方治華+羅文奇

摘要：文章以單塊全隱框玻璃幕墻為研究對(duì)象。通過(guò)建立五種不同位置的脫膠損傷有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，選取模態(tài)曲率為損傷識(shí)別標(biāo)識(shí)量，根據(jù)該指標(biāo)的敏感程度提出了一種處理模態(tài)曲率的新方法，可以更加方便準(zhǔn)確的識(shí)別損傷位置。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。結(jié)果表明，該方法能夠精確判斷全隱框玻璃幕墻脫膠損傷位置。

Abstract： One piece of full-scale frme-concealed glass curtain-wall is studied in the paper. The finite element model of five kind of degummed damage form is established. The modal curvature is used to identify the damage， and the first order modal curvature of each model is calculated. At the same time， the correctness of the model is verified by experiments. According to the sensibility of this index， this paper suggests a new technique. Results show that the method can accurately determine the glass curtain wall of degummed damage location.

關(guān)鍵詞：全隱框玻璃幕墻；脫膠損傷；模態(tài)曲率；損傷識(shí)別

Key words： full-scale frme-concealed glass curtain-walls；debonding damage；modal curvature；damage identification

中圖分類(lèi)號(hào)：TU238 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）20-0089-05

0 引言

玻璃幕墻由于它新穎美觀的特點(diǎn)成為了當(dāng)代墻體裝飾中常用的方法。隨著近年來(lái)我國(guó)建筑行業(yè)的興起，對(duì)幕墻需求量急劇增加，與此同時(shí)，也為它的安全性埋下了隱患。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)既有建筑的玻璃幕墻使用量超過(guò)兩億平方米[1]，幕墻玻璃從高空墜落的事件頻頻發(fā)生。幕墻玻璃產(chǎn)生的事故主要以高空墜落為主，其產(chǎn)生的主要原因是由幕墻玻璃的密封膠失效引發(fā)的漏氣以及幕墻玻璃板的結(jié)構(gòu)膠（如硅酮膠）失效導(dǎo)致的玻璃板松動(dòng)而引起的。

基于振動(dòng)特性的玻璃幕墻損傷檢測(cè)方面的研究和應(yīng)用，近年來(lái)越來(lái)越受到重視。劉小根等人[2-3]通過(guò)動(dòng)態(tài)法獲得固有頻率來(lái)識(shí)別幕墻玻璃的松動(dòng)損傷程度。顧建祖等人[4]通過(guò)求解模態(tài)函數(shù)得到振動(dòng)傳遞率，由此構(gòu)建一種新?lián)p傷識(shí)別參數(shù)。陳振宇[5]等人根據(jù)FFT功率譜提出了一種新的檢測(cè)方法。一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者[6-9]從應(yīng)變模態(tài)方面也做了相關(guān)研究工作。

本文通過(guò)模態(tài)分析了幕墻單元結(jié)構(gòu)膠失效后的模態(tài)固有參數(shù)，建立有限元模型。由于結(jié)構(gòu)的固有特性與外荷載無(wú)關(guān)，以曲率模態(tài)為指標(biāo)計(jì)算其變化率進(jìn)而提出一種新的處理方法，對(duì)比判斷該方法對(duì)脫膠損傷模型敏感程度。為今后全隱框玻璃幕墻脫膠損傷檢測(cè)分析提供一些借鑒，同時(shí)也為以后在幕墻損傷檢測(cè)研究過(guò)程中損傷指標(biāo)的選取上提供一定的參考。

1 有限元模型的建立

中空玻璃是由兩塊鋼化玻璃通過(guò)鋁合金間隔條和結(jié)構(gòu)密封膠連接的。由于幕墻玻璃結(jié)構(gòu)中，玻璃粘接膠實(shí)際上是很薄的一層，為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，從整個(gè)車(chē)身來(lái)看，玻璃粘接模型的材料非線(xiàn)性暫不考慮。本文根據(jù)幕墻中空玻璃板實(shí)際的結(jié)構(gòu)固定形式和中空玻璃組成形式考慮結(jié)構(gòu)膠層的粘結(jié)用彈簧單元模擬，帶有間隔的中空玻璃用板單元來(lái)定義[10]。將上下兩層幕墻玻璃板均劃分為3000個(gè)矩形單元，彈簧剛度換算為折合剛度，彈簧單元連接形式為兩層彈簧單元垂直于XY平面繞玻璃板最外邊一周，上層連接兩板，下層連接底部板與固定端（即以固定支座的形式約束模擬玻璃幕墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式）。

將模型定義在三維坐標(biāo)系內(nèi)，如圖1所示。圖1中板A點(diǎn)為原點(diǎn)，長(zhǎng)邊AB方向?yàn)閄軸，短邊AD方向?yàn)閅軸。

根據(jù)規(guī)范JGJ102-2003，玻璃板的幾何參數(shù)初步設(shè)為：長(zhǎng)1200mm，寬1000mm，玻璃厚5mm，玻璃間隔9mm。

損傷預(yù)設(shè)五種損傷類(lèi)型，在五種損傷模型的基礎(chǔ)上添加三種不同程度的脫膠損傷長(zhǎng)度400mm、600mm、800mm。相關(guān)工況如表1所示，損傷位置如圖2所示。

2 基于模態(tài)曲率的損傷識(shí)別研究

以彈性梁結(jié)構(gòu)為例，根據(jù)彈性力學(xué)可知結(jié)構(gòu)的曲率和縱向位移之間的關(guān)系。

將彈性梁定義在二維坐標(biāo)平面內(nèi)，定義彈性梁的橫向?yàn)閅坐標(biāo)方向，縱向?yàn)閄坐標(biāo)方向。設(shè)彈性梁的任意截面x處，梁振動(dòng)曲線(xiàn)的曲率為函數(shù)q（x），則：

q（x）===U″（x）ejωt∑Φ（x）Qrejωt

其中Φ（x）是第r階曲率模態(tài)。

q（x）==

其中M（x）為截面x處的彎矩。

結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)損傷的同時(shí)伴隨著其剛度的減小，即為局部剛度EI（x）減小，進(jìn)而使局部曲率模態(tài)值也隨之增大。因此結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)其曲率模態(tài)的突變是由剛度的減小引起的。在無(wú)損處剛度無(wú)明顯變化，因而模態(tài)曲率也無(wú)明顯變化，由此可判斷若被檢測(cè)對(duì)象相對(duì)無(wú)損結(jié)構(gòu)在某處存在曲率模態(tài)的突變，即可判斷該對(duì)象的此位置存在損傷。

模態(tài)曲率在工程試驗(yàn)中通常通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)位移模態(tài)進(jìn)行差分來(lái)近似求解。以梁結(jié)構(gòu)為例，通過(guò)與兩邊相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中心差分得到該節(jié)點(diǎn)的曲率模態(tài)，即：

φ=

其中：h為相鄰節(jié)點(diǎn)距離；φi，j為垂直方向上的模態(tài)位移，下標(biāo)i和j分別表示模態(tài)階數(shù)和節(jié)點(diǎn)。此時(shí)的位移模態(tài)為正交歸一化，即：[φ]T[M][φ]=I。

2.1 曲率模態(tài)差分析

將損傷前后的曲率模態(tài)差值定義為損傷識(shí)別標(biāo)量：

ΔCij=C-C

其中ΔCij為模態(tài)曲率差；C為損傷后的模態(tài)曲率；C為損傷前的模態(tài)曲率，上標(biāo)e和l分別表示損傷前和損傷后，下標(biāo)i和j分別表示模態(tài)階數(shù)和節(jié)點(diǎn)號(hào)。

由于梁結(jié)構(gòu)大的長(zhǎng)寬比，僅考慮軸線(xiàn)方向的曲率，而板結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比遠(yuǎn)小于梁，其每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處有兩個(gè)方向的曲率，需要綜合考慮兩個(gè)方向的模態(tài)曲率。本文將模型建立在如圖1的直角坐標(biāo)系內(nèi)，分別通過(guò)計(jì)算X、Y兩個(gè)方向一階的曲率模態(tài)變化判別損傷程度與位置。

以工況1、4、7、10、13為例，繪制其模態(tài)曲率差如圖3、4所示。各工況下的曲率模態(tài)表示的位置坐標(biāo)與圖1中A、B、C、D位置一一對(duì)應(yīng)。

以工況一為例，對(duì)比圖3-a和4-f，相同程度不同位置的脫膠損傷對(duì)X、Y方向的曲率模態(tài)都有很大的影響，X方向曲率模態(tài)突變位置能夠不錯(cuò)的對(duì)應(yīng)其損傷位置，Y方向上的曲率模態(tài)突變位置對(duì)損傷位置變現(xiàn)的十分模糊。據(jù)此可知，脫膠損傷處的節(jié)點(diǎn)在損傷前后X和Y兩個(gè)方向上的曲率模態(tài)都有很大的變化，通過(guò)模態(tài)曲率差能夠較好的判斷模型是否有損傷?？梢源致缘嘏袛嘌啬B(tài)曲率方向損傷的位置，但是無(wú)法定位不同于模態(tài)曲率方向的損傷位置。同時(shí)由于數(shù)據(jù)比較粗略，依然存在不小的誤差。

2.2 模態(tài)曲率變化率分析

一階模態(tài)曲率變化率，即一階模態(tài)曲率相對(duì)于無(wú)損模型一階模態(tài)曲率的變化量與無(wú)損模型之間關(guān)系的比值，R=此時(shí)將曲率差忽略正負(fù)號(hào)，取其絕對(duì)值。

為更加方便準(zhǔn)確的識(shí)別損傷位置，本文根據(jù)全隱框玻璃幕墻板的脫膠損傷位置只出現(xiàn)在矩形邊上提出了一種對(duì)模態(tài)曲率處理的新方法：首先，將一階模態(tài)曲率轉(zhuǎn)化為一階模態(tài)曲率變化率；其次，對(duì)X、Y兩個(gè)方向上的模態(tài)曲率變化率進(jìn)行篩選，從中提取與矩形邊方向相同的模態(tài)曲率變化率，如圖5，在A—B邊上為A—B方向上的模態(tài)曲率變化率，B—C邊上為B—C方向上的模態(tài)曲率變化率。

從圖6可以看出，每種損傷位置處都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)應(yīng)的峰值，由于振型的原理，矩形邊端部損會(huì)在對(duì)應(yīng)位置緊接著出現(xiàn)第二個(gè)峰值，中部損傷時(shí)會(huì)向兩邊延伸出現(xiàn)兩個(gè)相對(duì)較小的峰值，角點(diǎn)處損傷時(shí)，會(huì)在損傷位置對(duì)應(yīng)的兩條邊相繼出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)應(yīng)的峰值。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用如圖7所示幕墻試件，外形尺寸為：1200mm×1000mm，玻璃板與副框間硅酮膠厚度為9mm。選擇兩種具有代表性的工況模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（工況選擇為工況1和工況4）。試驗(yàn)時(shí)將玻璃幕墻試件固定，在玻璃板上布置一個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)。通過(guò)多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)輸出的錘擊方法，沿幕墻試件編號(hào)方向進(jìn)行逐一敲擊編號(hào)（編號(hào)情況如圖8所示），采集瞬態(tài)脈沖動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)的。通過(guò)對(duì)響應(yīng)信號(hào)的分析處理，研究不同開(kāi)膠程度對(duì)五種振動(dòng)特性參數(shù)的影響，兩者之間的內(nèi)在關(guān)系。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

薄板四邊固支且固支邊與x軸垂直，同ANSYS仿真分析相同，選取一階彎曲曲率模態(tài)分析，所以從圖9中對(duì)應(yīng)工況下?lián)p傷前后x方向的曲率模態(tài)變化可看出，工況1和工況4損傷前后的模態(tài)曲率差與ANSYS仿真分析結(jié)果大致相吻合，雖然測(cè)點(diǎn)的數(shù)量相對(duì)較少，但是X方向曲率模態(tài)突變位置依然能夠?qū)?yīng)其損傷位置，由此可以通過(guò)曲率模態(tài)差的突變位置定位損傷。

4 結(jié)論

①數(shù)值仿真研究表明，分別通過(guò)X、Y兩個(gè)方向上的一階模態(tài)曲率差能夠較好的判斷幕墻是否有脫膠損傷，但是無(wú)法準(zhǔn)確定位脫膠損傷位置。對(duì)于不同于曲率方向上的脫膠損傷的位置判斷會(huì)產(chǎn)生較大誤差。無(wú)論是單獨(dú)通過(guò)一個(gè)方向上的曲率模態(tài)還是分別通過(guò)兩個(gè)方向上的曲率模態(tài)都有著不小的誤差。

②實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了ANSYS仿真分析模型的可行性和結(jié)果的正確性。

③僅通過(guò)計(jì)算得到幕墻玻璃板的一階模態(tài)曲率，就可以很好地判斷脫膠損傷并定位損傷位置同時(shí)還可以判斷損傷程度的大小，相對(duì)模態(tài)曲率在很大程度上減小了誤差。

④沿矩形板一周的曲率變化結(jié)合了兩個(gè)方向上的模態(tài)曲率變化率，由于脫膠損傷的方向總是沿著該邊方向，所以本方法能夠精確判斷幕墻全隱框玻璃幕墻板單元損傷位置，對(duì)于實(shí)際檢測(cè)工程中有很大的意義。該方法簡(jiǎn)單快速，能夠根據(jù)有限的數(shù)據(jù)快速發(fā)現(xiàn)脫膠情況并定位損傷的位置，針對(duì)性的做出相關(guān)的處理：加固或更換。以確保玻璃幕墻的安全性，有著很好的實(shí)用價(jià)值。

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