玻璃幕墙板块黏结可靠性评价的振动分析法

高崇亮 程 超 夏 庆 王 波 曹亚军

中建深圳装饰有限公司 广东 深圳 518023

玻璃幕墙是现代建筑的重要组成部分，尤其在高层建筑中应用广泛。同所有材料和结构一样，玻璃幕墙在长期使用过程中，其使用的结构胶、螺栓、龙骨等均存在不同程度的性能退化、松动和腐蚀等现象，影响了作用在幕墙玻璃上的黏结力和紧固力，造成幕墙玻璃松动，极端情况下幕墙玻璃可能脱落。幕墙玻璃的松动和脱落会导致严重的人员伤亡和财产损失。近年来，我国发生了多起幕墙玻璃坠落事故，造成了严重的后果[1-2]。

对于该类事故防患于未然的方法是对现有玻璃幕墙定期进行大规模检测[3]，尤其是超过设计使用年限，使用过程中长期遭受阳光照射、潮湿雨水和强风影响的玻璃幕墙。然而，目前适用于玻璃幕墙，且简单、高效、可靠的脱落风险检测方法非常少。其中基于振动的结构检测方法被学者应用于幕墙玻璃脱落风险检测，已被证明是一种简便可行的手段[4-6]。该方法的主要原理为：幕墙玻璃的松动是由于其四周边界条件发生了改变，从而影响幕墙玻璃的自振频率。因此，通过结构振动频率的改变可判断其边界条件是否变化，从而分析出幕墙玻璃的松动程度和脱落风险。根据频率变化程度可以进一步对玻璃幕墙的安全性进行评估，刘小根[7]提出了划分安全频率区间法，在玻璃板块的频率上限和下限之间将玻璃幕墙安全划分成4个等份。将把玻璃板块在四边固支和简支时对应的固有频率分别作为评价玻璃幕墙安全等级的频率上下限值。并进一步提出了将幕墙安全等级划分为au、bu、cu和du这4个等级，给出了玻璃板块属于各等级的概率计算方法。该方法的不足之处在于没有将玻璃板块的振动频率与结构的抗力因素直接关联，而仅对频率区间进行划分。

综上所述，当前研究表明从玻璃板块的振动信号中可提取有效信息用于玻璃脱落风险评估，但从结构可靠性评价的角度来看，还未形成系统的、实际可行的可靠性评价方法。本文针对当前基于振动方法的幕墙脱落风险评估存在的问题，分析了影响结构胶与玻璃板块之间黏结力的影响因素，通过振动信号分析建立黏结力与结构振动频率之间的经验关系，最后给出了玻璃幕墙板块黏结可靠性评价方法。

1 玻璃幕墙板块黏结可靠性评价

1.1当前玻璃幕墙板块安全性评价标准

玻璃幕墙板块脱落的风险取决于结构胶与玻璃板块间的黏结力，因此本文将从玻璃幕墙板块黏结可靠性评价的角度来考虑玻璃幕墙板块脱落风险评价问题。在隐框玻璃幕墙中，外层玻璃面板通过硅酮结构胶与内层玻璃黏结在一起，然后再通过硅酮结构胶黏结于金属附框。对于外层玻璃面板，其结构抗力取决于结构胶的拉伸强度和界面黏结强度。当外力超过结构胶的拉伸强度时，结构胶发生内聚破坏；当外力超过界面黏结强度时，结构胶与玻璃之间的界面发生脱黏。因此，玻璃脱落意味着作用在玻璃上的外力，主要包括水平方向的风荷载、地震荷载和竖向的玻璃自重等引起的荷载效应，超过了结构胶提供的抗力。

可以看出，评判玻璃脱落风险首先需要分析抗力降低的原因，评估抗力降低的程度。目前的研究在对结构抗力进行分析时，一般只考虑结构胶的拉伸强度，但在实际的幕墙事故中经常可以发现结构胶与玻璃面板之间发生脱黏现象，即结构胶的界面黏结强度大大降低。孙与康[8]研究发现，结构胶老化导致其与玻璃黏结界面的性能下降比胶体本身更为严重。

因此，大部分玻璃面板坠落事故都是从黏结界面开始的。刘小根等[9]也通过试验验证了结构老化之后，其破坏形式主要表现为界面拉断，这与老化前的内聚破坏完全不同。同时，研究也发现目前结构胶在自然老化的情况下，其拉伸黏结强度相对比较稳定[10]，同时根据目前实际工程中结构胶的设计和应用情况，其拉伸强度一般均有较大的安全储备。因此，本文认为玻璃板块在外力作用下的抗力主要取决于其与结构胶之间的界面黏结强度。

在玻璃正常受力时，界面黏结力与外力相平衡，大小与外力一致。当荷载效应超过了极限界面黏结力时就会发生玻璃脱落[11]。黏结力是一个分布力，可以考虑为界面黏结应力（单位面积上的黏结力）与面积的乘积，即R=σA。因此，结构胶界面黏结力与2个因素相关，其一是结构胶与玻璃的黏结面积，当结构胶脱黏时，黏结面积减小，极限黏结力降低，造成脱落风险升高；其二是结构胶长期使用后，由于材料老化和其他因素导致的界面黏结强度的直接降低，造成玻璃脱落风险升高，玻璃幕墙板块黏结可靠性降低。

国家标准GB 50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》针对民用建筑及其附属构筑物给出了详细的可靠性鉴定方法。该方法中，对于一般构件，将其安全性分为au、bu、cu和du这4个等级，具体分级标准和处理要求见表1。安全性等级评定主要通过结构构件的抗力和作用效应之比计算得到，即R/（γ0S），其中γ0为结构重要性系数。该标准给出了一般性的可靠性鉴定方法，但未针对玻璃幕墙给出具体的方法。广东省住房与城乡建设厅于2011年发布了地方标准DBJ/T 15-88—2011《建筑幕墙可靠性鉴定技术规程》，其中对面板构件及其连接给出了承载力的安全性等级计算方法和评定标准。同时也指出，对于结构胶，还需要进行剥离试验以评定其黏结性和最大强度伸长率，并给出了评定标准。但此标准为定性评价，其精度和准确性难以保证。

表1 单个构件安全性鉴定分级标准

1.2基于振动分析法的玻璃幕墙板块安全性评价

针对上述问题，本文提出基于振动分析方法的玻璃幕墙板块安全性等级评价方法。基于振动信号的玻璃板块固有频率分析已被应用于玻璃板块脱落风险评估，但目前的方法只是单纯根据频率变化率定义玻璃板块脱落风险，没有与结构的抗力情况相关联。由于影响玻璃板块黏结状态的各因素与此同时也会影响玻璃板块的振动频率，因此，本文将通过玻璃板块的振动频率分析，估算玻璃板块黏结状态，进一步通过玻璃板块黏结状态来估算结构抗力R，最终通过玻璃板块振动频率分析实现玻璃幕墙板块的安全性评价。

如1.1节所述，玻璃板块与结构胶之间的黏结状态主要与2个因素相关，即黏结面积和界面黏结强度。对于黏结面积，由于结构胶脱胶会改变玻璃板块的边界条件，从而降低玻璃板块的振动频率。因此，可以通过试验建立玻璃板块振动频率与脱胶长度之间的关系，从而通过振动频率估算脱胶长度得到脱胶后的黏结面积。对于界面黏结强度，其主要受到结构胶老化程度的影响。由于结构胶老化会导致其弹性模量增大，从而增强玻璃板块的四边约束，增大玻璃板块的振动频率，因此，同样可以通过振动频率的改变来评估结构胶界面黏结强度的变化情况。式（1）给出了本文所提出的玻璃板块黏结可靠性评价的计算方法：

2 玻璃板块黏结可靠性分析

2.1玻璃板块脱胶长度试验研究

理论上，薄板结构的固有频率分析一般假设其边界条件为简支或固支。隐框玻璃幕墙中，玻璃板块通过结构胶固定，结构胶可视为玻璃板块的弹性支撑。与理想情况下的四边简支边界条件相比，由于结构胶的弹性模量和剪切模量相对玻璃均很小，因此，结构胶提供的约束仅在转动自由度上略大于简支的转动无约束情况，而在水平和竖直2个方向上远小于简支的全约束状态。总的来说，相比四边简支，结构胶对玻璃面板的约束更小。因此，难以通过理论分析得到边界条件改变对玻璃板块固有频率的影响。本文首先通过试验方法得到结构胶脱胶长度与固有频率之间的关系。

本试验使用的双层玻璃幕墙板块尺寸为661 mm×601 mm×6 mm，夹层为12 mm。玻璃板块四边使用的硅酮结构胶固定于铝合金框架上。结构胶的黏结厚度为12 mm，宽度为5 mm。试验中使用力锤激励，利用安装在玻璃面板上的加速度传感器（型号为东华1A803E）采集振动加速度信号，数据采集模块为美国国家仪器公司的USB-4431振动采集模块。

本次试验共使用4个单轴加速度传感器，布设位置如图1所示。该布设方案不仅可识别频率，也可识别对应的振型，在本文中只分析频率的变化。本次试验中，通过人工切割的方式破坏结构胶与玻璃面板之间的黏结，形成玻璃面板脱胶状态，脱胶位于短边，脱胶长度从5 cm增至60 cm，每次增加5 cm，共测试12次。对所有数据进行分析以得到频率随脱胶长度的变化规律。图2给出了玻璃完好状态下得到的玻璃板块典型振动时程曲线，同时利用傅里叶谱结合随机子空间法得到了不同脱胶长度下的结构的二阶代表模态的频率。识别得到的频率随脱胶长度的变化规律如图3所示。从图中可以看出，脱胶长度从5 cm变化到25 cm，玻璃板块振动频率基本未发生改变，当脱胶长度为30 cm及以上时，频率明显降低，最后脱胶长度达到60 cm时，下降趋势稍变缓。该趋势可通过二次曲线拟合得到一个可供实际评估使用的经验关系式，这样便可通过频率变化估算结构胶的脱胶长度。

图1 传感器的布设位置

图2 脉冲激励下玻璃板块典型振动时程曲线

图3 频率随脱胶长度的变化规律

2.2结构胶界面黏结强度估计

如1.1节所述，结构胶界面黏结强度与其老化程度有关，大量文献和现场数据均证明了这一点，但目前尚缺乏对结构胶界面黏结强度与老化程度之间的系统研究和定量关系数据。如果能通过大量实验室试验和现场测试数据建立起结构胶老化时间与界面黏结强度之间的经验关系，便可通过结构胶老化时间估算界面黏结强度的降低程度，从而进一步计算结构胶所提供的抗力。

此外，结构胶老化导致其刚度和硬度均发生改变，并体现在玻璃面板固有振动频率的改变，尤其是高阶模态变化更明显。研究表明，随着老化时间的增长，玻璃面板的固有频率持续增加，当老化时间达到5 000 h，玻璃面板的第三阶振动频率增加近50%，同时老化时间与频率变化率之间的关系离散性较小。可见，通过振动测试也可以估计结构胶的老化程度，并进一步得到结构胶的界面黏结强度。由于缺乏相关研究数据，本文暂假定结构胶的界面黏结强度的下降程度来说明所提出的玻璃幕墙板块黏结可靠性评价方法。

2.3玻璃幕墙板块黏结可靠性评价算例

本文进行可靠性分析的玻璃幕墙采用硅酮结构胶并固定于铝合金框架上，如图4所示，双层玻璃幕墙板块的具体尺寸为661 mm×601 mm，硅酮结构胶的宽度为12 mm，通过振动分析法估算得到脱胶长度为350 mm，具体的工程背景如下：

图4 玻璃脱胶情况示意

该玻璃幕墙结构位于深圳地区某高层建筑上，安装高度为50 m，该地区地面粗糙度取c类，抗震设防烈度为7度。

由建筑结构荷载规范可得风荷载标准值wk；由建筑抗震设计规范可得垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用标准值qEK以及平行于玻璃幕墙平面的集中水平地震作用标准值PEK；通过荷载效应组合得到竖向作用效应组合SV以及水平向作用效应组合SL，具体数值见表2。

表2 荷载及荷载效应组合

得到荷载效应后按式（2）计算水平和竖直方向的结构抗力：

按照式（1）对幕墙结构进行可靠性分析，结构重要性系数取γ0=1.0，验算结果见表3。

表3 幕墙结构可靠性分析

3 结语

目前，基于振动方法的玻璃板块脱落风险分析仅根据理论的固有频率区间划分法进行，该方法缺乏与结构材料和力学参数之间的直接关联。本文针对隐框玻璃幕墙，给出了一种玻璃板块黏结可靠性评价的方法，该方法通过分析玻璃板块的振动特征，估计结构胶黏结面积和界面黏结强度，从而得到结构胶提供的抗力，并用于可靠性指标计算。

对于结构胶黏结面积，本文通过试验得到了脱胶长度与玻璃板块振动频率之间的关系；对于界面黏结强度，本文分析了其与老化时间及玻璃板块振动频率之间的关系。最后通过算例说明了该方法的分析过程和可行性，有望作为一种实用的玻璃板块黏结可靠性评价方法应用于实际工程。

需要指出的是，结构胶界面黏结强度的估计需进一步通过实验室的老化试验和现场实测数据进行研究。另外，不同尺寸的玻璃幕墙板块的脱胶长度和频率之间的关系也需要进一步研究。