玻璃幕墙振动测试法研究与数值分析

玻璃幕墙振动测试法研究与数值分析

郭承毅

浙江高进幕墙有限公司 浙江杭州 310012

摘要：本文研究了玻璃幕墙振动试验的工作方式，以及不同边界条件和尺寸的幕墙如何影响玻璃的初始自振频率。研究对象选择横隐框竖明框式结构，幕墙单元的边界条件采用工程实际做法。测试结果表明，边界约束条件和幕墙单元尺寸会影响幕墙结构的基本频率，幕墙结构的基本频率随着幕墙单元尺寸的减小而减小，随着边界约束的减少而降低。根据实际边界条件使用ABAQUS软件对玻璃幕墙构件进行模态分析，结果与实际测量结果相匹配。并在此基础上进一步分析了横隐框竖明框式结构的有限元参数。

关键词：玻璃幕墙；振动测试法；频域分析；现场实测研究

随着我国经济的快速增长，高层建筑越来越多地使用玻璃幕墙。随着幕墙中玻璃使用量的增加及服役年限的延长，由于设计和施工问题、支撑玻璃的替代材料以及玻璃材料本身的不足等原因，玻璃幕墙质量问题带来的隐患变得越来越严重，从而直接威胁到建筑整体安全性。因此，对现有玻璃幕墙的健康状况进行科学有效的测试和检测变得越来越重要。

1. 慨况

幕墙玻璃振动测试方法可在支承、固定、连接构件的结构和结构胶支撑松动、损坏和脱粘时，降低幕墙面板的固有频率，测试并比较具有相同参数的幕墙面板固有频率，使用频率最低的幕墙面板来确定测试批次的承结构和薄弱的区域，使用此方法可以确定幕墙面板位置的坠落风险，并在较弱区域中对幕墙进行控制。近年来，一些研究者进行了一系列振动频率测量以确定幕墙的情况。一种基于FFT功率谱确定结构胶脱粘长度的方法。玻璃的固有频率由脉冲激振方法确定，该方法确定了幕墙玻璃松动和损坏的程度。在研究中，通过调整金属框架螺栓的应力来更改边界状态。结果是，边界松动时，幕墙的固有频率会降低。测试了幕墙的模态特性(玻璃墙和点支撑)与边界条件之间的关系，建议使用激光测振设备进行远程检测。到目前为止，主要研究了边界条件(例如螺栓松紧和结构胶粘结长度)如何影响玻璃的基本频率。大多数玻璃幕墙测试类型分明框玻、隐框。主要缺点是构件测试主要集中在较小的玻璃构件上，测试构件主要由单面玻璃组成，而双面夹胶玻璃测试则具有理想边界条件。明框幕墙边界和结构胶粘结方法不同于现场作法，对结果进行数值模拟时，不考虑硅对双面夹胶玻璃硅酮结构胶的影响，也不考虑玻璃墙的实际边界。

2. 试验介绍与实测方法

目前正在建造的是一个位于某市工业发展区的钢幕墙实验室。建筑使用横隐框竖明框式。本文将在安装墙时考虑边界条件和尺寸规格对基本频率的影响。选择要研究的6块幕墙面板。试验参数见表1。在该表中，试样的所有玻璃面板均为双面夹胶玻璃，单板玻璃厚度为6mm，胶厚度为12mm。幕墙的水平边界是不可见的框架，结构胶接在铝合金支撑板上；垂直边界是由压板夹连接的明框。

表1实测试件参数

C1-C6边界条件如图1所示，其中C3-C6是已安装的幕墙，C1和C2仅在顶部和底部边界安装铝合金托板，侧边界没有压板。实验分为三组：1组：C1、C2，2组：C3、C4，3组：C5、C6；每组两个试验的边界条件相同。考虑到2种尺寸1270×1800和1270×900mm。测试设备为DH5908H无线动态应变采集仪器，加速度传感器为2D001H型，配备动态信号采集分析系统。测试时，加速度传感器放置在幕墙的中间。

图1试件C1～C6边界条件示意

3. 试验数据分析

幕墙结构的固有频率特性是通过现场激振、拾振步骤及频域分析获得的。得出试验C1-C6结构的基本频率。结构的测量基准频率随着幕墙(从自由边缘到压板夹持)的边界限制的增加而增加。结构的基本频率随着幕墙尺寸的减小而增加。

4. 数值模拟与参数分析

1.创建模型。使用ABAUQS软件创建精细的数字模型。模型中考虑了双面钢化玻璃与结构胶之间作用。有限元模型考虑了墙顶部和底部水平边界(幕墙)之间的金副肋与面板之间的结构胶。由于铝合金副肋与隐框横梁连接，并固定至主要本体结构，因此模型中不会考量铝合金副肋，且计算中会考虑结构胶与水平副肋的三向转换自由度。在模型中，面板和结构胶具有非协调的C3D8I。玻璃面板弹性模量为72 GPa，取0.24泊松比，密度为2500kg/m3；0.8 MPa弹性模量，0.49泊松比，密度1240kg/m3。考虑到结构胶与玻璃面板之间的贴合状态，Merge指令会将模型中的结构胶与玻璃面板合并成受力模型，以便进行分析和计算。

2.将计算结果与实际测量结果进行比较。幕墙结构的基本频率计算结果与实际测量结果的比较如图2所示，横坐标表示试验数，纵坐标表示结构的基本频率。

图2幕墙结构计算基频与实测结果对比

如图2所示，数值结果反映了被测基频的发展趋势。部分试验项目的实测值与计算值存在差异，主要是由于幕墙单元间的胶结构节点以及固定支撑结构的刚度对幕墙振动特性的影响。即单片幕墙的基频实际上受支撑结构刚度的影响，单片幕墙的上下边界不理想；实际边界条件在数值计算中，约束结构胶的三向平动自由度边界条件不同，计算结果与实测结果基本一致。

3.分析有限元参数。根据边界夹持的状态，对参数进行了分析。所有样品均为横向和纵向明框。单侧压板数表示竖向单边数。两侧压板对称布置，压板位于垂直边界的n点，其中n为单侧数；通过改变结构胶的压板位置边界条件，模拟了结构胶脱粘状态3种规格尺寸1270×900，1270×1800，1270×2700mm；共设计了30个试件进行参数分析。玻璃幕墙上下水平分界线为隐框，副肋结构胶和铝合副肋结构胶在工厂加工，上下结构胶在工厂安装现场施工，老化的可能性很小。因此，结构胶的状态只考虑上下限缺失结构胶。幕墙单元左右两侧的垂直分界线为明框，通过夹持压板连接，通过约束胶在三个方向的平移自由度来模拟结构胶粘剂的完整状态，通过玻璃板在三个方向上的平移自由度来模拟压板的压板夹持状态。在没有幕墙结构基础模板的情况下，板的数量对频率的影响很大，幕墙的基频最小。当每侧有三块以上的压板时，幕墙的基频变化缓慢；主要原因是本工程暗框幕墙单元随面板高度的增加，主要通过上下副肋、铝合金支撑板等与支撑结构连接。不同压板（试件规格：1270×1800 mm）的幕墙每侧设置3块以上压板时，幕墙基频降低，幕墙结构形式不变。

本文将建筑幕墙项目与现场测试和对墙的数字分析相结合，并结合了具有不同边界条件和尺寸的横隐竖明式幕墙。得出结论：(1)振动试验方法是一种可行的现场试验方法，用于确定批次范围内幕墙支承结构最薄弱区域和边界条件。（2）幕墙结构的基本频率随着幕墙截面规格的增加而降低。检测玻璃幕墙的薄弱部位振动时，应区分玻璃规范和具有相同规范和边界条件的玻璃单元，并同一批次进行测试。(3)根据验证的数字模型对参数进行了有限元分析。计算结果表明，板的数量对墙结构的基本频率(幕墙)有很大影响，并且没有板的墙的基本频率最低。当两侧有三道以上的压力板时，幕墙的基本频率变化缓慢；顶部和底部边界组合的完整性对幕墙的基本频率影响最小。玻璃幕墙的基本频率会随着面板高度的增加而降低。

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