激光测振仪在金属幕墙安全检测中的应用研究

金叔阁， 李 伟， 谢谟文， 陈 晨

(1. 南京市建邺区应急管理局，江苏 南京 210019; 2. 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083)

0 引 言

中国建筑幕墙经过近40年的飞速发展，从幕墙材料、幕墙体量、支撑形式及保温防护等方面都得到了极大发展，幕墙技术不断创新和进步[1]。从简单的玻璃幕墙，到点支金属幕墙[2]，虽然这些幕墙系统不分担主体结构所受作用，扮演着建筑外围防护结构或装饰性结构的角色，但是维护其结构的安全性有着十分重要的意义[3-4]。随着服役年限的增加和外界环境如重力荷载、风荷载、稳定等影响，金属幕墙从小到漏雨、结构外表皮侵蚀，大到破裂甚至坠落等严重的安全事故造成财产损失、人身伤害和社会负面影响。因此，对既有建筑金属幕墙进行有效的安全检测具有极大的工程意义[5-6]。

传统检测金属幕墙安全性的方法为人工目视检测，凭借工人经验，缺乏一种科学的检测手段[7]。而幕墙脱落等安全事故的频发，带来了极大的社会影响，也得到了国内外学者的重视[8]。刘小根、包亦望等[9-10]采用常规接触式振动传感器对明框幕墙进行了稳定性检测，并提出了固有频率作为判断幕墙稳定性的可行性方法。方治华、罗文奇等[11]采用有限元模拟软件对不同约束情况下的玻璃幕墙进行了模态分析，提出了基于模态曲率变化来对幕墙结构胶进行损伤识别的方法。国外学者Efstathiadesa等[12]采用人工神经网络对幕墙进行了安全检查和损伤识别。然而，上述检测方法依然存在数据获取依赖条件较多，时效性差以及无法实现100%覆盖式检测金属幕墙安全性等诸多问题。基于此，本文首先分析了能直接反应金属幕墙安全性的动力学特征参数：振动频率和斜度，为激光测振技术的远程、快速准确的安全检测提供可行性指标；再以深圳宝安国际机场外围结构上的点支式金属幕墙为研究对象，同时采用远程激光测振仪（LDV）和传统接触式振动传感设备对金属幕墙进行约束螺母松动性验证测试，获取动力特征参数对比分析。结果表明，将LDV应用在金属幕墙的安全检测中具有可行性，且与传统接触式传感器具有明显优势。远程激光测振仪在建筑结构的快速安全检测中具有较好的应用前景。

1 金属幕墙动力特征理论分析

金属幕墙的固有频率、阻尼比等模态特征参数可反映幕墙整体安全状态，但受制于数据处理复杂，外界环境干扰等因素制约，难以大范围的得到实际工程应用[13-14]。通过振动采集设备可以得到金属幕墙以时间为横轴，速度或位移为纵轴的时域曲线，进而得到多种动力特征参数。本次研究采用振动方差和斜度作为幕墙整体安全状态判断的动力特征参数。

振动方差表示振动数据的离散程度，其值越大，振动越分散，幕墙安全性越低，反之亦然。振动方差计算公式为：

斜度表示振动数据偏离平衡位置的程度与方向，其值的正负号表示不同的方向，大小表示偏离程度。斜度计算方式为：

当金属幕墙的节点、支座联接处约束力发生变化时，导致整个幕墙单元安全状态发生变化，从而导致其振动特征发生变化。通过振动方差和斜度的变化特点，可得到金属幕墙的安全状态变化。本文以深圳国际机场金属幕墙为测试对象，采用LDV和常规接触式振动传感器进行对比测量分析。

2 仪器设备

2.1 常规接触式振动传感器

常规接触式振动传感器采用北京东方振动和噪声技术研究所研发的DASP模态测试分析设备。该设备主要由振动采集仪、分析软件、振动传感器和力锤组成，设备参数见表1。

表1 DASP传感设备技术参数

2.2 激光测振仪

试验采用德国POLYTEC公司的RSV-150型多普勒远程激光测振仪。该设备测量距离达到300 m，采样频率范围 0～25 kHz，速度精度优于0.5 µm/s，位移精度达到0.3 nm。其工作原理是He-Ne激光器发出一定频率的偏振光，由分光镜分成两路，一路作为参考，一路用于测量。测量光由于被测物体振动，引起其波长发生变化即多普勒频率。系统探测器通过收集反射光与参考光产生的干涉信号，从而得到被测物体的振动信息，最后经过简单的数据处理，就可以得到金属幕墙的振动频率和斜度等动力特征参数。LDV设备采用光学部分与信号处理部分分离的方式，减少了元器件对信号的干扰。与传统接触式振动采集设备相比，其非接触式、快速准确的特点使得其在应用方面具有明显优势，且其采集频率范围和采集精度远高于传统接触式采集设备。图1和图2分别为激光测振仪设备和工作原理图。

图1 LDV激光测振仪设备

图2 LDV工作原理

3 现场试验及结果分析

3.1 工程概况

深圳宝安国际机场航站楼外围采用内外表皮系统形成，如图3所示，其表皮由通过螺母固定在桁架结构上的多边形金属幕墙单元组成。借助大空间钢桁架结构组成的蜂巢式屋面采用透光部分的玻璃幕墙及不透光的金属幕墙组成复杂的三维立体结构，其内外表皮面积达到23万平方米。整个屋面有25 000多个蜂巢单元，采用活动的可调节机械螺栓连接骨架与支座的方式，实现金属幕墙框架任意角度之间的变换。金属幕墙面板也通过螺母固定在框架结构中，如图4所示，从受力约束来看，金属幕墙为典型的点支式幕墙结构。

图3 深圳机场金属幕墙

图4 螺母约束下的金属幕墙

3.2 现场试验

为验证LDV在金属幕墙安全检测上的适用性，选取常规接触式振动传感器DASP模态测试分析设备和LDV对同一金属幕墙单元进行同步测试，采集其振动数据对比分析。

如图5所示，选取矩形金属幕墙作为测试对象，依次松动八个约束螺母形成多种安全状态下的幕墙工况，同时分别将DASP设备的传感器粘接在幕墙面板中心位置，为便于测试结果对比，将LDV测点打在DASP设备粘接处的附近。采样频率均设置为1 000 Hz，采集时长设定为 6 s，测试时采用橡胶锤对幕墙进行人工激励。

图5 测试环境

3.3 结果及分析

图6为采集设备获取的幕墙时域曲线，横轴为时间，纵轴为振动速度。

图6 数据采集时域曲线

表2为DASP设备和LDV设备在不同工况下的金属幕墙采集的时域曲线经过公式（1）、公式（2）得到的振动方差和斜度动力特征参数值。由表2可以看出，随着松动螺母个数的增加，金属幕墙安全性降低，振动方差值变大，斜度变小，且LDV设备和DASP设备得到的参数具有相同的变化趋势。

表2 测试结果

依据式（3）计算两设备所测结果的相对误差，发现两者测得的振动方差相对误差最大值为9.8%，最小值为5.2%，斜度相对误差最大值为7.3%，最小值为2.0%。这表明采用LDV测量金属幕墙的振动动力特征参数与接触式的DASP设备测得的结果基本一致。不同松动螺母个数下，金属幕墙的振动方差和斜度相对误差对应变化如图7所示。

图7 测试结果及误差分析

为进一步分析动力特征参数变化与幕墙安全状态变化之间的对应关系，振动方差和斜度相较于固有频率模态参数的优势，首先通过LDV设备采集的金属幕墙时域曲线经过快速傅里叶变换得到不同工况下的固有频率值，然后求出各参数相邻工况的变化率，结果如表3所示。结果表明：振动方差变化率和斜度变化率均大于固有频率变化率，振动方差和斜度更能明显反应金属幕墙安全变化。随着金属幕墙松动螺母个数的增加，其安全性逐渐降低，振动方差以逐渐增大的趋势进行变化，到松动第7颗时，振动方差变化率达到了2，松动第8颗时，振动方差变化率达到了4.9；同时，斜度绝对值逐渐增大的趋势变化，在松动第3颗时，其值正负号产生了变化，说明幕墙偏离平衡位置产生了改变。

表3 各动力特征参数变化率

4 结束语

1）采用远程LDV设备和接触式DASP模态测试设备对现场同一金属幕墙进行同步测试发现，随着幕墙约束螺母个数的减小，其振动方差和斜度两种动力学指标变化率与幕墙安全性变化具有一致性，且两种设备的这两种指标相对误差最大为9.8%。表明采用远程LDV对金属幕墙进行安全性检测具有技术可行性，同时振动方差和斜度可以作为评价幕墙安全性的检测指标。

2）将振动方差和斜度与固有频率变化相比较发现，振动方差和斜度变化率可达4.9倍，对幕墙安全性变化更加敏感。

3）充分利用远程LDV的非接触、高频率和高精度的优势，快速得到金属幕墙的动力特征参数即可判断幕墙安全性。该方法减少了传感器安装时间和对检测对象的损害可能性，提高了检测效率。结果表明采用LDV检测金属幕墙安全性具有明显优势。

充分利用激光测振仪的快速、准确以及非接触式的特点，可在幕墙日常运维检测、工程验收等领域得到广泛的应用。