基于固有頻率變化的框支承玻璃幕墻安全評估

1、基于固有頻率變化的框支承玻璃幕墻安全評估劉小根包亦望(中國建筑材料科學(xué)研究總院綠色建材國家重點實驗室北京100086)摘要:針對幕墻玻璃易突發(fā)性脫落并導(dǎo)致城市災(zāi)難事故的問題提出一種通過測試幕墻玻璃的固有頻率來識別框支承玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)松動損傷程度的方法.研究了四邊夾支玻璃幕墻在其支承結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)松動損傷后幕墻玻璃固有頻率的變化規(guī)律.試驗結(jié)果表明幕墻玻璃的固有頻率隨其邊界支承松動而不斷衰降且分布在玻璃邊界四邊固支與四邊簡支所對應(yīng)的頻率區(qū)間

2、內(nèi).結(jié)合矩形薄板邊界約束與其動態(tài)參數(shù)關(guān)系建立起一套以幕墻玻璃固有頻率變化來評價框支承玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)松動損傷及玻璃脫落風(fēng)險的標(biāo)準(zhǔn)形成了一種可以現(xiàn)場檢測既有框支承玻璃幕墻安全性能的簡便方法.關(guān)鍵詞:玻璃幕墻脫落可靠性評估標(biāo)準(zhǔn)固有頻率安全頻率區(qū)間安全等級現(xiàn)場檢測中圖分類號:TU323文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ASafetyevaluationfframesupptedglasscurtainwallbasedonnaturalfrequencychang

3、eLIUXiao2genBAOYi2wang(StateKeyLaboratoryofGreenBuildingMaterialsChinaBuildingMaterialAcademyBeijing100086China)Abstract:Aimingattheproblemsconcerningcitydisastersaccidentscausedbythesuddenfallingofcurtainwallglassametho

4、dthatcouldidentifytheloosenessdamagedegreeofframesupportedglasscurtainwallsupportingstructurethroughtestingthenaturalfrequencyofcurtainwallglasswasproposed.Thechangeruleinthenaturalfrequencyofcurtainwallglasswasstudiedwh

5、enthesupportingstructuresystemofthefour2edgeclampedglasscurtainwalloccurredtheloosenessdamage.Theresultsindicatethatthenaturalfrequencyofcurtainwallglassdegradescontinuallywiththeboundarysupportingloosenessdistributesint

6、hecorrespondingfrequencyintervaloffourfixedlysupportedfoursimplysupportededgesattheglassboundary.Incombinationwiththerelationshipbetweentheboundaryconstraintsdynamicparametersofrectangularthinplateasetofcriteriontoevalua

7、teboththeloosenessdamageofframesupportedglasscurtainwallsupportingstructuretheriskofglassfallingbasedonthenaturalfrequencychangeofcurtainwallglasswasestablished.Asimpleconvenientmethodthatcanachievethefielddetectionforth

8、esafetyoftheexistingframesupportedglasscurtainwallhasbeendeveloped.Keywds:glasscurtainwallfallingreliabilityevaluationcriterionnaturalfrequencysafetyfrequencyintervalsafetylevelfielddetection我國是最大的玻璃幕墻生產(chǎn)與使用國然而伴隨著玻璃幕墻使用量的

9、增多及服役年限的增加設(shè)計、施工存在的問題及幕墻支承結(jié)構(gòu)材料的性能退化和玻璃本身缺陷等因素使得玻璃幕墻的質(zhì)量問題越來越突出幕墻玻璃突發(fā)破裂或墜落事故時有發(fā)生嚴(yán)重威脅人們的生命財產(chǎn)安全.收稿日期:20100506.基金項目:國家“973”計劃資助項目(2009CB623103)北京市自然科學(xué)基金資助項目(2102047)國際科技合作專項資助項目(2010DFB13460)北京市科技計劃資助項目(D08050303450803).作者簡介:劉

10、小根(1976)男江西永豐人博士生主要從事玻璃幕墻安全評估等方面的研究.第5期劉小根等:基于固有頻率變化的框支承玻璃幕墻安全評估597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四邊固支或四邊簡支理論頻率區(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)間內(nèi)均勻遞增.表1不同螺栓緊固力下玻璃板的固有頻率值Tab11Naturalfrequ

11、encyvaluesofglassplateunderdifferentboltclampingfces螺栓緊固圈數(shù)支承條件四邊簡支四邊固支026713015277151102871611529715210307152153171531032714固有頻率Hz2191039810相對比較法是建立在相同條件下的[13]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

12、滿足上述幾個條件(至少能分幾個批次地滿足)因此給相對比較法提供了條件.在完成現(xiàn)場測量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(jìn)行更加細(xì)致地觀察和檢測找出可能出現(xiàn)問題的原因.21212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.比如獲得了某棟大樓所有幕墻玻璃的固有頻率要

13、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.為此提出了安全頻率區(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(jìn)行劃分當(dāng)實測同條件下幕墻玻璃的頻率處于哪個頻率區(qū)間范圍時就認(rèn)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(xué)者提出了EPIQR和MEDIC2種方法評價建筑構(gòu)件的可靠性評估時把建筑物單元按Au、Bu

14、、Cu、Du4個等級劃分其中:Au為可靠Bu為基本上可靠能正常使用Cu為需要維修D(zhuǎn)u為不能繼續(xù)使用必須立即采取措施[14].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(jìn)行劃分但準(zhǔn)確確定分級標(biāo)準(zhǔn)(頻率區(qū)間)是非常重要的.圖3表示按頻率區(qū)間將玻璃幕墻劃分成4個安全等級此時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)四邊支上面試驗結(jié)果證明可以通過測量玻璃的固有頻率來識別該塊玻璃

15、的四邊支承松緊狀況.顯然相同條件下當(dāng)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(fēng)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(fēng)險概率也大.因此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(biāo)準(zhǔn)可簡便

16、地知道幕墻玻璃的支承松動程度及脫落風(fēng)險概率進(jìn)而評價玻璃幕墻的可靠性.212基于固有頻率變化的玻璃幕墻安全等級評估方法對現(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、開裂和變形等引起的對幕墻玻璃支承緊固力衰降從而使幕墻玻璃抵抗外力作用能力降低且增大了其脫落概率另一方面來自于幕墻玻璃面板本身缺

17、陷而引起玻璃自爆脫落.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結(jié)構(gòu)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.21211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形態(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