既有玻璃幕墻安全性能檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

朱瑞娟 陳媛媛 劉繼武 李 治 李東原

（1中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)（陜西）有限公司；2國(guó)家建筑衛(wèi)生陶瓷質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，陜西 西安 710116）

玻璃幕墻大約于20世紀(jì)80年代從西方國(guó)家傳入我國(guó)，90年代中期形成高潮，是集建筑美學(xué)、建筑功能、建筑節(jié)能和建筑結(jié)構(gòu)等多種因素于一體的現(xiàn)代主義新型墻體。目前，北京、上海、廣州、深圳等大中城市相繼建造了大量的玻璃幕墻，調(diào)查顯示，2017年底，我國(guó)已建成了約10億平方米的各式建筑幕墻(包括采光屋面)，占世界總量的90%以上，其中玻璃幕墻占很大比重。

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 16776-2005《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》[1]和JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》[2]的要求，結(jié)構(gòu)膠需提供10年的質(zhì)量保證，然而，中國(guó)建筑大規(guī)模使用玻璃幕墻到現(xiàn)在已經(jīng)20多年，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)結(jié)構(gòu)密封膠的質(zhì)保期限。近兩年全國(guó)各地政府對(duì)當(dāng)?shù)匕l(fā)生的各種建筑玻璃破裂事故非常重視，住建部2016年8月又一次發(fā)布關(guān)于加強(qiáng)玻璃幕墻安全防護(hù)工作的通知。

1 既有玻璃幕墻安全隱患的原因分析

既有玻璃幕墻是針對(duì)已竣工驗(yàn)收交付使用的建筑玻璃幕墻。我國(guó)每年發(fā)生的建筑玻璃幕墻墜落造成的安全事故至少上萬(wàn)起，明顯多于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家同類事故。經(jīng)研究分析，大多數(shù)安全事故主要是由內(nèi)應(yīng)力引起的玻璃自爆和由外部因素引起的玻璃脫落導(dǎo)致。

1.1 由內(nèi)應(yīng)力引起的玻璃自爆

引起玻璃幕墻自爆的原因有很多種，但其根本原因是玻璃內(nèi)部應(yīng)力層內(nèi)的局部應(yīng)力集中引起的。大多數(shù)情況下，異質(zhì)相（如硫化鎳、單質(zhì)硅、氧化鋁等）是造成玻璃自爆的罪魁禍?zhǔn)譡3-4]，如硫化鎳的相變引起2%-4%的體積膨脹，使得玻璃承受巨大的相變張應(yīng)力；部分雜質(zhì)的物理力學(xué)性能參數(shù)與玻璃不匹配，致使玻璃在升溫降溫過(guò)程中在顆粒附近產(chǎn)生的張應(yīng)力等均會(huì)引起玻璃內(nèi)局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致玻璃的自爆。

玻璃在安裝過(guò)程中，存在工程質(zhì)量隱患。比如：玻璃板塊的垂直度，玻璃框架的垂直度、對(duì)角線等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，幕墻構(gòu)件與結(jié)構(gòu)主體之間節(jié)點(diǎn)的連接和接頭處理，預(yù)埋件安裝位置偏差是否超出規(guī)范要求等都可能給工程造成一定的安全隱患。如果玻璃幕墻的安裝設(shè)計(jì)不合理，無(wú)法承受建筑物內(nèi)重力，進(jìn)而可能導(dǎo)致幕墻出現(xiàn)安裝應(yīng)力集中如擠壓變形或彎曲，超過(guò)玻璃的應(yīng)力極限，最終導(dǎo)致玻璃爆裂而墜落。

1.2 由外部因素引起的玻璃脫落

引起玻璃松動(dòng)主要是外部因素。首先，結(jié)構(gòu)膠是玻璃幕墻結(jié)構(gòu)中重要材料之一，從市場(chǎng)調(diào)查情況來(lái)看，結(jié)構(gòu)膠失效占玻璃幕墻所有質(zhì)量問(wèn)題的40%以上，結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，與接觸材料相容性差；長(zhǎng)期受到自然環(huán)境如風(fēng)吹、雨淋、紫外線照射、地震等影響，造成膠體老化、失去粘接能力等均會(huì)導(dǎo)致幕墻玻璃松動(dòng)而脫落。玻璃支承結(jié)構(gòu)即固定裝置和框架結(jié)構(gòu)，也會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效或其它無(wú)法預(yù)見(jiàn)的缺陷，都可能導(dǎo)致幕墻玻璃的墜落。

2 既有玻璃幕墻安全性能檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

既有玻璃幕墻玻璃材料、膠體及其結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全服役對(duì)保障城市公共安全至關(guān)重要，通過(guò)對(duì)玻璃自爆和玻璃脫落的分析，為以后展開(kāi)進(jìn)一步的技術(shù)研究和實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2.1 玻璃自爆安全性檢測(cè)技術(shù)

玻璃自爆主要是由異質(zhì)物和安裝設(shè)計(jì)不當(dāng)引起局部應(yīng)力集中造成的，相較于自爆源的檢查，玻璃應(yīng)力集中狀態(tài)的檢查更具有直接性，因此，玻璃應(yīng)力集中的檢測(cè)對(duì)預(yù)防玻璃自爆至關(guān)重要。

工程中最基本的玻璃外觀檢測(cè)手段是依靠經(jīng)驗(yàn)的表觀檢查和觸碰檢查，即在良好的自然光或散射光照條件下，觀察玻璃表面是否有缺陷，該方法簡(jiǎn)單易行，但只針對(duì)缺陷較明顯的情況，人為客觀因素影響較大，且對(duì)檢測(cè)人員工作經(jīng)驗(yàn)有較高要求。

目前，關(guān)于玻璃應(yīng)力測(cè)試的方法大多只適合于玻璃出廠前的檢測(cè)，常見(jiàn)的主要有四種[5]：干涉色法即簡(jiǎn)式偏光儀法、四分之一波片法即讀數(shù)偏光儀法、補(bǔ)償式玻璃應(yīng)力測(cè)試法、半影檢偏器法，這些方法能夠檢測(cè)的玻璃樣品比較小，需固定檢測(cè)儀器而移動(dòng)玻璃樣品，不適合在線檢測(cè)大型的既有玻璃幕墻。近幾年，萬(wàn)德田等[6]人正在研發(fā)一種較新的檢測(cè)技術(shù)—光彈掃描法，根據(jù)透射式光彈原理，利用起偏片和檢偏片兩邊的透射光強(qiáng)差的變化獲取應(yīng)力條紋圖像，對(duì)這些區(qū)域進(jìn)一步放大分析處理可以確定雜質(zhì)或缺陷的類型、尺寸以及位置。該原理可針對(duì)玻璃出廠質(zhì)量、安裝前或服役中的鋼化玻璃進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，檢測(cè)人員無(wú)需進(jìn)行高空作業(yè)，人員以及比較貴重的儀器設(shè)備均可在室內(nèi)進(jìn)行，降低了人員風(fēng)險(xiǎn)，也節(jié)約了檢測(cè)成本。此外，劉小根等[7]人通過(guò)光彈掃描法可以觀測(cè)到真空玻璃支撐物與玻璃支撐點(diǎn)處因應(yīng)力集中而產(chǎn)生的應(yīng)力光斑，研究發(fā)現(xiàn)隨著真空度的提高，應(yīng)力光斑直徑也增大，該原理主要針對(duì)真空玻璃實(shí)際工程的在線檢測(cè)，操作簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀可靠。

2.2 玻璃脫落安全性能檢測(cè)技術(shù)

導(dǎo)致安全事故的幕墻風(fēng)險(xiǎn)的另一種表現(xiàn)形式就是幕墻整塊墜落，這類事故的原因有多種多樣，主要包括結(jié)構(gòu)膠老化脫落和支撐結(jié)構(gòu)松動(dòng)脫落，下面將從這兩方面對(duì)其安全性檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行概述，主要檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比見(jiàn)表1。

2.2.1 結(jié)構(gòu)膠安全性能檢測(cè)技術(shù)

結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量是評(píng)價(jià)玻璃幕墻整體安全性和耐久性的重要指標(biāo)之一，對(duì)結(jié)構(gòu)膠常規(guī)的檢測(cè)方法主要有目視法、敲擊檢測(cè)法、切割拉拔法、邵氏硬度法等。其中，目視法和敲擊檢測(cè)法只能作為結(jié)構(gòu)膠質(zhì)量檢測(cè)的初步無(wú)損檢測(cè)，人為因素影響較大，準(zhǔn)確度差，不能滿足玻璃安全性檢測(cè)的控制要求；切割拉拔法是將現(xiàn)場(chǎng)切割部分樣品送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，可直接測(cè)得膠體的最大拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率以及粘結(jié)破壞形式和粘結(jié)破壞面積等結(jié)果，可作為仲裁時(shí)的檢測(cè)方法，該方法屬于局部破損檢測(cè)，檢測(cè)后需進(jìn)行修復(fù)和加固；邵氏硬度法是用來(lái)判定結(jié)構(gòu)膠的硬化程度，方法簡(jiǎn)單、快捷，能定量化說(shuō)明膠材的質(zhì)量，但硬度只是結(jié)構(gòu)膠的指標(biāo)之一，故還需結(jié)合常規(guī)檢測(cè)方法（如目測(cè)、敲擊檢查等）或其他方法才能綜合判定。

近幾年，也相繼出現(xiàn)了其它的檢測(cè)方法，如推桿法、超聲波檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、紅外線檢測(cè)法和X射線檢測(cè)法等[8-9]，此外，從國(guó)外引進(jìn)的氣囊法、吸盤法和多吸盤法等[10]在國(guó)內(nèi)也有應(yīng)用。推桿法和氣囊法屬于室內(nèi)進(jìn)行的檢測(cè)方法，檢測(cè)范圍相同，均是通過(guò)模擬玻璃幕墻風(fēng)壓作用進(jìn)行的檢測(cè)，氣囊法較推桿法更接近玻璃幕墻風(fēng)壓的作用，但檢測(cè)時(shí)需借助位移測(cè)量裝置，推桿法裝置簡(jiǎn)單易攜帶，但僅能用于玻璃板塊與鋁型材副框粘接用密封膠的檢測(cè)；吸盤法和多吸盤法是通過(guò)模擬被測(cè)玻璃面板所受均勻風(fēng)荷載等效轉(zhuǎn)化為玻璃面板邊緣部位的荷載進(jìn)行的檢測(cè)，多吸盤法是通過(guò)多點(diǎn)載荷以模擬被測(cè)玻璃面板所受的均勻風(fēng)壓，較吸盤法更接近玻璃幕墻所受風(fēng)壓作用，這兩種方法屬于室外檢測(cè)，通常用來(lái)檢測(cè)中空玻璃幕墻的粘接情況；超聲波檢測(cè)和聲發(fā)射檢測(cè)均具有較高的準(zhǔn)確度，但只限于探傷，不能明確測(cè)定強(qiáng)度，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，且聲發(fā)射檢測(cè)法僅限于鋁制構(gòu)件的膠接檢測(cè)，胡紹海等人[11]利用超聲波檢測(cè)法分析了膠接結(jié)構(gòu)缺陷類型和原因分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了鋁膠接結(jié)構(gòu)缺陷的識(shí)別。同時(shí)，胡紹海等人[12]又利用聲發(fā)射檢測(cè)法，對(duì)膠接件進(jìn)行拉伸，可以檢測(cè)出缺陷位置和低膠接強(qiáng)度區(qū)。結(jié)果表明，聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)膠接結(jié)構(gòu)的缺陷識(shí)別相對(duì)于超聲波檢測(cè)更準(zhǔn)確，膠接強(qiáng)度的估計(jì)精度與超聲波檢測(cè)相差甚微；X射線檢測(cè)法和紅外線檢測(cè)法缺陷識(shí)別率高，自動(dòng)化程度高，也不能明確測(cè)定強(qiáng)度，在國(guó)內(nèi)還處于起步階段，相關(guān)儀器設(shè)備的成本較高。

表1 玻璃脫落安全性能主要檢測(cè)技術(shù)對(duì)比

2.2.2 支撐結(jié)構(gòu)安全性能檢測(cè)技術(shù)

鋁合金型材是玻璃幕墻的主要支承結(jié)構(gòu)，承受著玻璃面板傳來(lái)的各種荷載，對(duì)幕墻安全性起著至關(guān)重要的作用。膜厚是鋁合金型材質(zhì)量檢測(cè)的基礎(chǔ)項(xiàng)目，而鋁合金型材的硬度直接關(guān)系材料的受力，是檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)安全性的重要力學(xué)指標(biāo)之一。因此，鋁合金型材承載能力的主要檢測(cè)指標(biāo)包括：鋁合金型材膜厚和硬度[13]。

現(xiàn)階段對(duì)玻璃幕墻鋁合金型材硬度的檢測(cè)通常采用韋氏硬度計(jì)測(cè)量，膜厚的檢驗(yàn)方法較多，包括渦流測(cè)厚儀、橫截面測(cè)量法和超聲測(cè)厚儀等。渦流法是常規(guī)檢測(cè)方法，具有無(wú)損、方便、快速等特點(diǎn)，適用于施工現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)、生產(chǎn)與驗(yàn)收檢測(cè)等；橫截面測(cè)量法需將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，測(cè)量準(zhǔn)確，是一種仲裁性檢測(cè)方法，但試樣制備復(fù)雜且破壞型材；超聲波測(cè)厚儀由于具有高精度自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中被廣泛應(yīng)用。

2.2.3 其它相關(guān)檢測(cè)技術(shù)

無(wú)論是玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)松動(dòng)損傷還是結(jié)構(gòu)膠的老化失效均會(huì)導(dǎo)致玻璃面板的松動(dòng)，從而引起玻璃振動(dòng)頻率的變化，基于這一原理，陳振宇等人[14]提出一種基于FFT功率譜實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠脫粘長(zhǎng)度的檢測(cè)，即通過(guò)玻璃面板板中激振與測(cè)點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)的分析，對(duì)信號(hào)功率譜進(jìn)行的測(cè)試研究，但該檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際的幕墻檢測(cè)工作中局限性較大，只適用于已失效結(jié)構(gòu)膠的脫粘長(zhǎng)度的檢測(cè)，不能對(duì)將要失效的膠體做出預(yù)警。

劉小根等[15]研發(fā)的玻璃幕墻面板松動(dòng)動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)儀，通過(guò)振動(dòng)測(cè)試方法獲得幕墻玻璃的固有頻率來(lái)識(shí)別玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)松動(dòng)損傷及其結(jié)構(gòu)膠的老化程度，按幕墻玻璃頻率與其失效概率關(guān)系建立起玻璃幕墻頻率安全等級(jí)區(qū)間，在現(xiàn)場(chǎng)就可對(duì)結(jié)構(gòu)膠的服役現(xiàn)狀（如結(jié)構(gòu)膠的脫膠部位、脫膠的長(zhǎng)度、粘結(jié)強(qiáng)度是否高于臨界強(qiáng)度等）進(jìn)行識(shí)別，方法輕便、快捷，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。

林圣忠等人[16]提出了以動(dòng)應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠損傷檢測(cè)方法，實(shí)驗(yàn)研究表明測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變值隨結(jié)構(gòu)膠損傷而改變，隨損傷程度增大而增大。應(yīng)變測(cè)試精度高，數(shù)據(jù)處理、采集方便。

以上這些研究方法都是應(yīng)用于隱框玻璃幕墻的安全評(píng)定工作，且不能對(duì)缺陷類型進(jìn)行識(shí)別，也不能對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行定量的測(cè)定。

3 結(jié)語(yǔ)

為了解決建筑玻璃幕墻使用帶來(lái)的嚴(yán)峻的城市公共安全問(wèn)題，玻璃幕墻檢測(cè)技術(shù)的安全性、效率和精準(zhǔn)度也不斷提高。通過(guò)對(duì)既有玻璃幕墻的風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備的歸納和對(duì)比，整體上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其工程應(yīng)用，尤其是玻璃幕墻內(nèi)部應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，且已研發(fā)的測(cè)試技術(shù)均存在較大的局限性，如檢測(cè)對(duì)象會(huì)局限于中空玻璃或隱框玻璃、檢測(cè)類型會(huì)局限于結(jié)構(gòu)膠長(zhǎng)度或鋁型材副框，檢測(cè)條件會(huì)局限于實(shí)驗(yàn)室或室外檢測(cè)等，將來(lái)有必要研究確定一個(gè)實(shí)用且普適性強(qiáng)的指標(biāo)，如缺陷類型、膠體強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系等指標(biāo)。因此，開(kāi)發(fā)既有玻璃幕墻的安全性檢測(cè)技術(shù)任重而道遠(yuǎn)。