基于振动加速度幅值变化的干挂石材幕墙脱挂部位检测

许曙光，刘小根，王文欢

（1、广州安德信幕墙有限公司 广州 510400；2、中国国检测试控股集团股份有限公司 北京 100024）

0 引言

我国是建筑幕墙最多的国家，作为建筑幕墙主要结构形式之一，石材幕墙正被大量建筑应用于外围护结构中。目前，石材幕墙主要采用干挂结构形式（干挂式石材幕墙），具体包括插销式石材幕墙、开槽式石材幕墙及背栓式石材幕墙等［1-2］。随着干挂石材幕墙的应用量增多及服役年限的增加，同时叠加部分石材幕墙施工存在缺陷，导致石材面板整体坠落事故时有发生，给人民生命及财产安全带来极大隐患。因此，石材幕墙安全评估时，有必要事先检测并排查有坠落风险的石材面板，从而将安全事故防患于未燃。

干挂式石材幕墙主要通过在石材面板的背部或边部开槽或打孔，采用挂件支承固定石材面板。挂件承担着石材面板重量及风、振动等外部载荷作用，一旦挂件与石材面板之间挂接部位松动或脱挂，则石材面板就会存在较大的坠落风险，挂件（栓件）脱挂是导致石材幕墙面板整体坠落的根本原因［3-6］。通过对大量既有石材幕墙进行检测，发现石材挂件严重锈蚀并失去支承能力或完全脱挂现象较为普遍，如图1所示。由于挂件均隐含在石材面板的背后，在室外面观察幕墙表观，无法直接察觉挂件是否出现脱挂或松动现象。目前，常规的检测方法是将部分石材面板拆卸下来，通过肉眼观察石材面板背部挂接情况。但该种方法只适合于局部抽样检测，无法进行全部检测，且检测为有损检测，部分地方石材面板拆卸异常困难，费时费力，因此，发展石材幕墙安全无损检测方法，成为业内目前重点关注内容之一［7-10］。

图1 典型石材幕墙挂件失效Fig.1 Typical Stone Curtain Wall Pendant Failure

为实现石材幕墙安全评估无损检测，王永焕等人［11-12］均提出了通过测量石材面板的一阶固有频率来确定其脱落风险。其原理是随着支承件的支承松动，石材面板的固有频率通常会呈下降趋势。但因石材面板的固有频率受影响因素较多，难以建立石材面板脱落风险程度与其固有频率值之间的定量关系。本文提出通过检测干挂石材挂接处的振动参数幅值，并通过相对比较，以期望识别背部的挂件是否与石材面板之间存在脱挂现象，为石材幕墙安全检测提供一种新的无损检测技术途径。

1 试验设计

1.1 样品制备

采用花岗岩作为石材面板，长宽尺寸为800 mm×600 mm，厚度为30 mm。在石材面板的上、下短边侧边分别开两个槽用于与挂件连接，槽口离石材面板侧边距离为50 mm。挂件一端通过螺栓与支承型材连接，另一端嵌入石材面板槽内，并在其空隙处充填云石胶固定，其支承连接示意图如图2所示。

图2 石材面板样品支承连接结构示意图Fig.2 Schematic Diagram of Support Connection Structure for Stone Panel Samples

1.2 试验设备

采用INV9822 型加速度传感器拾振，采用INV3062T0 型信号采集分析仪和DASP V10 精选版分析系统（含信号示波、采集、波形图时域分析等）进行振动加速度信号处理，通过以上设备获得石材面板各测点的振动加速度振幅变化历程曲线。

1.3 振动加速度幅值测量

对石材面板的4 个挂点进行编号，分别为1#、2#、3#、4#，如图3 所示。在每个挂点的对应部位石材面板外表面（立面外面）处粘贴加速度传感器，加速度传感器与信号采集分析仪连接（含4个通道）。采用橡胶锤瞬态激励石材面板外表面的板中心部位（需保证激励点与各加速度测点距离相同），加速度传感器获得各测点的振动加速度信号，通过信号采集分析仪处理后，得到的各测点典型振动加速度振幅变化历程曲线示意图如图4所示。通过读取图4中最大振动加速度幅值A1和A2，并按式⑴计算A值作为各测点的最终结果值。

图3 振动加速度幅值测点布置示意图Fig.3 Layout Diagram of Vibration Acceleration Amplitude Measurement Points

图4 瞬态激励各测点典型振动加速度振幅变化历程曲线示意图Fig.4 Schematic Diagram of the Variation History Curve of Typical Vibration Acceleration Amplitude at Various of Measurement Points under Transient Excitation

2 结果与讨论

2.1 挂件脱挂对振动加速度幅值影响

因为任一在立面上的石材幕墙面板至少会有一个挂点处于挂接牢固状态（不存在4 个挂点均脱挂现象，否则石材面板会掉落）。本次分四种工况进行试验：①4 个挂点挂接均紧固；②1#挂点完全脱挂，其余挂点挂接紧固；③1#、2#挂点完全脱挂，其余挂点挂接紧固；1#、2#、3#挂点完全脱挂，4#挂点挂接紧固。对上述工况，采用人为破坏方式，故意让需要脱挂的挂点处的挂件完全与石材面板脱挂。按图3示意图布放加速度传感器并进行激振，得到的不同工况下各测点处石材面板的振动加速度幅值A如表1 所示。图5 为1#挂点完全脱挂，其余挂点挂接紧固对应的4 个挂点的振动加速度振幅变化历程曲线。

表1 不同工况下各测点处的振动加速度幅值Tab.1 Vibration Acceleration Amplitude at Each Measurement Points under Different Working Conditions

图5 1#测点完全脱挂，其余测点挂接紧固对应的4个测点的振动加速度振幅变化历程曲线Fig.5 Vibration Acceleration Amplitude Variation Curve of 4 Measuring Points Corresponding to the complete Detachment of 1# Hanging Point and the Fastening of Other Hanging Points

理论上来说，各挂点处测量得到的振动加速度幅值越大，说明挂件对该挂点处的约束力（或支承力）越小。由表1试验结果可以看出，无论哪个挂件脱挂，其脱挂后该点处的振动加速度幅值比脱挂前均发生明显的增大，如1#挂点脱挂时，其振动加速幅值比未脱挂前增大了101.2%，1#、2#挂点脱挂时，其振动加速幅值比未脱挂前分别增大了108.5%和77.6%；1#、2#、3#挂点脱挂时，其振动加速幅值比未脱挂前分别增大了111.1%、82.1%和71.9%。以上测试数据表明，振动加速度幅值变化对挂件脱挂较为敏感。

进一步对比不同工况下4个测点的振动加速度幅值最大相对偏差值，可以看出，当4个挂点挂接均紧固时，加速度幅值最大位于2#挂点处，最小位于4#挂点处，其最大偏差为12.24%，这种偏差主要来源于安装导致的各挂点受挂接力不均导致的（不可避免），且下面2 个挂点的振动加速度幅值要小些，这主要是这两个挂点承担了更多石材面板的自重，而导致其挂接力更大所致。当1#测点出现脱挂时，4 个挂接点的最大相对偏差增大至136.5%，当1#、2#测点出现脱挂时，其最大相对偏差增大至153.1%，当1#、2#、3#测点出现脱挂时，其最大相对偏差增大至203.0%。显然，任一或多个挂件脱挂后，同一片石材面板的各挂点处的振动加速度幅值偏差明显增大，并远大于因安装不均导致的偏差值。

2.2 基于振动加速度幅值变化的石材幕墙脱挂识别

石材幕墙面板任一挂件脱挂，均可增大该块石材面板脱落风险。由上节试验结果可知，在相同测试条件下，只要测量石材面板各个挂接处的振动加速度幅值，并进行相对比较，即可识别出被测挂点是否存在脱挂。实际检测过程中，可按如下程序进行检测识别：首先，根据获得的4 个挂接点处（如有6 个或超过6个，也需对每个挂点都测量）石材面板的加速度振动波形图，分别读出振动加速度信号最大幅值A1、A2、A3、A4，选择该4个值中的一个最小值（一般认为最小值处对应的挂点挂接是牢固的），并与其余3 个值进行比较，计算偏差值（其余3个值中任一值减最小值后除最小值得到的百分比）。一般认为，当各挂点的所有偏差值均小于20%以内（可由安装不均匀导致的），则可判断该4个挂点均未脱挂或松动。当任一个或多个挂点处的偏差值大于50%时，则可判断该对应处的挂点处可能存在完全脱挂现象。当挂点处的偏差值处于以上两值之间时，一般认为该对应挂点处存在挂接松动可能（处于完全脱挂和挂接紧固之间）。通过以上简单对比，可以快速识别出石材面板可能存在脱挂的部位，并根据脱挂点数量，提出该石材面板的安全维护方案。由于以上检测均可在立面或吊顶石材的外部测量，不需拆卸石材，是一种较为便捷的无损检测方法，且该方法不局限于任一特定石材面板挂接形式，具有普适性。

3 结语

因石材面板的支承挂件均隐蔽于石材板块后方，无法直接通过表观察觉其支承状态。现场拆除抽样或采用内窥镜抽样检测，以点带面，无法全部检测出整个石材幕墙坠落风险部位或支承薄弱部位。本文通过试验，验证了挂点处的支承松动或完全脱挂会导致该处石材面板的振动加速度幅值明显增大。因此，通过制定标准化检测程序，该方法具备实现对石材幕墙安全隐患无损全检的能力。如发现挂件完全脱挂的石材面板，应通过更换或加固等措施进行安全维护，以实现降低或杜绝石材幕墙面板整体坠落带来的城市公共安全隐患。