CN101294891A - 一种检测玻璃幕墙松动和预测坠落风险的方法 - Google Patents

Abstract

一种检测玻璃幕墙松动和预测坠落风险的方法，采用步骤：1)依据待测玻璃幕墙中使用的玻璃板的参数，确定玻璃参照频率范围；2)对同样玻璃板进行实验室模拟试验，测出不同固定情况下对应的固有频率，得到在参照频率范围内的可测频率范围ω_下、ω_上和松动频率ω_松；分别以可测频率范围的两极值ω_上、ω_下和松动频率ω_松之差作为安全区间与危险区间进行评价分级；3)现场对玻璃幕墙玻璃进行振动信号采样和检测，得到玻璃幕墙的实测频率；4)将现场实测频率值与固有频率分级进行比较，得出该服役状态下的幕墙玻璃的安全可靠性级别。本发明为玻璃行业提供一种方便、简单的无损测试方法、保证了玻璃产品尤其是玻璃幕墙在使用过程中的安全可靠性。

Description

一种检测玻璃幕墙松动和预测坠落风险的方法

技术领域

本发明涉及建筑幕墙的无损在线检测技术，具体涉及一种测试幕墙玻璃安全可靠性的方法，其利用测试幕墙玻璃固有频率和力学相结合的方法对玻璃幕墙进行无损在线的可靠性测试，从而预测玻璃幕墙松动和坠落的风险。

背景技术

上世纪80年代以来，我国各大中城市相继建造了大量的玻璃幕墙建筑。这些建筑大多在繁华的市区，任何一起幕墙玻璃的破裂或坠落事故都可能造成灾难性的后果。近几年来，幕墙玻璃的安全隐患越来越多，已经引起众多专家和广大人民群众的关注。在幕墙玻璃大量使用的一二十年里，作为结构和功能一体化的幕墙玻璃的各种性能不断退化和衰减，目前正在服役的玻璃幕墙普遍存在着安全隐患问题。作为固定粘接剂的硅酮结构密封胶可随着使用时间出现老化现象，严重的甚至皲裂脱落。特别是对于现在普遍使用的隐框玻璃幕墙，由于该类幕墙玻璃无任何外框，完全依靠胶粘在铝型材料表面上，并且需要长期有效抵抗风荷载、自重荷载、热胀冷缩、地震等因素的影响，因此一旦结构密封胶出现问题其危险性极大。框架支撑和点支撑幕墙的松动同样也造成危害，幕墙的松动不仅影响房间的密封性和保温隔音性能，更危险的是可能导致灾难性的高空玻璃幕墙的坠落，我国各大城市已经多次出现幕墙玻璃坠落事故，给社会造成严重灾害。

目前为止服役期间大型玻璃的安全可靠性、使用寿命和耐用性等性能还没有一个有效的评估和确定的方法，这是幕墙玻璃使用中的大问题。

无论是对建筑结构的设计单位或使用单位，保证幕墙玻璃的使用可靠性都是非常重要的和紧迫的。对于玻璃行业和建筑行业，每年应用在建筑幕墙玻璃的费用高达数亿元，如果将到期的幕墙玻璃全部换掉显然是个重大损失，但如果不做安全检测，每发生一起灾难事故，其经济损失也是无法用具体数据来衡量的。因此，研究对玻璃构件无损在线可靠性测试的新方法，检测和监测服役中的玻璃幕墙的健康状态及使用安全可靠性，对保证人民的生命财产安全以及推动玻璃深加工等行业的发展都具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种检测玻璃幕墙松动和预测坠落风险的方法，针对上述问题，本发明提供一种利用振动诊断原理和力学相结合的方法对玻璃幕墙进行无损在线的可靠性测试技术。

本发明检测玻璃幕墙松动和预测坠落风险的方法，采用以下步骤：

1)依据待测玻璃幕墙中使用的玻璃板的参数，确定玻璃参照频率范围；

2)安全可靠性评价等级的确定：对同样玻璃板进行实验室模拟试验，实测出不同固定情况下对应的固有频率，得到在参照频率范围内的可测频率范围ω_下、ω_上和松动频率ω_松；分别以可测频率范围的两极值ω_上、ω_下和松动频率ω_松之差作为安全区间与危险区间进行评价分级；

3)现场采样试验：用相应的激励装置和拾振装置，对玻璃幕墙玻璃进行振动信号采样和检测，得到玻璃幕墙的实测频率；

4)将步骤3)现场测到的实测频率值与步骤2)的固有频率分级进行比较，根据数据的比较结果，得出该服役状态下的幕墙玻璃的安全可靠性级别。

其中，所述步骤1)采用理论解析法，由式(1)计算得到参照频率的下限值：

${\mathrm{\ω}}^2=\frac{504\·D}{a^4\·b^4\·\stackrel{\‾}{m}}\·(a^4+b^4+\frac{4}{7}{a}^2{b}^2)---\left(1\right)$

由式(2)计算得到参照频率的上限值：

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\π}}^2(\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2})\sqrt{\frac{D}{\stackrel{\‾}{m}}}---\left(2\right)$

其中：ω-玻璃的固有频率，D-被测试样弯曲刚度，m-每单位面积的玻璃质量，a-玻璃长度，b-玻璃宽度；其中a和b为测量值，m根据被测试样材质从手册中查询或从幕墙安装原始数据中获得，弯曲刚度D的表达式为：

D＝Eh³/12(1-υ²)(3)

其中：E-玻璃材料的杨氏模量；h-玻璃厚度；υ-玻璃材料的柏松比。

步骤2)所述评价分级为四分法：即松动频率ω_松作为玻璃幕墙安全可靠的标准划分线，将可测频率范围的下限值ω_下与ω_松区间平分为两段，从下限值ω_下到ω_松值依次对应为松动脱落级别和存在隐患级别；将ω_松与可测频率范围的上限值ω_上区间平分为两段，从ω_松值到上限值ω_上依次对应为使用安全级别和使用可靠级别。

步骤2)所述评价分级为另一简化四分法：将参照频率的下限值ω_下和上限值ω_上平分为四段，按数值从小到大分为松动脱落、存在隐患、使用安全和使用可靠四个级别。

上述方法中，所述理论值玻璃参照频率范围和实测值可测频率范围的上限情况对应玻璃四面固支的固定方式，下限情况对应玻璃四面简支的固定方式。

上述方法中，所述步骤4)的评价标准为：当实际测得频率结果在标准安全区间情况类似时，可以认为该幕墙玻璃结构安全；当落在危险区间时，认为该结构不安全，建议更换或者采取措施加强其结构。

采用本发明的技术方案，可以为玻璃行业提供一种方便、简单的无损测试方法、保证了玻璃产品在使用过程中的安全可靠性。对玻璃企业和玻璃应用单位来说，可以降低生产和测试成本、节约玻璃产品质量检测的费用；对于建筑施工单位来说，提供了一种简单有效的测试幕墙玻璃施工质量的方法，测试成本较低，避免了安全事故的发生；对玻璃使用者来说，本发明提供了一种保证产品使用放心的测试方法。

附图说明

图1为本发明工作原理示意图；

图2为本发明检测过程流程图；

图3为本发明检测实例中四边紧固下玻璃板的频谱图(对应基频为370Hz)；

图4为本发明检测实例中四边松动下玻璃板的频谱图(对应基频为230Hz)；

图5为本发明检测实例中不同边界松紧程度与玻璃基频关系曲线及安全等级划分。

具体实施方式

本发明首先需要确定玻璃幕墙的基频(最低固有频率)与结构安全可靠性的关系以及损伤演变规律。其基本原理是通过声共振或激光测振的方法，来确定玻璃幕墙在一定的支撑条件下振动的固有频率。利用固有频率与构件刚度的关系评估它的结构可靠性。

对于一个大型的服役构件，例如四面夹紧的平板玻璃，其固有频率受其尺寸，质量以及刚度等的影响。对于一块已知尺寸的玻璃幕墙，固有频率可以认为随其刚度的变化而变化。当其四边固定情况出现松动时，或者该玻璃幕墙出现破损，则其整体刚度下降，其固有频率也会随之下降。因此，可以通过测到的固有频率来评价该玻璃幕墙是否有破损或松动，从而形成一种新的无损在线测试大型玻璃构件安全性的新方法。测量玻璃幕墙的固有频率的方法有多种，可以采用相互比较来核实所测频率的可靠性，本发明主要采用模态分析(试验模态分析和有限元分析)、声感应测振和共振法几种方法来确定固有频率。

以下就本发明一种检测玻璃幕墙松动和预测坠落风险的方法说明如下：

玻璃幕墙的固有频率随着构件的质量、夹紧程度和破损程度而变化，因此本发明通过测到的固有频率来评价该构件是否有破损或松动，从而无损在线测试大型玻璃构件的安全性。评价不同支撑松紧状态下玻璃幕墙的固有频率的比较可以采用相对法，即先确定四边紧固状态下的固有频率，然后将测到的频率与其比较，相差越多，风险概率越大。不同固定状态下的频率(也称参照频率)可以用理论计算或有限元计算获得；也可以将具有相同支撑和尺寸并已知安全的幕墙测试到的频率作为参照频率。

检测玻璃幕墙松动和预测坠落风险的方法可采用以下步骤(可参考图1和图2)：

1)确定参照频率范围：获取要测的玻璃幕墙结构的尺寸，可根据安装时的原始数据获取，或进行采样测量，如果安装的是相同款式的玻璃幕墙可以对一块玻璃的参照频率进行计算。

理论解析法：玻璃幕墙的固定方式一般分为两种，四面简支固定方式和四面固支固定方式。四面固支固定方式下的玻璃是牢固的，而四面简支固定方式下的玻璃是松动的，一般服役状态下的幕墙玻璃其状态应该是介于四面简支与四面固支之间。对于四边简支和固支的矩形薄板振动基频，理论上均有相应的精确解析表达式。

当玻璃幕墙为四面简支的方式固定时，其固有频率由式(1)计算得到，为参照频率的下限值：

${\mathrm{\ω}}^2=\frac{504\·D}{a^4\·b^4\·\stackrel{\‾}{m}}\·(a^4+b^4+\frac{4}{7}{a}^2{b}^2)---\left(1\right)$

当玻璃为四面固支的方式固定时，其固有频率由式(2)计算得到，为参照频率的上限值：

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\π}}^2(\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2})\sqrt{\frac{D}{\stackrel{\‾}{m}}}---\left(2\right)$

式(1)和式(2)中：ω-玻璃的固有频率，D-被测试样弯曲刚度，m-每单位面积的玻璃质量，a-玻璃长度，b-玻璃宽度；其中a和b为测量值，m根据被测试样材质从手册中查询或从幕墙安装原始数据中获得，弯曲刚度D的表达式为：

D＝Eh³/12(1-υ²)(3)

其中：E-玻璃材料的杨氏模量；h-玻璃厚度；υ-玻璃材料的柏松比。

通过式(1)和式(2)计算，可以获知待检测的玻璃的固有频率应该所在的数值范围在参照频率的上限值ω_上和下限值ω_下之间。

有限元分析法：有限元模型需要得到理论解和试验的修正与验证，最终得到能反映实际情况的有限元模型。通过修正的模型能计算出玻璃幕墙板不同支撑条件及支撑松紧状态下的固有频率。

2)安全可靠性评价等级的确定：可采用试验法和有限元法综合确定。试验时，首先在实验室中对同样尺寸的幕墙玻璃进行测试，在步骤1)确定的参照频率范围内，分别给出不同固定情况下对应的固有频率，固定情况可以划分为紧固(对应ω_上)，松动(对应ω_松)，脱落(对应ω_下)三个等级。有限元分析时，通过修正的模型能计算出玻璃幕墙板不同支撑条件及支撑松紧状态下的固有频率。依据试验数据或有限元分析数据，最后得出玻璃板松动情况与固有频率的关系，建立起该玻璃幕墙的固有频率安全区间与危险区间。

评价分级方法：

四分法：将四边简支和四边固支的参照频率上限值ω_上和下限值ω_下的差值分为四个区域，其中可将玻璃幕墙开始松动对应的固有频率ω_松作为玻璃幕墙安全可靠的标准划分线，当实测频率低于该频率时，认为玻璃幕墙存在安全隐患，当实测频率高于该频率时，可以认为该玻璃幕墙使用安全。四分时，将ω_下～ω_松区间频率细化平分为两段，对应的频率区间从ω_下至ω_松分别描述玻璃幕墙使用状态为松动脱落和存在隐患，松动脱落认为该玻璃幕墙必须进行更换或加固，存在安全隐患认为该玻璃幕墙需要加固或维修。同样，将ω_松～ω_上也平分为两个区间，从ω_松至ω_上分别为使用安全和使用可靠，使用安全认为该玻璃幕墙使用状态良好，不需维修与加固，使用可靠认为该玻璃幕墙使用状态极佳，可以继续长时间安全可靠地使用。划分频率区间的方法可参见图5所示的具体实例。

另一种四分法，可将参照频率的上限值ω_上和下限值ω_下平分为四段，按数值从小到大分为松动脱落、存在隐患、使用安全和使用可靠四个级别。该分法中依据经验或有限元模拟，了解到ω_松的位置通常是在ω_上和下限值ω_下的中间位置，为了简化检测，可以直接将ω_上～ω_下平均分为四分。

3)现场采样试验，选择相应的激励装置和拾振装置，对玻璃进行振动信号采样，并用放大器将信号放大后传入信号处理装置，最后通过计算机软件分析，得到玻璃幕墙的实测固有频率。

4)将现场测到的实测频率值与步骤2)的固有频率分级进行比较，根据数据的比较结果，得出该服役状态下的幕墙玻璃的安全可靠性级别。当实际测得频率结果在标准安全区间情况类似时，可以认为该幕墙玻璃结构安全；当落在危险区间时，认为该结构不安全，建议更换或者采取措施加强其结构。

本发明的可靠性评价技术的具体实施路线和玻璃可靠性评价仪器设备工作流程如图1和图2所示。

以下结合具体实施例详细说明本发明。

实施例1：实验室模拟不同边界支撑玻璃幕墙结构的安全性检测

1)玻璃样品的准备工作：本试验中采用300×300×4mm的普通钠钙硅酸盐玻璃，试验前对玻璃表面进行清洗；

2)现场实测玻璃尺寸及材料参数为a＝300mm，b＝300mm，h＝4mm，E＝70GPa(弹性模量)，v＝0.24(泊松比)，m＝10kg/m²。根据式(1)和式(2)的解析表达式计算，得出被测玻璃在固支和简支状态下的解析解固有频率值(见表1)；或根据有限元分析方法得到固支和简支状态下的有限元解固有频率值(见表1)。通过计算的固有频率可以得到被测玻璃频率分布范围应在216～398Hz。

3)将准备好的玻璃样品放在280×280mm的正方形钢底框上，上端覆盖同样尺寸的正方形框架，两框架中间采用螺栓固定，玻璃与框架之间用弹性橡皮支撑。该结构是仿照普通幕墙结构构造，并通过调节两框架之间的螺栓松紧度来控制整个结构的刚度，以模拟现场监测中玻璃幕墙结构的松动情况，模拟分级为紧固、半紧固、松动和脱落四级，参见表1。

4)由紧到松调节上述结构中的螺栓的松紧度，通过动态试验获得玻璃在不同边界松紧状况下的固有频率，检测数据列于表1。

试验设备采用东方振动和噪声技术研究所生产的DLF-3双通道滤波积分放大器和INV38V智能信号采集处理分析仪及其配套信号分析软件。本试验获得的该玻璃在紧固情况下的频谱图见图3，松动情况下的频谱图见图4；由频谱图3看到紧固状态下对应的固有频率为370Hz，图4上可以直接读出松动状态下对应的固有频率为230Hz。

5)安全分级：根据边界固定松紧对应的频率，将该块玻璃使用状态安全等级频率划分区间见图5。

表1不同边件松紧下玻璃板固有频率及安全等级划分

由表1及图5可以看出，玻璃板的基频(实测固有频率)处在低于四边固支和高于四边简支对应的基频约10％之间(由于实际中玻璃的边界固定是不可能完全四边固支或四边简支的，所以这大约离四边固支或四边简支理论频率10％左右的频率区间是无法测得到的)。而且随着螺栓的固定情况越松，其基频也随之降低。该例实验依螺栓开始出现松动所对应的频率为基准(本次试验对应的基频为300Hz)，当测得的频率低于此频率时，可以认为该玻璃板四边出现松动，该幕墙结构存在安全隐患或脱落的危险。而当测得的频率高于此频率时，可以认为该玻璃板四边未出现松动，该幕墙结构使用安全可靠。

实施例2：现场玻璃幕墙检测与安全等级评价

工程简介：某大楼幕墙为明框结构，玻璃板镶嵌在铝框内，2000年8月完工。了解得知，该幕墙玻璃为普通平板玻璃，玻璃尺寸大小为：1415mm×1860mm×6mm，玻璃弹性模量为72GPa，泊松比为0.24，密度为2500kg/m³。

评定标准划分：根据式(1)和式(2)的解析表达式计算，得到该幕墙单块玻璃板在固支和简支条件下对应的频率分别为22Hz和11.8Hz。与实施例步骤3)和4)相同的方法，在试验室里对同样玻璃板进行了试验，得到可测频率范围在13～20Hz之间，松动频率为15.5Hz，以松动频率为划分标准线，将该玻璃幕墙使用状态安全等级划分见表2。

表2某大楼幕墙玻璃使用安全等级频率区间

频率区间(Hz)	13～14.5	14.5～15.5	15.5～18	18～20
					安全等级	脱落	存在隐患	使用安全	使用可靠

现场试验检测：

采用东方振动和噪声技术研究所生产的DLF-3双通道滤波积分放大器和INV38V智能信号采集处理分析仪及其配套信号分析软件进行振动采样。现场选取10块具有代表性的玻璃进行现场试验，每块玻璃采样三次，将平均频率作为该块玻璃的实测频率。采样结果见表3。

表3大楼幕墙玻璃采样频率

评价：

通过现场取样检测，得到的该玻璃幕墙每块玻璃板的固有频率均落在表2所示使用安全等级区间，因此认为该幕墙使用安全，不需进行加固与维修，可以继续使用。

Claims (6)

1、一种检测玻璃幕墙松动和预测坠落风险的方法，采用以下步骤：

1)依据待测玻璃幕墙中使用的玻璃板的参数，确定玻璃参照频率范围；

2)安全可靠性评价等级的确定：对同样玻璃板进行实验室模拟试验，实测出不同固定情况下对应的固有频率，得到在参照频率范围内的可测频率范围ω_下、ω_上和松动频率ω_松；分别以可测频率范围的两极值ω_上、ω_下和松动频率ω_松之差作为安全区间与危险区间进行评价分级；

3)现场采样试验：用相应的激励装置和拾振装置，对玻璃幕墙玻璃进行振动信号采样和检测，得到玻璃幕墙的实测频率；

4)将步骤3)现场测到的实测频率值与步骤2)的固有频率分级进行比较，根据数据的比较结果，得出该服役状态下的幕墙玻璃的安全可靠性级别。

2、根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1)采用理论解析法，由式(1)计算得到参照频率的下限值：

${\mathrm{\ω}}^2=\frac{504\·D}{a^4\·b^4\·\stackrel{\‾}{m}}\·(a^4+b^4+\frac{4}{7}{a}^2{b}^2)---\left(1\right)$

由式(2)计算得到参照频率的上限值：

$\mathrm{\ω}={\mathrm{\π}}^2(\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2})\sqrt{\frac{D}{\stackrel{\‾}{m}}}---\left(2\right)$

其中：ω-玻璃的固有频率，D-被测试样弯曲刚度，m-每单位面积的玻璃质量，a-玻璃长度，b-玻璃宽度；其中a和b为测量值，m根据被测试样材质从手册中查询或从幕墙安装原始数据中获得，弯曲刚度D的表达式为：

D＝Eh³/12(1-υ²)(3)

其中：E-玻璃材料的杨氏模量；h-玻璃厚度；υ-玻璃材料的柏松比。

3、根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2)所述评价分级为四分法：即松动频率ω_松作为玻璃幕墙安全可靠的标准划分线，将可测频率范围的下限值ω_下与ω_松区间平分为两段，从下限值ω_下到ω_松值依次对应为松动脱落级别和存在隐患级别；将ω_松与可测频率范围的上限值ω_上区间平分为两段，从ω_松值到上限值ω_上依次对应为使用安全级别和使用可靠级别。

4、根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2)所述评价分级为四分法：将参照频率的下限值ω_下和上限值ω_上平分为四段，按数值从小到大分为松动脱落、存在隐患、使用安全和使用可靠四个级别。

5、根据权利要求1至4任一所述方法，其特征在于，所述理论值玻璃参照频率范围和实测值可测频率范围的上限情况对应玻璃四面固支的固定方式，下限情况对应玻璃四面简支的固定方式。

6、根据权利要求1至4任一所述方法，其特征在于，所述步骤4)的评价标准为：当实际测得频率结果在标准安全区间情况类似时，可以认为该幕墙玻璃结构安全；当落在危险区间时，认为该结构不安全，建议更换或者采取措施加强其结构。

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