模态曲率下的全隐框玻璃幕墙损伤检测分析安灵健

模态曲率下的全隐框玻璃幕墙损伤检测分析安灵健

安灵健

中建三局集团有限公司辽宁沈阳110000

摘要：我国玻璃幕墙发展较晚，相关的检测评估技术也不够完善。目前，现场评价玻璃幕墙结构胶的老化程度一般只简单地测量表面邵氏硬度，对结构胶的粘结强度则采用现场取样方法，这种方法会造成结构胶的破坏，是一种破坏性检测。国外从上世纪90年代开始，对玻璃幕墙的研究已由静力测试转为动力测试，利用动态方法研究玻璃幕墙的性能，详细地分析幕墙结构的各种失效模式，并制定了相关标准和规程，但对玻璃幕墙安全性能的检测研究甚少，到目前为止仍缺乏有效的现场检测手段。本文就从模态曲率下的全隐框玻璃幕墙损伤检测相关方面实施分析和探讨。

关键词：模态曲率；全隐框玻璃幕墙；损伤检测

1有限元模型的建立

中空玻璃是由两块钢化玻璃通过铝合金间隔条和结构密封胶连接的。为使问题简化，不考虑玻璃粘接模型的材料非线性。

本文根据幕墙中空玻璃板实际的结构固定形式和中空玻璃组成形式考虑结构胶层的粘结用弹簧单元模拟，带有间隔的中空玻璃用板单元来定义[9]。将上下两种弹簧刚度换算为折合刚度，弹簧单元连接形式为两层弹簧单元垂直于xy平面绕玻璃板最外边一周，上层连接两板，下层连接底部板与固定端（即以固定约束模拟玻璃幕墙基础结构形式）。

将模型定义在三维坐标系内，以下板A点为原点，长边AB方向为x轴，短边AD方向为y轴。根据规范JGJ102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》，玻璃板的几何参数初步设为：长1200mm，宽1000mm，玻璃厚5mm，玻璃间隔9mm。损伤预设5种损伤类型，在5种损伤模型的基础上添加3种不同程度的脱胶损伤长度400mm，600mm，800mm。相关工况见表1。

2基于模态曲率的损伤识别研究

以弹性梁结构为例，根据弹性力学可知结构的曲率和纵向位移之间的关系。

将弹性梁定义在二维坐标平面内，定义弹性梁的横向为Y坐标方向，纵向为X坐标方向。设弹性梁的任意截面x处，梁振动曲线的曲率为函数q（x），则：

由于梁结构大的长宽比，仅考虑轴线方向的曲率，而板结构长宽比远小于梁，其每一个节点处有两个方向的曲率，需要综合考虑两个方向的模态曲率。本文将模型建立直角坐标系内，分别通过计算X、Y两个方向一阶的曲率模态变化判别损伤程度与位置。

以工况一为例，相同程度不同位置的脱胶损伤对X、Y方向的曲率模态都有很大的影响，X方向曲率模态突变位置能够不错的对应其损伤位置，Y方向上的曲率模态突变位置对损伤位置变现的十分模糊。据此可知，脱胶损伤处的节点在损伤前后X和Y两个方向上的曲率模态都有很大的变化，通过模态曲率差能够较好的判断模型是否有损伤。可以粗略地判断沿模态曲率方向损伤的位置，但是无法定位不同于模态曲率方向的损伤位置。同时由于数据比较粗略，依然存在不小的误差。

2.2模态曲率变化率分析

一阶模态曲率变化率，即一阶模态曲率相对于无损模型一阶模态曲率的变化量与无损模型之间关系的比值。为更加方便准确的识别损伤位置，首先，将一阶模态曲率转化为一阶模态曲率变化率；其次，对X、Y两个方向上的模态曲率变化率进行筛选，从中提取与矩形边方向相同的模态曲率变化率。

3试验研究

3.1试验方案

本试验幕墙试件外形尺寸为：1200mm×1000mm，玻璃板与副框间硅酮胶厚9mm。选择两种具有代表性的工况模型进行验证，即工况1和工况4。试验时将玻璃幕墙试件固定，薄板四边固支且固支边与x轴垂直，与ANSYS仿真分析相同，在玻璃板上布置一个加速度测点。

通过多点激励单点输出的锤击方法，沿幕墙试件编号方向进行逐一敲击编号，采集瞬态脉冲动力响应信号的。通过对响应信号的分析处理，研究分析预设的两种工况对该振动特性参数的影响。

3.2试验结果分析

通过对测得的前十阶模态频率进行分析，工况1和工况4损伤后的模态频率变化率与ANSYS仿真分析结果大致相吻合，也验证了有限元模型的正确性。虽然测点的数量相对较少，但是低阶模态频率变化率的突变仍可以检测到脱胶损伤，并可由此判断低阶的模态频率变化率对模型是否发生脱胶损伤十分敏感。

结语

第一，数值仿真研究表明，分别通过X、Y两个方向上的一阶模态曲率差能够较好的判断幕墙是否有脱胶损伤，但是无法准确定位脱胶损伤位置。对于不同于曲率方向上的脱胶损伤的位置判断会产生较大误差。无论是单独通过一个方向上的曲率模态还是分别通过两个方向上的曲率模态都有着不小的误差。第二，实验研究验证了ANSYS仿真分析模型的可行性和结果的正确性。第三，仅通过计算得到幕墙玻璃板的一阶模态曲率，就

可以很好地判断脱胶损伤并定位损伤位置同时还可以判断损伤程度的大小，相对模态曲率在很大程度上减小了误差。第四，沿矩形板一周的曲率变化结合了两个方向上的模态曲率变化率，由于脱胶损伤的方向总是沿着该边方向，所以本方法能够精确判断幕墙全隐框玻璃幕墙板单元损伤位置，对于实际检测工程中有很大的意义。该方法简单快速，能够根据有限的数据快速发现脱胶情况并定位损伤的位置，针对性的做出相关的处理：加固或更换。以确保玻璃幕墙的安全性，有着很好的实用价值。

参考文献：

[1]林圣忠，邵晓蓉，王晨，房文字，王建栋，杨秋伟.基于应变的玻璃幕墙结构胶损伤检测研究[J].门窗，2010，（12）：22-23.

[2]刘小根.玻璃幕墙安全性能评估及其面板失效检测技术[D].中国建筑材料科学研究总院，2010.

[3]刘小根，包亦望，万德田，邱岩，王秀芳，宋一乐.基于模态参数的隐框玻璃幕墙结构胶损伤检测[J].门窗，2009，（10）：21-26.