激光測振儀在金屬幕墻安全檢測中的應用研究

金叔閣， 李 偉， 謝謨文， 陳 晨

(1. 南京市建鄴區應急管理局，江蘇 南京 210019; 2. 北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083)

0 引 言

中國建筑幕墻經過近40年的飛速發展，從幕墻材料、幕墻體量、支撐形式及保溫防護等方面都得到了極大發展，幕墻技術不斷創新和進步[1]。從簡單的玻璃幕墻，到點支金屬幕墻[2]，雖然這些幕墻系統不分擔主體結構所受作用，扮演著建筑外圍防護結構或裝飾性結構的角色，但是維護其結構的安全性有著十分重要的意義[3-4]。隨著服役年限的增加和外界環境如重力荷載、風荷載、穩定等影響，金屬幕墻從小到漏雨、結構外表皮侵蝕，大到破裂甚至墜落等嚴重的安全事故造成財產損失、人身傷害和社會負面影響。因此，對既有建筑金屬幕墻進行有效的安全檢測具有極大的工程意義[5-6]。

傳統檢測金屬幕墻安全性的方法為人工目視檢測，憑借工人經驗，缺乏一種科學的檢測手段[7]。而幕墻脫落等安全事故的頻發，帶來了極大的社會影響，也得到了國內外學者的重視[8]。劉小根、包亦望等[9-10]采用常規接觸式振動傳感器對明框幕墻進行了穩定性檢測，并提出了固有頻率作為判斷幕墻穩定性的可行性方法。方治華、羅文奇等[11]采用有限元模擬軟件對不同約束情況下的玻璃幕墻進行了模態分析，提出了基于模態曲率變化來對幕墻結構膠進行損傷識別的方法。國外學者Efstathiadesa等[12]采用人工神經網絡對幕墻進行了安全檢查和損傷識別。然而，上述檢測方法依然存在數據獲取依賴條件較多，時效性差以及無法實現100%覆蓋式檢測金屬幕墻安全性等諸多問題。基于此，本文首先分析了能直接反應金屬幕墻安全性的動力學特征參數：振動頻率和斜度，為激光測振技術的遠程、快速準確的安全檢測提供可行性指標；再以深圳寶安國際機場外圍結構上的點支式金屬幕墻為研究對象，同時采用遠程激光測振儀（LDV）和傳統接觸式振動傳感設備對金屬幕墻進行約束螺母松動性驗證測試，獲取動力特征參數對比分析。結果表明，將LDV應用在金屬幕墻的安全檢測中具有可行性，且與傳統接觸式傳感器具有明顯優勢。遠程激光測振儀在建筑結構的快速安全檢測中具有較好的應用前景。

1 金屬幕墻動力特征理論分析

金屬幕墻的固有頻率、阻尼比等模態特征參數可反映幕墻整體安全狀態，但受制于數據處理復雜，外界環境干擾等因素制約，難以大范圍的得到實際工程應用[13-14]。通過振動采集設備可以得到金屬幕墻以時間為橫軸，速度或位移為縱軸的時域曲線，進而得到多種動力特征參數。本次研究采用振動方差和斜度作為幕墻整體安全狀態判斷的動力特征參數。

振動方差表示振動數據的離散程度，其值越大，振動越分散，幕墻安全性越低，反之亦然。振動方差計算公式為：

斜度表示振動數據偏離平衡位置的程度與方向，其值的正負號表示不同的方向，大小表示偏離程度。斜度計算方式為：

當金屬幕墻的節點、支座聯接處約束力發生變化時，導致整個幕墻單元安全狀態發生變化，從而導致其振動特征發生變化。通過振動方差和斜度的變化特點，可得到金屬幕墻的安全狀態變化。本文以深圳國際機場金屬幕墻為測試對象，采用LDV和常規接觸式振動傳感器進行對比測量分析。

2 儀器設備

2.1 常規接觸式振動傳感器

常規接觸式振動傳感器采用北京東方振動和噪聲技術研究所研發的DASP模態測試分析設備。該設備主要由振動采集儀、分析軟件、振動傳感器和力錘組成，設備參數見表1。

表1 DASP傳感設備技術參數

2.2 激光測振儀

試驗采用德國POLYTEC公司的RSV-150型多普勒遠程激光測振儀。該設備測量距離達到300 m，采樣頻率范圍 0～25 kHz，速度精度優于0.5 μm/s，位移精度達到0.3 nm。其工作原理是He-Ne激光器發出一定頻率的偏振光，由分光鏡分成兩路，一路作為參考，一路用于測量。測量光由于被測物體振動，引起其波長發生變化即多普勒頻率。系統探測器通過收集反射光與參考光產生的干涉信號，從而得到被測物體的振動信息，最后經過簡單的數據處理，就可以得到金屬幕墻的振動頻率和斜度等動力特征參數。LDV設備采用光學部分與信號處理部分分離的方式，減少了元器件對信號的干擾。與傳統接觸式振動采集設備相比，其非接觸式、快速準確的特點使得其在應用方面具有明顯優勢，且其采集頻率范圍和采集精度遠高于傳統接觸式采集設備。圖1和圖2分別為激光測振儀設備和工作原理圖。

圖1 LDV激光測振儀設備

圖2 LDV工作原理

3 現場試驗及結果分析

3.1 工程概況

深圳寶安國際機場航站樓外圍采用內外表皮系統形成，如圖3所示，其表皮由通過螺母固定在桁架結構上的多邊形金屬幕墻單元組成。借助大空間鋼桁架結構組成的蜂巢式屋面采用透光部分的玻璃幕墻及不透光的金屬幕墻組成復雜的三維立體結構，其內外表皮面積達到23萬平方米。整個屋面有25 000多個蜂巢單元，采用活動的可調節機械螺栓連接骨架與支座的方式，實現金屬幕墻框架任意角度之間的變換。金屬幕墻面板也通過螺母固定在框架結構中，如圖4所示，從受力約束來看，金屬幕墻為典型的點支式幕墻結構。

圖3 深圳機場金屬幕墻

圖4 螺母約束下的金屬幕墻

3.2 現場試驗

為驗證LDV在金屬幕墻安全檢測上的適用性，選取常規接觸式振動傳感器DASP模態測試分析設備和LDV對同一金屬幕墻單元進行同步測試，采集其振動數據對比分析。

如圖5所示，選取矩形金屬幕墻作為測試對象，依次松動八個約束螺母形成多種安全狀態下的幕墻工況，同時分別將DASP設備的傳感器粘接在幕墻面板中心位置，為便于測試結果對比，將LDV測點打在DASP設備粘接處的附近。采樣頻率均設置為1 000 Hz，采集時長設定為 6 s，測試時采用橡膠錘對幕墻進行人工激勵。

圖5 測試環境

3.3 結果及分析

圖6為采集設備獲取的幕墻時域曲線，橫軸為時間，縱軸為振動速度。

圖6 數據采集時域曲線

表2為DASP設備和LDV設備在不同工況下的金屬幕墻采集的時域曲線經過公式（1）、公式（2）得到的振動方差和斜度動力特征參數值。由表2可以看出，隨著松動螺母個數的增加，金屬幕墻安全性降低，振動方差值變大，斜度變小，且LDV設備和DASP設備得到的參數具有相同的變化趨勢。

表2 測試結果

依據式（3）計算兩設備所測結果的相對誤差，發現兩者測得的振動方差相對誤差最大值為9.8%，最小值為5.2%，斜度相對誤差最大值為7.3%，最小值為2.0%。這表明采用LDV測量金屬幕墻的振動動力特征參數與接觸式的DASP設備測得的結果基本一致。不同松動螺母個數下，金屬幕墻的振動方差和斜度相對誤差對應變化如圖7所示。

圖7 測試結果及誤差分析

為進一步分析動力特征參數變化與幕墻安全狀態變化之間的對應關系，振動方差和斜度相較于固有頻率模態參數的優勢，首先通過LDV設備采集的金屬幕墻時域曲線經過快速傅里葉變換得到不同工況下的固有頻率值，然后求出各參數相鄰工況的變化率，結果如表3所示。結果表明：振動方差變化率和斜度變化率均大于固有頻率變化率，振動方差和斜度更能明顯反應金屬幕墻安全變化。隨著金屬幕墻松動螺母個數的增加，其安全性逐漸降低，振動方差以逐漸增大的趨勢進行變化，到松動第7顆時，振動方差變化率達到了2，松動第8顆時，振動方差變化率達到了4.9；同時，斜度絕對值逐漸增大的趨勢變化，在松動第3顆時，其值正負號產生了變化，說明幕墻偏離平衡位置產生了改變。

表3 各動力特征參數變化率

4 結束語

1）采用遠程LDV設備和接觸式DASP模態測試設備對現場同一金屬幕墻進行同步測試發現，隨著幕墻約束螺母個數的減小，其振動方差和斜度兩種動力學指標變化率與幕墻安全性變化具有一致性，且兩種設備的這兩種指標相對誤差最大為9.8%。表明采用遠程LDV對金屬幕墻進行安全性檢測具有技術可行性，同時振動方差和斜度可以作為評價幕墻安全性的檢測指標。

2）將振動方差和斜度與固有頻率變化相比較發現，振動方差和斜度變化率可達4.9倍，對幕墻安全性變化更加敏感。

3）充分利用遠程LDV的非接觸、高頻率和高精度的優勢，快速得到金屬幕墻的動力特征參數即可判斷幕墻安全性。該方法減少了傳感器安裝時間和對檢測對象的損害可能性，提高了檢測效率。結果表明采用LDV檢測金屬幕墻安全性具有明顯優勢。

充分利用激光測振儀的快速、準確以及非接觸式的特點，可在幕墻日常運維檢測、工程驗收等領域得到廣泛的應用。