CN113919042A - 基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法，包括如下步骤：构建玻璃幕墙板块的可靠性评价指标的评价模型；获取玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度与使用年限之间的关系；获取玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积与固有频率之间的关系；计算待评价玻璃幕墙板块的可靠性评价指标；根据计算得到的可靠性评价指α对待评价玻璃幕墙板块的可靠性进行分级。本发明测量分析玻璃幕墙板块的固有频率即可对该玻璃幕墙板块的粘结可靠性进行评价，且与玻璃幕墙板块受力状态密切关联，手段更为易行，评价结果更合理，进一步推动玻璃幕墙板块的粘结可靠性评价在实际工程中应用。

Description

基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法

技术领域

本发明涉及建筑幕墙技术领域，尤其涉及一种基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法。

背景技术

玻璃幕墙是现代建筑重要组成部分，尤其在高层建筑中应用广泛。同所有材料和结构一样，玻璃幕墙在长期使用过程中，其使用的结构胶、螺栓、龙骨等均存在不同程度的性能退化、松动和腐蚀等现象，影响了作用在玻璃幕墙上的粘结力和紧固力，造成玻璃幕墙松动，极端情况下玻璃幕墙可能脱落，而玻璃幕墙的松动和脱落可能会导致严重的人员伤亡和财产损失。近年来，我国发生了多起玻璃幕墙坠落事故，造成严重后果。目前，对该类事故防患于未然的方法是对现有玻璃幕墙定期进行大规模检测，尤其是超过设计使用年限，使用过程中长期遭受阳光照射、潮湿雨水和强风影响的玻璃幕墙。

然而，目前适用于玻璃幕墙，且简单、高效、可靠的脱落风险检测方法非常少；其中，基于振动的结构检测方法被学者应用于玻璃幕墙脱落风险检测，已被证明是一种简便可行的手段。该方法的主要原理为：玻璃幕墙的松动是由于玻璃板块四周边界条件发生了改变，从而影响玻璃幕墙的自振频率；因此，通过结构振动频率的改变可判断其边界条件是否变化，从而分析出玻璃幕墙的松动程度和脱落风险，且根据频率变化程度可以进一步对玻璃幕墙的安全性进行评估，刘小根提出了划分安全频率区间法，在玻璃板块的频率上限和下限之间将玻璃幕墙安全划分成四个等份，其将玻璃板块在四边固支和简支对应下的固有频率分别作为评价玻璃幕墙安全等级的频率上下限值，并进一步提出了将幕墙安全等级划分为Au、Bu、Cu和Du四个等级，给出了玻璃板块属于各等级的概率计算方法。但该方法的不足之处在于没有将玻璃板块的振动频率与结构的抗力因素直接关联，而仅对频率区间进行划分；因此，虽然现有技术能够从玻璃板块的振动信号中提取有效信息用于玻璃脱落风险评估，但从结构可靠性评价的角度还未形成系统的、实际可行的可靠性评价方法。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法，包括如下步骤：

S1，构建玻璃幕墙板块的可靠性评价指标α的评价模型；

S2，获取玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ与使用年限t之间的关系；

S3，获取玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A与固有频率ω之间的关系；

S4，根据获取到的待评价玻璃幕墙板块的使用年限t及步骤S2中的结构胶界面粘结强度σ与使用年限t之间的关系获取该玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ，测量待评价玻璃幕墙板块的固有频率ω并根据步骤S3中的结构胶粘结面积A与固有频率ω之间的关系获取玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A，将获取到的结构胶界面粘结强度σ和结构胶粘结面积A代入步骤S1的评价模型中计算该玻璃幕墙板块的可靠性评价指标α；

S5，根据步骤S4计算得到的可靠性评价指标α对待评价玻璃幕墙板块的可靠性进行分级。

进一步地，所述评价模型包括一用于计算可靠性评价指标α的计算工具包；

该计算工具包包括如下计算公式：

式中α代表玻璃幕墙板块的可靠性评价指标，σ代表玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度，A代表玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积，γ_o代表结构重要性系数，S代表荷载效应，f₁(ω)为玻璃幕墙板块的固有频率与结构胶界面粘结强度之间的关系，f₂(t)为玻璃幕墙板块的使用年限与结构胶粘结面积之间的关系。

进一步地，所述玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ通过十字交叉法试验得到，具体过程是：将玻璃幕墙板块的两块基体粘结成十字交叉试样，当该十字交叉试样经历一定的使用年限t后，在该十字交叉试样的垂直方向上施加荷载直至结构胶界面破坏，从而获得使用年限t时刻的结构胶界面粘结强度σ。

进一步地，所述玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A通过该玻璃幕墙板块的结构胶粘结长度l和粘结宽度w相乘得到。

进一步地，所述玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A与该玻璃幕墙板块的固有频率ω之间的关系的具体获取过程如下：在该玻璃幕墙板块的四边粘结完好时，此时结构胶粘结面积为Α₀，进行玻璃幕墙板块的固有模态测试，获得该玻璃幕墙板块的某阶固有频率值ω₀，再通过人工方式破坏该玻璃幕墙板块与结构胶之间的粘结界面，使该玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A减小，再次进行玻璃幕墙板块的固有模态测试，获得该玻璃板块的某阶固有频率值ω₁，继续该玻璃幕墙板块的改变结构胶粘结面积A，获得一系列的某阶固有频率值ω，最后将该玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A与固有频率ω绘制成曲线并进一步拟合，从而根据曲线拟合得到玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A与该玻璃幕墙板块的固有频率ω之间的关系。

进一步地，所述步骤S5包括如下分级结果：

a、如果α≥1，则认为该玻璃幕墙板块粘结良好，可靠性较高，具有正常的承载功能，不需采取措施；

b、如果0.9≤α<1，则认为该玻璃幕墙板块粘结一般，可靠性略低，但不显著影响承载功能，可不采取措施；

c、如果0.85≤α<0.9，则认为该玻璃幕墙板块粘结较差，可靠性较低，显著影响承载功能，应采取措施；

d、如果α<0.85，则认为该玻璃幕墙板块粘结极差，可靠性极低，严重影响安全，必须立刻采取措施。

采用上述方案，本发明具有以下有益效果：

本发明提出一种基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法，能够用于评估玻璃幕墙板块的脱落风险，仅通过测量分析玻璃幕墙板块的固有频率即可对该玻璃幕墙板块的粘结可靠性进行评价，且与玻璃幕墙板块受力状态密切关联，手段更为简洁易行，评价结果更合理，进一步推动玻璃幕墙板块的粘结可靠性评价在实际工程中应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法的步骤流程图；

图2为本发明一实施例提供的单个玻璃幕墙板块的结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的频率与粘接面积的关系曲线图；

图4为本发明一实施例提供的老化时间和界面粘结强度的关系曲线图；

其中，图2中所示的661mm代表该玻璃幕墙板块的长度，601mm代表该玻璃幕墙板块的宽度，12mm代表该玻璃幕墙板块的外层玻璃板块与内层玻璃板块之间的硅酮结构胶宽度，350mm代表该玻璃幕墙板块的脱胶长度。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明提供一种基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法，包括如下步骤：

S1，构建玻璃幕墙板块的可靠性评价指标α的评价模型，从而能够计算玻璃幕墙板块的可靠性评价指标α；进一步地，步骤S1所述的评价模型包括一用于计算可靠性评价指标α的计算工具包，该计算工具包包括如下计算公式：

式中α代表玻璃幕墙板块的可靠性评价指标，σ代表玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度，A代表玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积，玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ与玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A相乘可以得到玻璃幕墙板块的界面粘接力R，这显然与现有技术考虑玻璃幕墙板块的结构胶的拉伸强度和内聚力不同，γ_o代表结构重要性系数，S代表荷载效应，结构重要性系数γ_o与荷载效应S相乘可以得到玻璃幕墙板块考虑结构重要性的荷载效应，f₁(ω)为玻璃幕墙板块的固有频率与结构胶界面粘结强度之间的关系，f₂(t)为玻璃幕墙板块的使用年限与结构胶粘结面积之间的关系；

S2，获取玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ与使用年限(或称老化时间，附图中使用老化时间进行表示)t之间的关系，从而在获知到待评价的同种类型的玻璃幕墙板块的使用年限t就能反向获取到该玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ；进一步地，所述玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ通过十字交叉法试验得到，具体过程是将玻璃幕墙板块的两块基体(也即玻璃幕墙板块的两块玻璃)粘结成十字交叉试样，在经历老化时间(也即一定的使用年限)t后进行力学测试，该力学测试为在垂直方向上施加荷载直至结构胶界面破坏，此时获得的极限强度即为使用年限t时刻的结构胶界面粘结强度σ，也就是说，当该十字交叉试样经历老化时间(也即一定的使用年限)t后，在该十字交叉试样的垂直方向上施加荷载直至结构胶界面破坏，从而获得使用年限t时刻的结构胶界面粘结强度σ；

S3，获取玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A与该玻璃幕墙板块的固有频率ω之间的关系，从而在测量出待评价的同种类型的玻璃幕墙板块的固有频率ω就能反向获取到该玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A；其中，玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A通过该玻璃幕墙板块的结构胶粘结长度l和粘结宽度w相乘得到，也即A＝lw，通常玻璃幕墙板块的结构胶粘结宽度w不变，玻璃幕墙板块的结构胶脱粘时，表现为脱胶长度变大，也即该玻璃幕墙板块的结构胶粘结长度l减小，从而使该玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A减小，由于玻璃幕墙板块的结构胶脱胶(即该玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A减小)改变了该玻璃幕墙板块的边界条件，所以会影响该玻璃幕墙板块的固有频率ω(固有振动频率，简称固有频率，全文统一)，也就是说玻璃幕墙板块的固有频率ω可以反映出该玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A；进一步地，所述玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A与该玻璃幕墙板块的固有频率ω之间的关系的具体获取过程如下：在该玻璃幕墙板块的四边粘结完好时，此时结构胶粘结面积为Α₀，进行玻璃幕墙板块的固有模态测试，获得该玻璃幕墙板块的某阶固有频率值ω₀，再通过人工方式破坏该玻璃幕墙板块与结构胶之间的粘结界面，使该玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A减小，再次进行玻璃幕墙板块的固有模态测试，获得该玻璃板块的某阶固有频率值ω₁，继续该玻璃幕墙板块的改变结构胶粘结面积A，获得一系列的某阶固有频率值ω，最后将该玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A与固有频率ω绘制成曲线并进一步拟合，从而根据曲线拟合得到玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A与该玻璃幕墙板块的固有频率ω之间的关系；

S4，根据获取到的待评价玻璃幕墙板块的使用年限t及步骤S2中的结构胶界面粘结强度σ与使用年限t之间的关系获取该玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ，测量待评价玻璃幕墙板块的固有频率ω并根据步骤S3中的结构胶粘结面积A与固有频率ω之间的关系获取玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A，将获取到的结构胶界面粘结强度σ和结构胶粘结面积A代入步骤S1的评价模型中计算该玻璃幕墙板块的可靠性评价指标α；

S5，根据步骤S4计算得到的可靠性评价指标α对待评价玻璃幕墙板块的可靠性进行分级，包括如下分级结果：

a、如果α≥1，则认为该玻璃幕墙板块粘结良好，可靠性较高，具有正常的承载功能，不需采取措施；

b、如果0.9≤α<1，则认为该玻璃幕墙板块粘结一般，可靠性略低，但不显著影响承载功能，可不采取措施；

c、如果0.85≤α<0.9，则认为该玻璃幕墙板块粘结较差，可靠性较低，显著影响承载功能，应采取措施；

d、如果α<0.85，则认为该玻璃幕墙板块粘结极差，可靠性极低，严重影响安全，必须立刻采取措施。

以一安装于某城市高层建筑上且安装高度为50m的玻璃幕墙板块作为实施例进行阐述，参照图2所示，该玻璃幕墙板块的尺寸为661mm×601mm(长度为661mm且宽度为601mm)，该玻璃幕墙板块的外层玻璃板块与内层玻璃板块之间的结构胶宽度为12mm，且该城市地区的地面粗糙度为C类，抗震设防烈度为7度；

首先，测量该玻璃幕墙板块的固有频率ω，并根据玻璃幕墙板块的固有频率与结构胶粘结面积之间的关系来获取该玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A，参照图3所示，取该玻璃幕墙板块的固有频率ω为164.2Hz，则得到该玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A为0.0261m²；

其次，根据该玻璃幕墙板块的使用年限t及使用年限与结构胶界面粘结强度之间的关系来获取该玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ，参照图4所示，取老化时间(也即使用年限)t为10年，则得到该玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ为0.16MPa；

由界面粘接力R＝σA，计算得到R＝4.176KN；再由建筑结构荷载规范，可得风荷载标准值wk＝3.52KN/m²；由建筑抗震设计规范，可得垂直于该玻璃幕墙板块平面的分布水平地震作用标准值qEK＝0.141KN/m²以及平行于该玻璃幕墙板块平面的集中水平地震作用标准值PEK＝0.056KN；再通过该玻璃幕墙板块的荷载效应，得到竖向作用效应组合SV＝0.110KN以及水平向作用效应组合SL＝1.992KN；

按照评价模型的计算公式对该玻璃幕墙板块的结构进行可靠性分析，结构重要性系数取γ_o＝1.0，则可靠性评价指标α的验算结果如下：

水平方向的可靠性评价指标α＝2.10，

竖直方向的可靠性评价指标α＝37.96；

根据可靠性评价指标α对该玻璃幕墙板块的可靠性进行分级，由于两个方向的可靠性评价指标α均大于1，因此认为该玻璃幕墙板块粘结良好，可靠性较高，具有正常的承载功能，不需采取措施。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出一种基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法，能够用于评估玻璃幕墙板块的脱落风险，仅通过测量分析玻璃幕墙板块的固有频率即可对该玻璃幕墙板块的粘结可靠性进行评价，且与玻璃幕墙板块受力状态密切关联，手段更为简洁易行，评价结果更合理，进一步推动玻璃幕墙板块的粘结可靠性评价在实际工程中应用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，构建玻璃幕墙板块的可靠性评价指标α的评价模型；

S2，获取玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ与使用年限t之间的关系；

S3，获取玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A与固有频率ω之间的关系；

S4，根据获取到的待评价玻璃幕墙板块的使用年限t及步骤S2中的结构胶界面粘结强度σ与使用年限t之间的关系获取该玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ，测量待评价玻璃幕墙板块的固有频率ω并根据步骤S3中的结构胶粘结面积A与固有频率ω之间的关系获取玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A，将获取到的结构胶界面粘结强度σ和结构胶粘结面积A代入步骤S1的评价模型中计算该玻璃幕墙板块的可靠性评价指标α；

S5，根据步骤S4计算得到的可靠性评价指标α对待评价玻璃幕墙板块的可靠性进行分级。

2.根据权利要求1所述的基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法，其特征在于，所述评价模型包括一用于计算可靠性评价指标α的计算工具包；

该计算工具包包括如下计算公式：

式中α代表玻璃幕墙板块的可靠性评价指标，σ代表玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度，A代表玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积，γ_o代表结构重要性系数，S代表荷载效应，f₁(ω)为玻璃幕墙板块的固有频率与结构胶界面粘结强度之间的关系，f₂(t)为玻璃幕墙板块的使用年限与结构胶粘结面积之间的关系。

3.根据权利要求1所述的基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法，其特征在于，所述玻璃幕墙板块的结构胶界面粘结强度σ通过十字交叉法试验得到，具体过程是：将玻璃幕墙板块的两块基体粘结成十字交叉试样，当该十字交叉试样经历一定的使用年限t后，在该十字交叉试样的垂直方向上施加荷载直至结构胶界面破坏，从而获得使用年限t时刻的结构胶界面粘结强度σ。

4.根据权利要求1所述的基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法，其特征在于，所述玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A通过该玻璃幕墙板块的结构胶粘结长度l和粘结宽度w相乘得到。

5.根据权利要求1所述的基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法，其特征在于，所述玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A与该玻璃幕墙板块的固有频率ω之间的关系的具体获取过程如下：在该玻璃幕墙板块的四边粘结完好时，此时结构胶粘结面积为Α₀，进行玻璃幕墙板块的固有模态测试，获得该玻璃幕墙板块的某阶固有频率值ω₀，再通过人工方式破坏该玻璃幕墙板块与结构胶之间的粘结界面，使该玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A减小，再次进行玻璃幕墙板块的固有模态测试，获得该玻璃板块的某阶固有频率值ω₁，继续该玻璃幕墙板块的改变结构胶粘结面积A，获得一系列的某阶固有频率值ω，最后将该玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A与固有频率ω绘制成曲线并进一步拟合，从而根据曲线拟合得到玻璃幕墙板块的结构胶粘结面积A与该玻璃幕墙板块的固有频率ω之间的关系。

6.根据权利要求2所述的基于固有频率分析的玻璃幕墙板块粘结可靠性评价方法，其特征在于，所述步骤S5包括如下分级结果：

a、如果α≥1，则认为该玻璃幕墙板块粘结良好，可靠性较高，具有正常的承载功能，不需采取措施；

b、如果0.9≤α<1，则认为该玻璃幕墙板块粘结一般，可靠性略低，但不显著影响承载功能，可不采取措施；

c、如果0.85≤α<0.9，则认为该玻璃幕墙板块粘结较差，可靠性较低，显著影响承载功能，应采取措施；

d、如果α<0.85，则认为该玻璃幕墙板块粘结极差，可靠性极低，严重影响安全，必须立刻采取措施。

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