CSTM-既有建筑幕墻面板墜落風險排查法 振動測試法-驗證試驗報告

PAGE1《既有建筑幕墻面板墜落風險排查法振動測試法》團體標準驗證試驗報告起草編制組2021年6月

目錄1、 實驗室驗證 12、 現(xiàn)場試驗及檢測 91實驗室驗證以幕墻玻璃為研究對象，為獲得幕墻玻璃固有頻率變化與其邊界支承松動損傷關(guān)系，試驗選擇四邊有框支承（夾支）玻璃幕墻結(jié)構(gòu)為研究對象，為了模擬夾支玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，特設(shè)計了相關(guān)的試驗裝置。圖1為一玻璃四邊支承可調(diào)節(jié)松緊的了抽真空裝置，是由一個鋼底空腔及邊部夾緊裝置構(gòu)成，空腔由皮管與真空泵連接。試驗時，將玻璃板試樣放置于鋼底框架上，用螺栓夾緊，玻璃與金屬框架之間用彈性橡皮為支撐墊，玻璃四邊支承松緊可以通過調(diào)節(jié)螺栓緊固力進行描述，緊固力大小可通過扭力扳手進行定量化。將金屬空腔內(nèi)的部分空氣抽去，能夠模擬玻璃受均布荷載作用狀態(tài)。玻璃表面貼應(yīng)變片，用于記錄外載荷作用下玻璃的變形與應(yīng)力分布，玻璃中央的撓度可采用激光位移傳感器測量，精確到0.001mm。玻璃固有頻率采用瞬態(tài)脈沖激勵法獲取，激振位置選擇在玻璃板中央，與激起感興趣的玻璃板的一階固有頻率（玻璃板最低頻率）。玻璃板振動信號由聲音傳感器采集并通過INV306S-SP2聲壓測試分析儀進行分析，然后將分析信號通過電荷電壓濾波積分放大器處理，最后將處理好的信號直接輸送到計算機，用動態(tài)分析軟件進行分析與處理。得到玻璃振動頻譜圖，從頻譜圖上可以讀取玻璃的振動固有頻率。圖2是一樣品尺寸為300×300×4mm3玻璃板的典型振動頻譜圖，由圖可以直接得到該玻璃的振動固有頻率為320Hz（幅值最大處對應(yīng)的頻率為該試樣的固有頻率）。圖1玻璃四邊支承可調(diào)節(jié)松緊裝置圖2典型玻璃傅立葉變換功率譜圖（四邊支承）試驗步驟如下：1）玻璃樣品的準備工作：本試驗中采用300×300×4mm3的普通鈉鈣硅酸鹽玻璃，試驗前對玻璃表面進行清洗；2）將準備好的玻璃樣品放在圖1的正方形鋼底框上，上端覆蓋同樣尺寸的正方形框架，兩框架中間采用螺栓固定，玻璃與框架之間用彈性橡皮支撐。該結(jié)構(gòu)是仿照普通幕墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造，并通過調(diào)節(jié)兩框架之間的螺栓松緊度來控制玻璃的剛度，以模擬實際服役中玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的支承松緊狀況；3）將螺栓擰到緊固狀態(tài)，然后逐步松動螺栓，由于螺栓每松動一次，框架對玻璃的緊固力就下降一次，螺栓每松動1/2周測量玻璃固有頻率一次，從而得到玻璃振動固有頻率與其邊界夾緊力關(guān)系圖。四邊夾支玻璃幕墻支承松動對幕墻玻璃固有頻率的影響圖3為玻璃試樣在四邊支承松動和緊固作用下的振動頻譜圖，由圖可以看出，相對于緊固狀態(tài)下，松動情況下的頻譜圖峰值曲線明顯向左偏移，說明玻璃四邊支承松動后其固有頻率下降了。圖3四邊支承緊固和松動狀況下玻璃的振動頻譜圖圖4為玻璃振動固有頻率與其邊界螺栓松動程度關(guān)系。由圖可以看出，隨著螺栓的松動圈數(shù)（緊固力衰降程度）增大，玻璃的固有頻率不斷降低，而且?guī)缀醭示€性關(guān)系。圖4不同螺栓緊固力下玻璃固有頻率變化關(guān)系進一步對該塊玻璃四邊不同邊界支承條件（簡支和固支，玻璃板可視為彈性矩形薄板）及不同螺栓緊固力對應(yīng)的固有頻率值（見表1）進行分析，可以看出所測得的玻璃板的固有頻率處在低于玻璃板四邊固支和高于四邊簡支對應(yīng)的頻率約20%的區(qū)間（由于實際中玻璃的邊界固定是不可能完全四邊固支或四邊簡支的，所以這大約離四邊固支或四邊簡支理論頻率20%左右的頻率區(qū)間是無法測得到的）。隨著玻璃四邊緊固力的均勻增大，幕墻玻璃的固有頻率也在這一區(qū)間均勻的遞增。表1不同螺栓緊固力下玻璃板的固有頻率支撐條件四邊簡支螺栓緊固圈數(shù)（圈）四邊固支00.511.522.53固有頻率(Hz)219.0267.3277.5287.6297.5307.5317.5327.4398.0上面試驗結(jié)果啟發(fā)了我們可以通過測量玻璃的固有頻率來識別該塊玻璃的四邊支承松緊狀況。顯然，相同條件下，當玻璃邊界支承越松，則其固有頻率越低。往往新建的玻璃幕墻由于其支承結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)松動或老化，幕墻玻璃板支承緊固，對應(yīng)的固有頻率較大，而此時幕墻玻璃抵抗外力作用能力也較大，脫落風險也低。隨著玻璃幕墻使用年限的增加，幕墻玻璃板邊界因支承結(jié)構(gòu)的老化，變形或破損而不斷松動，幕墻玻璃對應(yīng)的固有頻率也不斷衰降，此時幕墻玻璃抵抗外力作用能力也衰退，其脫落風險概率也大。因此，我們可以只測量一下幕墻玻璃的固有頻率，并通過相對比較，建立起評價標準，就可以簡便地知道幕墻玻璃的支承松動程度及脫落風險概率,進而評價玻璃幕墻的可靠性。對現(xiàn)有建筑構(gòu)件的安全評估主要通過綜合考慮其剩余壽命及價值從而決定構(gòu)件是否應(yīng)該被更換,以及在安全、經(jīng)濟上是否合理等，因此合理的評估方法很重要。玻璃幕墻脫落主要來源于兩方面：一方面是因支承體系，錨固體系和膠黏劑（結(jié)構(gòu)膠）的松動，老化，開裂和變形等而引起對幕墻玻璃支承緊固力衰降，從而使玻璃幕墻抵抗外力作用能力降低而增大了玻璃脫落概率；另一方面來自于幕墻玻璃面板本身缺陷而引起玻璃自爆或破裂脫落。而第一方面綜合影響作用可表現(xiàn)為幕墻玻璃頻率改變的單因素線性函數(shù)。因此，我們可以只簡單地根據(jù)幕墻玻璃固有頻率變化大小來識別幕墻因支承體系和粘接體系的老化和損傷程度，評價玻璃幕墻的健康狀態(tài)及剩余壽命。根據(jù)實測幕墻玻璃固有頻率大小，我們提出了相對比較法和劃分安全頻率區(qū)間法來評價玻璃幕墻的安全狀態(tài)。（1）相對比較法幕墻玻璃相互之間是一個單獨的單元體，不同玻璃之間的安全性態(tài)會存在一定的差別，某塊玻璃的破損或脫落基本上不會影響其他幕墻玻璃的使用。相對比較法是通過相互之間的比較，快速找出可能出現(xiàn)問題的幕墻玻璃，從而有針對性地對其采取安全加固或更換措施。相對比較法是建立在同條件下的基礎(chǔ)之上的[56]，也就是說相互比較的幕墻玻璃應(yīng)該是玻璃品種、形狀尺寸、支承方式及材料、施工工藝等均應(yīng)一樣。對于同一工程的幕墻玻璃來說，基本上能滿足上述幾個條件（至少能分幾個批次地滿足），因此就給相對比較法提供了條件。在現(xiàn)場測量完所有需要檢測的幕墻玻璃的頻率后，將具有相同條件的幕墻玻璃分批次，并進行比較，顯然，頻率越高的幕墻玻璃，其安全性越高，而對于那些頻率明顯偏低的玻璃，就應(yīng)該引起注意，此時，可對那些頻率偏低的玻璃進行更加細致的觀察和檢測，找出可能出現(xiàn)問題的原因。（2）劃分安全頻率區(qū)間法相對比較法能快速發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)安全問題的幕墻玻璃，但該方法缺乏整體評估性，比如，我們獲得了某棟大樓所有幕墻玻璃的固有頻率，我們要如何知道該大樓的幕墻玻璃是否存在安全隱患，其安全等級如何，剩余壽命還有多少，是否需要采取維修加固甚至更換措施等。為此，我們提出了劃分安全頻率區(qū)間法，其基本思路就是針對某已知玻璃品種、結(jié)構(gòu)、形狀尺寸、邊界支承條件的幕墻玻璃，對其安全等級事先按頻率值的大小區(qū)間進行劃分，當實測同條件下幕墻玻璃的頻率處于哪個頻率區(qū)間范圍時，我們就認為該塊玻璃處于這個頻率區(qū)間對應(yīng)的安全等級范圍內(nèi)。歐洲學者提出了EPIQR和MEDIC兩種方法評價建筑構(gòu)件的可靠性，評估時把建筑物單元按、、、4個等級劃分，其中：為可靠；為基本上可靠，能正常使用；為需要維修；為不能繼續(xù)使用，必須立即采取措施[57-59]]。顯然，用幕墻玻璃固有頻率變化來識別玻璃幕墻的損傷程度，也可按4個級別進行劃分，但準確確定分級標準（頻率區(qū)間）是非常重要的。如圖5，按玻璃頻率將玻璃幕墻安全劃分成四個等份，需要確定幕墻玻璃的頻率上限、A、B、C和頻率下限5個頻率值。試驗表明（經(jīng)過大量試驗證明），四邊支承幕墻玻璃板固有頻率處于四邊簡支和四邊固支對應(yīng)的固有頻率之間，也就是說，支承越緊固，幕墻玻璃板的極限頻率越接近于其在四邊固支對應(yīng)下的固有頻率，相反，支承越松動，其對應(yīng)的固有頻率越接近于簡支狀態(tài)下對應(yīng)的固有頻率。因此，可以把幕墻玻璃在四邊固支和簡支對應(yīng)下的固有頻率作為評價玻璃幕墻安全等級的頻率上下限值。根據(jù)薄板理論，四邊簡支和固支板固有頻率計算方法如下：四邊簡支矩形板：（1）四邊固支矩形板：（2）其中：－矩形板的固有頻率（rad/s），－板的彎曲剛度，－每單位面積的板質(zhì)量，-短邊邊長，－長邊邊長，彎曲剛度的表達式為：（3）其中：-楊氏模量；-板厚度；-泊松比。圖5玻璃幕墻可靠性評價安全等級劃分只要幕墻玻璃板的形狀尺寸結(jié)構(gòu)確定下來了，則玻璃幕墻分級標準的上下限值就確定下來了，下面最為關(guān)鍵的是確定A、B、C的頻率區(qū)間值，這需要大量試驗和工程檢測及實踐經(jīng)驗，科學地獲得同一規(guī)格幕墻玻璃固有頻率的衰降量及對應(yīng)的玻璃幕墻失效概率或損傷程度，根據(jù)失效概率定級。當然，最為簡便的方法是直接在試驗室里建立起幕墻玻璃固有頻率衰降與其承載外力能力下降量關(guān)系（或隱框幕墻玻璃固有頻率與結(jié)構(gòu)膠剝離強度關(guān)系），根據(jù)其承載力下降量確定幕墻的安全等級，直接獲得安全頻率劃分區(qū)間。確定A、B、C頻率區(qū)間值后，我們還可以進一步對現(xiàn)有不同年代（0~30年）幕墻玻璃固有頻率進行大量現(xiàn)場檢測，得到圖6玻璃幕墻在整個測量年代內(nèi)4個頻率區(qū)間（等級）出現(xiàn)的概率分布示意圖，圖中，4條曲線分別展示了在任一時刻，幕墻分別屬于、、、等級的概率情況。即此玻璃幕墻在使用期內(nèi)分別屬于、、、等級的概率分布隨時間的變化情況和發(fā)展趨勢。將這4條曲線逐一累加，繪于同一個圖上，如圖7所示，此時4個等級之間的概率關(guān)系是互補的，即任一時刻，（4）式中：表示時刻為的概率，其余類似。在圖3-10中沿任意時刻作一條縱向線，跨越4個分布，可清晰地看出此刻等級、、、的概率分布情況．例如在圖7中沿年所作的垂直線，代表在年時此玻璃幕墻屬于級的概率為0.25，屬于級的概率為0.68-0.25=0.43，屬于級的概率為0.88-0.68=0.20，屬于級的概率為1-0.88=0.12。依此我們可以預測玻璃幕墻在使用若干年后的可靠性。)(aP)()(aP)(cP00.51.0)(bP)(dP00.51.000.51.00.501.051015202530yt/圖6玻璃幕墻等級概率分布曲線圖74個等級的概率分布關(guān)系圖（注：圖中，，，）編制組對不同建設(shè)年代的四邊有框和隱框玻璃幕墻進行了大量的現(xiàn)場測量及試驗室驗證，給出表2的四邊支承玻璃幕墻安全等級分級標準及對應(yīng)的幕墻玻璃頻率區(qū)間劃分建議值。由于隱框玻璃幕墻的玻璃是完全只靠結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)力附在附框上，因此其對應(yīng)的安全頻率劃分區(qū)間與有框玻璃幕墻低。表2四邊支承玻璃幕墻安全等級分級標準及玻璃頻率區(qū)間安全等級分級標準頻率區(qū)間（有框玻璃幕墻）頻率區(qū)間（隱框玻璃幕墻）安全狀態(tài)安全性能符合要求，不影響玻璃幕墻繼續(xù)使用≥下限頻率150%≤上限頻率≥下限頻率130%≤上限頻率安全可靠安全性能略低，尚不顯著影響玻璃幕墻的繼續(xù)使用≥下限頻率130%≤下限頻率150%≥下限頻率120%≤下限頻率130%使用正常安全性能不足，已顯著影響玻璃幕墻的繼續(xù)使用≥下限頻率120%≤下限頻率130%≥下限頻率≤下限頻率120%需要維修加固安全性能嚴重不符合要求，已嚴重影響玻璃幕墻的繼續(xù)使用≤下限頻率120%≤下限頻率不能使用現(xiàn)場試驗及檢測(1)實例1：某大學游泳館玻璃幕墻安全性能檢測（劃分安全頻率區(qū)間法）工程描述：玻璃幕墻結(jié)構(gòu)形式：隱框式玻璃幕墻；幕墻玻璃規(guī)格：6mm厚的單片鋼化玻璃，長寬尺寸為2000mm×740mm。玻璃幕墻使用年限：3年零6個月。玻璃幕墻結(jié)構(gòu)外表見圖8a，幕墻玻璃固有頻率測量采樣見圖8b（a）玻璃幕墻外觀(b)現(xiàn)場采樣測試圖8玻璃幕墻外觀與現(xiàn)場采樣示意圖現(xiàn)場外觀檢測發(fā)現(xiàn)一塊玻璃已經(jīng)自爆，氣它玻璃外觀良好。對幕墻使用的結(jié)構(gòu)膠進行觀察，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠表面光滑，顏色亮麗，打膠飽滿，未發(fā)現(xiàn)龜裂、脫膠、斷膠現(xiàn)象。對玻璃頻率計算選擇參數(shù)為：，，則，，根據(jù)式（1）和（2），得到該幕墻玻璃頻率下限值為30.6Hz，上限值為64.2Hz。根據(jù)表3-2的頻率區(qū)間劃分法，得到玻璃的安全等級頻率區(qū)間為：級（39.80~64.20Hz）,級（36.72~39.80Hz）,級（30.60~36.72Hz）,級（≤30.60Hz）。采用日本理音公司生產(chǎn)的便攜式振動分析儀（VA-11）對幕墻玻璃頻率進行測量，采用觸發(fā)激勵，玻璃的典型的觸發(fā)激勵振動全程波形圖見圖9a，對振動信號進行傅立葉積分變換，得到玻璃振動頻譜圖，見圖9b，由圖9b可以直接得到玻璃的振動一階頻率。（a）觸發(fā)激勵振動全程波形圖（b）玻璃振動頻譜圖圖9玻璃振動波形圖及頻譜圖通過對該玻璃幕墻一層表面完好的30塊玻璃的固有頻率進行測量，測量結(jié)果見表3。表3-3幕墻玻璃固有頻率現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)玻璃編號12345678910固有頻率（Hz）44444343434343444544玻璃編號11121314151617181920固有頻率（Hz）42444443434444434444玻璃編號21222324252627282930固有頻率（Hz）42424343434443444444由表3可知，整個實測幕墻玻璃樣本頻率，42Hz占3塊，43Hz占12塊，44Hz占14塊，45Hz占1塊。實測幕墻玻璃頻率變化起伏很小，利用相對比較法可初步說明玻璃幕墻安全狀態(tài)比較均勻，應(yīng)屬于同一個安全等級狀態(tài)。根據(jù)計算得到的安全頻率區(qū)間，可知所測量的玻璃頻率均分布在級別（39.8~64.2Hz）頻率區(qū)間中，說明該玻璃幕墻安全性能符合要求，玻璃幕墻可以繼續(xù)使用。(2)實例2：某商業(yè)會所玻璃幕墻檢測（相對比較法）工程描述：幕墻玻璃上下邊