì)保期限，出現(xiàn)了明顯的使用年限不匹配的問題，并且早已滿足不了現(xiàn)代玻璃幕墻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求[6]。

面對早期建設(shè)完成、使用已遠(yuǎn)超10 年、且數(shù)量龐大的玻璃幕墻，開發(fā)可靠、有效、快速的玻璃幕墻檢測技術(shù)是十分重要且必要的。

3 玻璃幕墻檢測技術(shù)

隨著玻璃幕墻的長期使用，連接桿松動、粘結(jié)密封材料失效引起的玻璃面板支撐體系損傷問題逐漸突出，導(dǎo)致幕墻玻璃或框架體系的約束條件發(fā)生變化，直接表現(xiàn)為玻璃面板的松動，甚至脫落。各國學(xué)者針對玻璃幕墻約束條件的變化和支撐體系的損傷探索研究出的檢測措施主要可分為無損檢測和有損檢測兩種。有損檢測主要是依據(jù)《玻璃幕墻工程質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行現(xiàn)場拉拔試驗及現(xiàn)場取樣實驗室測試，整個過程復(fù)雜繁瑣、工作量較大，不適合現(xiàn)有的大工程玻璃幕墻的檢測要求。無損檢測是目前科研人員主要的研究方向，包括外觀觀察法、聲波檢測法、動應(yīng)變檢測法、振動信號檢測法、射線檢測法等。

3.1 聲波檢測法

聲波檢測法是利用了聲波在不同介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生折射和反射的特點而設(shè)計出來的一種檢測玻璃幕墻膠結(jié)材料損傷情況的方法。在對玻璃幕墻檢測時，將超聲波射入玻璃幕墻的膠結(jié)材料，當(dāng)遇到損傷、缺失的結(jié)構(gòu)膠時，超聲波會在界面處產(chǎn)生折射和反射，再通過專業(yè)的儀器收集這些超聲波信號，并進(jìn)行分析處理，最終得到結(jié)構(gòu)膠的具體損傷位置。

胡紹海等人對超聲波檢測法做了大量且深入的研究。首先利用超聲波檢測的特征參數(shù)對玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的缺陷進(jìn)行了分析和研究，并對結(jié)構(gòu)膠的缺陷做了細(xì)致的分類，為超聲波檢測結(jié)構(gòu)膠缺陷的可行性提供了理論和事實依據(jù)。基于超聲波特征參數(shù)分析的基礎(chǔ)之上，又進(jìn)一步提出了利用聲波發(fā)射技術(shù)的超聲脈沖回波法來檢測結(jié)構(gòu)膠的缺陷位置或低強度位置，并且在實際工程應(yīng)用中獲得了令人滿意的結(jié)果。超聲波檢測法具有靈敏度較高，成本較低，可以定量檢測等優(yōu)點[7]。

3.2 射線檢測法

射線檢測法主要通過紅外線或X-射線來對玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行檢測的方法。紅外線檢測法是利用外部可移動加熱源對玻璃幕墻的膠結(jié)材料進(jìn)行熱激勵，并同時用紅外線檢測儀或者熱成像儀等收集受熱后的膠體表面溫度，轉(zhuǎn)換成熱圖像，通過溫度差異來直觀、可靠、快速地分辨結(jié)構(gòu)膠的缺陷位置和大小。許維鎣還在此方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)和搭建了玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠損傷熱波檢測平臺，推進(jìn)了玻璃幕墻檢測標(biāo)準(zhǔn)和方法的發(fā)展[8]。

而X-射線檢測法的原理則類似于醫(yī)院的拍片和車站等地的安檢，充分利用X-射線穿透力強的特點，利用X-射線照射玻璃幕墻的膠體結(jié)構(gòu)，并依據(jù)X-射線的衰減來進(jìn)行檢測，這樣的檢測方法對于結(jié)構(gòu)膠的蜂窩型缺陷十分有效[9]。無論是紅外線檢測法還是X-射線檢測法都具有自動化程度高，識別準(zhǔn)確等特點，但是都需要較為昂貴的配套設(shè)備，前期投入成本較大，且設(shè)備體積普遍較大，在工程實際檢測中較為不方便，相關(guān)配套設(shè)備的小型化和低價化是未來的發(fā)展方向之一。

3.3 振動信號檢測法

振動信號檢測法主要是通過對玻璃幕墻進(jìn)行一個激振，測量激振反饋的頻率和振型并對信號進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)對玻璃面板及周圍結(jié)構(gòu)膠的檢測。在實際操作中，通常采用橡膠錘激振玻璃幕墻，獲得振動信號，但對于數(shù)量巨大的待檢測的玻璃幕墻而言，橡膠錘的激振措施會略顯效率低下。玻璃幕墻支撐體系，包括金屬連接桿和結(jié)構(gòu)膠，經(jīng)過長時間的外力作用以及侵蝕必然會發(fā)生老化，導(dǎo)致玻璃幕墻出現(xiàn)松動和損傷，其固有頻率也會發(fā)生衰減，使其抵抗外力作用的能力急劇下降。

通過對玻璃面板頻率的檢測分析，可以建立幕墻玻璃的約束狀況與頻率之間的關(guān)系，再通過數(shù)學(xué)方程對結(jié)構(gòu)膠的損傷情況進(jìn)行判斷，最后可以通過增加檢測測點間接地找出玻璃受損的位置。根據(jù)頻率變化率來確定損傷位置并判斷損傷長度是較為有效和可靠的，尤其是采用低階模態(tài)的變化率可以更有效的確定損傷位置，因此在實際操作中可以采用較少的測點來檢測損傷位置和程度，極大地降低了檢測工作量，但相應(yīng)的計算及分析方法依舊相對較為繁雜。

通過振動信號檢測玻璃幕墻的損傷，張元植等人以自振頻率為振動信號，對玻璃幕墻振動測試方法做了深入研究，探究了邊界約束條件和幕墻尺寸與玻璃幕墻基頻的關(guān)系，通過分析結(jié)果與實際結(jié)果比較，指出振動測試法是一種可行的現(xiàn)場檢測方法[10]。劉小根等人也通過脈沖激振的方法獲得幕墻玻璃的固有頻率，用以識別玻璃幕墻的松動與損傷程度，并依據(jù)幕墻玻璃的固有頻率與邊界支撐條件之間的變化衰減關(guān)系，建立起了一套以幕墻玻璃固有頻率變化來評價支撐結(jié)構(gòu)和邊界條件松動損傷及玻璃脫落風(fēng)險的標(biāo)準(zhǔn)[11]。

激勵作用下的玻璃面板的動態(tài)應(yīng)變也可作為動態(tài)信號的一種。玻璃幕墻周圍的結(jié)構(gòu)膠老化、脫膠會降低這些部位對玻璃面板的約束，使這些部位會的在激勵作用下的動應(yīng)變大于其他結(jié)構(gòu)膠完整的部位。因此，通過相關(guān)應(yīng)變檢測儀測量出來的玻璃四邊振幅和動態(tài)應(yīng)變也可以很好的識別結(jié)構(gòu)膠與玻璃面板的損傷部位和脫膠狀況。

4 玻璃幕墻損傷檢測技術(shù)新發(fā)展及應(yīng)用

玻璃幕墻往往具有面積大，數(shù)量多的特點，因此在其他產(chǎn)業(yè)中適用的抽檢方法，并不適用于玻璃幕墻的損傷檢測，即使有一塊玻璃幕墻存在損傷缺陷，造成脫落，都會對人民的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅。因此，一項良好的玻璃幕墻的損傷檢測技術(shù)，應(yīng)具有檢測設(shè)備便攜簡單、易于現(xiàn)場操作、檢測過程快速、檢測結(jié)果準(zhǔn)確等特點。

通過振動信號來對玻璃幕墻的損傷進(jìn)行檢查是未來損傷檢測技術(shù)發(fā)展的重點。為了探究振動信號，包括頻率、振型、頻響函數(shù)、振動傳遞率等對損傷檢測的有效性和可靠性，許多研究人員甚至將小波變換，Hilbert 包絡(luò)譜等引入到損傷檢測的數(shù)據(jù)處理中，用以提高對玻璃幕墻安全狀態(tài)的更快速、準(zhǔn)確的評價[12]。激光測振模態(tài)分析系統(tǒng)也被用于研究模態(tài)參數(shù)和玻璃面板穩(wěn)定狀態(tài)之間的關(guān)系，相關(guān)的研究人員也提出了基于承載力和安全系數(shù)的幕墻面板穩(wěn)定性評價模型中固有頻率臨界值確定方法，并建立了基于遠(yuǎn)程激光測振技術(shù)的建筑幕墻穩(wěn)定性檢測工法[13]，其檢測工作效率要遠(yuǎn)高于用橡膠錘激勵的振動信號檢測法。

遠(yuǎn)程激光測振技術(shù)可依據(jù)動力特征參數(shù)評價結(jié)構(gòu)的安全，具有無損可測、為監(jiān)測預(yù)警提供基礎(chǔ)與依據(jù)等優(yōu)勢。但為了更好的實用性和適用性，需要在提高激光的反射信號強度，快速實現(xiàn)瞄準(zhǔn)定位以及降低外界噪聲等方面做更深入的研究。

此外，李濤等人還將BIM 技術(shù)引入到幕墻結(jié)構(gòu)可靠性檢測中，建立可靠性檢測數(shù)據(jù)庫，并將檢測過程可視化[14]。而近些年發(fā)展較為迅速且成熟的無人機技術(shù)也被用于玻璃幕墻的檢測領(lǐng)域，李雷等人構(gòu)建了基于無人機和圖像處理技術(shù)的玻璃幕墻面板損傷檢測系統(tǒng)，主要針對玻璃面板會出現(xiàn)的自爆、熱炸裂和外力沖擊導(dǎo)致的開裂和損傷等進(jìn)行檢測，并進(jìn)行了實地測量，獲得了較好的應(yīng)用效果[15]。

隨著玻璃幕墻的快速多元化發(fā)展，玻璃幕墻的種類、結(jié)構(gòu)、形狀等日趨多樣，包括夾層玻璃、中空玻璃等，為檢測技術(shù)的發(fā)展提供了更大的挑戰(zhàn)和機遇。

5 結(jié)語

綜上可得出以下幾個結(jié)論。

第一，玻璃幕墻在現(xiàn)代化建筑中應(yīng)用廣泛，但實際使用過程中會存在玻璃自爆、金屬連接桿件松動、粘結(jié)密封材料失效而引起的玻璃幕墻失效情況。

第二，使用年限較長的玻璃幕墻易存在松動、脫落的安全隱患，一旦掉落會對生命財產(chǎn)安全造成巨大威脅，因此對玻璃幕墻的損傷檢測十分必要且重要。

第三，橡膠錘激勵玻璃雖然是一種獲取振動信號很有效的方法之一，但是對于數(shù)量巨大的檢測對象，需要嘗試更為方便、高效、快捷的激勵方法來獲得動態(tài)響應(yīng)。

第四，玻璃幕墻的檢測技術(shù)大致上可以分為聲波檢測法、射線檢測法和振動信號檢測法，每種方法各有優(yōu)勢，射線檢測法和振動信號檢測法是較有發(fā)展前景的方法，其中，射線檢測法精度較高，但設(shè)備昂貴且不便，振動信號檢測法是目前被研究得較多的方法，可用的振動信號參數(shù)較多，在實際工程中具有較強的適應(yīng)性。

第五，針對種類多樣且發(fā)展迅速的玻璃幕墻產(chǎn)業(yè)，相關(guān)的損傷檢測技術(shù)也在迅速且全面的發(fā)展，在傳統(tǒng)常規(guī)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了許多采用新技術(shù)的檢測方法，包括BIM 技術(shù)、無人機技術(shù)等。

第六，目前的研究方法用到很多較為精準(zhǔn)的儀器，檢測結(jié)果準(zhǔn)確有效，但是對檢測人員的技術(shù)要求較高，對儀器的精度要求較高，不適宜大規(guī)模全方位的使用，所以對現(xiàn)階段的檢測方法進(jìn)行改良、或者創(chuàng)造出新的檢測方法使得檢測更為簡便高效是十分必要的。