基于激光振频法的石材幕墙安全性能快速评价*

包亦望，郑德志，刘小根，万德田，孙与康

(1.中国建筑材料科学研究总院有限公司 绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024；2.中国建材检验认证集团股份有限公司 中央研究院，北京 100024)

为了追求建筑物的恢宏、大气、美观与节能，建筑师越来越青睐于在建筑物外立面装饰层使用石材幕墙.根据中国建筑金属结构协会的统计，我国建筑幕墙的年生产量从2001年的1 600万平方米增至2014年的1.3亿平方米，平均复合增长率为18%，已成为世界建筑幕墙第一生产大国，其中石材幕墙约占30%[1].石材幕墙按照施工方式可分为干挂法和湿贴法，其中干挂法因安全性、耐久性、可更换性等方面具有较大优势而得到广泛应用.干挂石材幕墙是一种由石材面板、不锈钢金属挂件以及立柱横梁龙骨组成的建筑外围护结构.金属挂件一方面通过螺栓连接到龙骨上，另一方面通过胶粘剂与开槽的石材进行连接.但在服役过程中，由于长期受到自然力以及热应力作用，必然导致饰面层材料本身以及连接挂件与支撑结构的老化、损伤、松动等问题，造成石材面板整体或局部松动甚至脱落，严重威胁人们的生命财产安全和社会安定.既有建筑幕墙正常设计使用年限通常定为25年，因此，20世纪80～90年代建造的幕墙已接近甚至超过设计使用年限.此外2001年以前建成的金属与石材幕墙，建造时还存在缺乏国家相关技术标准的问题，这类建筑幕墙的安全性问题在现阶段显得更为突出.因此，对既有建筑幕墙开展可靠性鉴定与评价，具有十分重要的现实意义[2].

已有研究主要集中于建筑幕墙在承受热应力、地震力等外部荷载情况下整体的可靠性评价[3-4]，但目前鲜有研究关注干挂石材幕墙背部锚固结构损伤的现场检测.导致石材幕墙坠落的原因在于锚固结构的失效和薄大理石板材的弯曲，而后者在大理石厚度超过5 cm时很少出现.在石材幕墙背部锚固结构损伤检测方面，国内外目前采用的主要测试方法有：观察法、拉拔法、敲击法等[5].其中，观察法采用内窥镜对石材背部挂件以及龙骨进行观察，只可在幕墙局部位置使用；拉拔法属于局部破损检测，检测时抽样数量受到很多限制；敲击法严重依赖检测人员经验，无法实现定量化检测.

鉴于以上直接观察法和抽样检测法无法准确、快速检测幕墙的安全性能，中国建筑材料科学研究总院刘小根等[6-7]采用动态法研究既有玻璃幕墙安全性能评估，发现四边支撑玻璃幕墙试样边界支撑松动会引起其固有频率衰减，从而利用幕墙玻璃固有频率的降低程度来识别玻璃四边支撑松动损伤程度，但该研究并未涉及石材幕墙、陶瓷幕墙等施工方式为干挂的幕墙.已有研究利用激光多普勒测振仪测得隐框玻璃幕墙一阶固有频率来评价其安全性能[8]，但该研究也未涉及石材幕墙.相关研究[9]表明，存在缺陷的石材的一阶频率明显低于完整石材，但对于背部锚固结构损伤的检测未进行相关研究.综上所述，已有研究采用动态法获取所有幕墙面板的固有频率，通过相对比较，固有频率值较低的幕墙面板因边界支撑松动而具有较大的坠落风险，但现有的检测方法中固有频率的获取大多依赖加速度传感器，其检测效率受制于加速度传感器的布置和拆除.

针对干挂石材幕墙坠落风险在线检测方法的不足，本文提出激光振频法，即通过激光位移传感器获取幕墙面板振动信息，通过比较石材的振动特征参数确定具有坠落风险的幕墙石材.通过激光振频法对9种边界条件下的石材面板进行测试，研究了不同结构损伤程度与石材一阶固有频率之间的关系，并将测试结果与模态分析方法所得的结果进行对比，验证其可行性；其次研究了不同测试点和激光入射角对测试结果的影响，为实际工程检测提供参考[10].

1 石材面板模拟试验

本文采用在四角点用金属挂件连接的石材幕墙结构为研究对象，为模拟石材面板实际所处的服役状态，自行设计了相关试验装置，如图1所示.采用角钢焊接而成的“口”字形钢架模拟幕墙龙骨结构，钢架上通过螺栓连接四个“T”形金属挂件，通过松动螺栓可使金属挂件松动，并可使金属挂件与钢架脱离.挂件与石材面板在开槽处连接，然后在槽内使用干挂石材胶粘剂固定，这样石材面板通过金属挂件连接到钢架龙骨上，连接构造如图1d所示.从左上角处开始，按顺时针方向将四处挂件分别标记为A、B、C和D，如图1b所示.将干挂石材背部连接损伤形式分为四类：第一类为四角连接牢固，包括ABCD；第二类为一角损伤，包括BCD、ACD、ABD、ABC；第三类为对角损伤，包括AC、BD；第四类为邻角损伤，包括AD和BC.其中，ABCD表示四角连接牢固；BCD表示A处挂件拆除，而B、C、D三角处连接牢固；AC表示B、D两处挂件拆除，而A、C两处连接完好；以此类推.由于AB和DC两种情况下石材面板极易崩边破坏，本试验未对这两种情况进行讨论.

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test equipment

为了进行后续试验，在石材面板上面均匀布置25个测点，如图2所示.试验过程中在某一种边界条件下，依次进行模态测试和激光振频测试，之后通过松动或旋紧螺栓改变石材面板的边界条件，直到9种损伤情况下的两种试验全部完成，具体试验流程如图3所示.

图2 测试点选取示意图Fig.2 Schematic selection of testing points

图3 试验流程示意图Fig.3 Schematic diagram of test process

模态试验采用北京东方振动与噪声研究所研制的DASP模态分析软件及相关硬件设施进行.激励装置采用橡胶力锤，激励所有测点，拾振装置采用INV9822型加速度传感器，参考点选在测点2和测点19，将不同测点处的激励力信号以及参考点处的振动响应信号输入采集卡，进而通过DASP软件可得到石材面板的固有频率和阵型.模态测试采用多输入多输出(MIMO)方法，该方法所测得的固有频率结果准确，但操作繁琐，耗时较长.

激光振频测试试验装置如图4所示.采用基恩士国际贸易有限公司所售LK-G400高速激光位移传感器取代加速度传感器，通过激光位移传感器直接采集某测点处的振动信号，通过DASP软件得到石材面板的一阶固有频率.将激光位移传感器所发射出来的激光对准图2所示不同测点，分别测得石材面板的振动固有频率.

图4 激光振频测试系统Fig.4 Laser vibration frequency testing system

2 试验结果及分析

2.1 激光振频测试结果与模态测试结果对比

激光振频法和传统模态法所得的四类不同边界条件下石材固有频率如表1所示.由表1可知，激光振频法所得频率fL与传统模态法所得频率fD相差在1%以内，对于幕墙检测的影响在允许范围之内，所以采用激光振频法获取石材一阶固有频率用于幕墙安全检测具有一定的可靠性.表2为使用激光振频法在不同测点所测得固有频率数值的离散情况.由表2可知，每种损伤情况下所得频率的标准差不大于0.5，所以采用激光振频法获取石材一阶固有频率数据具有稳定性.

表1 石材固有频率测试结果对比Tab.1 Comparison for testing results of intrinsic frequencies of stones

表2 激光振频法测试结果离散性Tab.2 Discreteness of testing results with laser vibration frequency method

2.2 结构损伤对固有频率的影响

不同结构损伤情况下幕墙面板一阶固有频率如图5所示.由图5可知，石材面板固有频率呈现阶梯状规律，在石材背部损伤程度相同时，石材面板一阶固有频率相差不大，而随着石材背部损伤程度加大，石材面板的一阶固有频率依次下降.

图5 不同结构损伤情况下幕墙面板固有频率Fig.5 Intrinsic frequency of curtain wall panels under different structural damages

石材面板背部连接挂件的损伤，造成石材结构边界条件的改变，继而引起固有频率的下降，石材背部损伤越严重，固有频率的衰降幅度越大，因此，可通过测量幕墙面板的固有频率来找出背部连接损伤的石材，排除幕墙石材的坠落风险.

2.3 测试点对测试结果的影响

由表2可知，对于特定边界损伤条件下的石材面板，选择不同测点所测得频率值相差不大.但是不同测点对测得的频谱图有一定影响.图6为对四角稳固(ABCD)石材分别在测点1、7和13处测得的频谱图.由图6可知，不同测试点得到的结果在固有频率处的信号峰值分别为0.01、0.05和0.12 mV，随着测试点距中心的距离变近，频谱图的峰值逐渐变大.图7为采用Ansys有限元软件分析得到的石材面板一阶振型位移云图.由图7可知，在四角稳固的情况下，面板在中心处振幅较大，而在四角处振幅接近于零.因此，测试点离中心点越近，越容易得到高而尖的谱峰，而测试点选在四角处则难以得到尖锐的谱峰.

图6 四角稳固(ABCD)石材在不同测点测得的频谱图Fig.6 Frequency spectra obtained on different measuring points of four-corner stable (ABCD)stone

图7 石材面板(ABCD)一阶振型位移云图Fig.7 Displacement nephogram of first vibration mode of stone panel (ABCD)

图8为对对角损伤(AC)石材分别在测点1、7和13处测得的频谱图.由图8可知，测点1和7测得的信号峰值分别为0.59和0.32 mV，而测点13未发现一阶固有频率处的谱峰.

图8 对角损伤(AC)石材在不同测点测得的频谱图Fig.8 Frequency spectra measured at different measuring points of diagonal damage (AC)stone

图9为采用Ansys有限元软件得到的石材面板一阶振型位移云图，AC为该振型的节线，在节线处振幅为零.因此，测点1、7和13所得频谱峰值依次降低，事实上节线上各点都捕捉不到一阶固有频率，如图10所示.在实际检测过程中，如果选取这些节点位置作为测试点，很大可能误将石材面板高阶频率当做其一阶固有频率，从而遗漏具有坠落风险的幕墙面板.在检测之前进行模态分析测试或有限元模拟，找出幕墙面板各阶振动的节点位置，从而在实际检测中避免激光照射到这些节点位置.

图9 石材面板(AC)一阶振型位移云图Fig.9 Displacement nephogram of first vibration mode of stone panel (AC)

图10 节线上各点测得石材(AC)的频谱图Fig.10 Frequency spectra measured at respective points on joint line of stone (AC)

2.4 激光入射角对测量结果的影响

调整激光位移传感器的位置，改变激光入射角，获取幕墙面板的固有频率，如图11所示.表3为改变激光入射角对四角稳固(ABCD)石材测试的结果.由表3可知，入射角在0°～60°范围内改变对固有频率测量没有明显影响.在实际检测工程中，有时会根据实际需要调整入射激光的倾角，当激光不能垂直入射到面板表面时，激光位移传感器通过扩散反射方式获取信号也可测得正确的固有频率值.

图11 激光入射角图示Fig.11 Schematic diagram of laser incidence angle

表3 不同激光入射角下四角稳固(ABCD)石材的测试结果Tab.3 Testing results of four-corner stable (ABCD)stone under different laser incidence angles

3 结 论

本文通过分析得出以下结论：

1)激光振频法是一种非接触式、远程、快速的幕墙坠落风险检测方法，避免了高处布置和拆除加速度传感器的困难，可实现对幕墙安全性能的现场快速检测，从而有效预测幕墙面板的突发性坠落.

2)石材面板锚固损伤与其固有频率具有相关性，因此可利用激光振频法测试固有频率来评价幕墙的损伤和坠落风险.实施步骤为：利用激光快速测得所有相同幕墙面板的固有频率.将所测频率由低到高排序，频率最低的几块板风险最大，重点检查是否有锚固损伤.

3)测点的选择影响测试效果.通常锚固点为振动节点，实际测试尽量避开这些节点位置，可得到更好的测试效果.通常矩形板的测试点可以选在距几何中心五分之一边长的位置.

4)激光入射角度对检测结果无明显影响，在实际检测中无需刻意调整入射激光与面板平面垂直，并可利用这一特点对高处幕墙面板进行检测.