既有玻璃幕墙结构胶损伤检测方法研究综述

包 磊 宁波工程学院建筑与交通工程学院

黄 城 宁波工程学院建筑与交通工程学院

陈文博 宁波工程学院建筑与交通工程学院

肖自仁 宁波工程学院建筑与交通工程学院

1 前言

玻璃幕墙是建筑幕墙的一种，源于现代建筑理论中自由立面的构想，它由支撑结构与玻璃面板组成，多以垂直向布置在建筑结构物的表面，以承受水平风荷载为主，并通过支撑结构将荷载传递给建筑主体。玻璃幕墙相对于建筑主体结构可产生一定的位移，不分担主体结构受力[1]。

相比于其他建筑幕墙，玻璃幕墙具有装饰性强，采光性能佳，自重较轻，科技感和现代感强，材料供应充足，施工工艺成熟且方便，施工造价低等诸多优点。因此在现代都市建筑物中，玻璃幕墙被大量采用。玻璃幕墙的广泛应用，也很大程度上提高了现代主义建筑美学。

玻璃幕墙在国外的发展较早，1851 年在英国伦敦建造的国际博览会“水晶宫”被认为是玻璃幕墙的雏形[2]，此后在西方国家，玻璃幕墙被大量的采用。我国在1984年竣工第一座真正意义上的玻璃幕墙建筑物——北京长城饭店，且当时的玻璃幕墙均从西方进口，这也标志着我国玻璃幕墙工业的开始。

2 玻璃幕墙现状

我国的玻璃幕墙工业虽然起步较晚，但得益于社会经济的快速发展，玻璃幕墙的发展和应用也十分迅速。目前中国已是全球最大的玻璃幕墙生产和使用国，既有的玻璃幕墙存量已经超过了2 亿平方米，占全球的85%，而中国的玻璃幕墙产量则占全球的75%以上，已经成功应用于欧洲第一高楼——俄罗斯联邦大厦和世界第一高楼——迪拜哈利法塔。在可预见的未来，我国玻璃幕墙的应用将更为广泛且逐年增大。

2.1 玻璃幕墙应用现状

支撑玻璃幕墙产业快速发展的是幕墙玻璃、结构胶、密封胶和合金材料等相关产业。其中关系到玻璃幕墙粘结安全的粘结结构胶，密封胶封等是制约玻璃幕墙更安全可靠发展的关键因素。根据现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2018）的有关规定，建筑物玻璃幕墙的设计年限一般为25 年，而相关的粘结结构胶的质保期限一般仅为10 年，10年后玻璃幕墙的质量普遍由业主负责[3]。因此，现阶段很大一部分玻璃幕墙都已经超过了结构胶的质保期限，留下了极大的安全隐患。尤其是上个世纪施工建设的玻璃幕墙，还伴随着由于施工设计不成熟、施工技术落后和施工监管缺乏等，导致施工质量难以保证，使得很大一部分玻璃幕墙都具有结构胶老化、支撑能力降低、稳定性变差、可靠性不足等问题。

玻璃幕墙脱落和掉落往往会造成十分严重的人身财产损失。2014 年北京朝阳区某建筑物的玻璃幕墙掉落，造成一死一伤；2017 年广东省某大厦的玻璃幕墙在台风的影响下大面积脱落，造成重大经济损失。玻璃幕墙给我们的建筑结构外观设计带来了质的飞跃，但由于玻璃幕墙损伤导致的高空坠落事故却时有发生，造成的人身财产损失也十分巨大，因此，探究玻璃幕墙的失效模式和原因，并发展玻璃幕墙的检测技术具有重大的社会意义和经济意义。

2.2 玻璃幕墙失效模式及原因

朱璇的研究表明，玻璃幕墙在使用过程中，主要存在幕墙玻璃自爆、金属连接杆件松动、粘结密封材料失效而引起的玻璃幕墙失效模式[4]。

幕墙玻璃通常采用钢化玻璃，因此幕墙玻璃自爆也可称为钢化玻璃自爆，是指玻璃在不受到外力冲击的情况下自己开裂，甚至破摔的情况。钢化玻璃自爆主要由两方面的原因，一是玻璃制作过程中存在的肉眼可见缺陷，例如结石，砂砾，气泡，划边等，但此类缺陷可以通过严格控制玻璃生产过程，提高检测控制等方法加以控制和剔除；二是由于耐高温炉中都含有硫化镍，使得玻璃面板在生产过程中不可避免地掺入了硫化镍，并以高温下α 晶体和常温下β 晶体的形式存在于玻璃中，α 晶体转变成β 晶体会伴随着2%～4%体积的膨胀，使玻璃承受较大的内应力，导致钢化玻璃自爆[5]。

金属连接杆是固定幕墙玻璃及将其与建筑主体连接在一起的结构，并将幕墙玻璃自身重量以及作用在幕墙上的荷载传递到建筑结构主体上。目前金属连接杆多采用合金材料，材料强度高且可靠，而连接方式多采用螺栓连接，铆钉连接和焊接等，并且都要在现场施工，施工过程中不可避免的会存在施工缺陷等问题，这是造成连接件在长期使用过程中失效，连接杆松动的主要原因之一。连接杆的松动，会直接导致幕墙玻璃的松动，甚至会使得幕墙玻璃脱落，造成严重后果。

粘结密封材料失效则是目前玻璃幕墙损伤最常见也是影响最大的原因，即粘结结构胶和密封胶失效引起了幕墙玻璃松动，降低了整体稳定性，使其在环境外力作用下发生掉落。粘结密封材料失效主要可分为产品质量问题，长期复杂受力老化问题，超年限使用问题等。其中，随着监管体系的完善和材料科学的进步，产品质量控制和复杂受力老化问题已经可以较好解决，但是超年限使用问题是目前玻璃幕墙产业中普遍存在，且亟待解决的问题。相关建筑规范中对建筑玻璃幕墙25年的设计年限、对结构胶10 年质保期限，出现了明显的使用年限不匹配的问题，并且早已满足不了现代玻璃幕墙产业发展的需求[6]。

面对早期建设完成、使用已远超10 年、且数量庞大的玻璃幕墙，开发可靠、有效、快速的玻璃幕墙检测技术是十分重要且必要的。

3 玻璃幕墙检测技术

随着玻璃幕墙的长期使用，连接杆松动、粘结密封材料失效引起的玻璃面板支撑体系损伤问题逐渐突出，导致幕墙玻璃或框架体系的约束条件发生变化，直接表现为玻璃面板的松动，甚至脱落。各国学者针对玻璃幕墙约束条件的变化和支撑体系的损伤探索研究出的检测措施主要可分为无损检测和有损检测两种。有损检测主要是依据《玻璃幕墙工程质量检验标准》进行现场拉拔试验及现场取样实验室测试，整个过程复杂繁琐、工作量较大，不适合现有的大工程玻璃幕墙的检测要求。无损检测是目前科研人员主要的研究方向，包括外观观察法、声波检测法、动应变检测法、振动信号检测法、射线检测法等。

3.1 声波检测法

声波检测法是利用了声波在不同介质中传播会产生折射和反射的特点而设计出来的一种检测玻璃幕墙胶结材料损伤情况的方法。在对玻璃幕墙检测时，将超声波射入玻璃幕墙的胶结材料，当遇到损伤、缺失的结构胶时，超声波会在界面处产生折射和反射，再通过专业的仪器收集这些超声波信号，并进行分析处理，最终得到结构胶的具体损伤位置。

胡绍海等人对超声波检测法做了大量且深入的研究。首先利用超声波检测的特征参数对玻璃幕墙结构胶的缺陷进行了分析和研究，并对结构胶的缺陷做了细致的分类，为超声波检测结构胶缺陷的可行性提供了理论和事实依据。基于超声波特征参数分析的基础之上，又进一步提出了利用声波发射技术的超声脉冲回波法来检测结构胶的缺陷位置或低强度位置，并且在实际工程应用中获得了令人满意的结果。超声波检测法具有灵敏度较高，成本较低，可以定量检测等优点[7]。

3.2 射线检测法

射线检测法主要通过红外线或X-射线来对玻璃幕墙的结构胶进行检测的方法。红外线检测法是利用外部可移动加热源对玻璃幕墙的胶结材料进行热激励，并同时用红外线检测仪或者热成像仪等收集受热后的胶体表面温度，转换成热图像，通过温度差异来直观、可靠、快速地分辨结构胶的缺陷位置和大小。许维蓥还在此方法的基础上，开发和搭建了玻璃幕墙结构胶损伤热波检测平台，推进了玻璃幕墙检测标准和方法的发展[8]。

而X-射线检测法的原理则类似于医院的拍片和车站等地的安检，充分利用X-射线穿透力强的特点，利用X-射线照射玻璃幕墙的胶体结构，并依据X-射线的衰减来进行检测，这样的检测方法对于结构胶的蜂窝型缺陷十分有效[9]。无论是红外线检测法还是X-射线检测法都具有自动化程度高，识别准确等特点，但是都需要较为昂贵的配套设备，前期投入成本较大，且设备体积普遍较大，在工程实际检测中较为不方便，相关配套设备的小型化和低价化是未来的发展方向之一。

3.3 振动信号检测法

振动信号检测法主要是通过对玻璃幕墙进行一个激振，测量激振反馈的频率和振型并对信号进行处理，从而实现对玻璃面板及周围结构胶的检测。在实际操作中，通常采用橡胶锤激振玻璃幕墙，获得振动信号，但对于数量巨大的待检测的玻璃幕墙而言，橡胶锤的激振措施会略显效率低下。玻璃幕墙支撑体系，包括金属连接杆和结构胶，经过长时间的外力作用以及侵蚀必然会发生老化，导致玻璃幕墙出现松动和损伤，其固有频率也会发生衰减，使其抵抗外力作用的能力急剧下降。

通过对玻璃面板频率的检测分析，可以建立幕墙玻璃的约束状况与频率之间的关系，再通过数学方程对结构胶的损伤情况进行判断，最后可以通过增加检测测点间接地找出玻璃受损的位置。根据频率变化率来确定损伤位置并判断损伤长度是较为有效和可靠的，尤其是采用低阶模态的变化率可以更有效的确定损伤位置，因此在实际操作中可以采用较少的测点来检测损伤位置和程度，极大地降低了检测工作量，但相应的计算及分析方法依旧相对较为繁杂。

通过振动信号检测玻璃幕墙的损伤，张元植等人以自振频率为振动信号，对玻璃幕墙振动测试方法做了深入研究，探究了边界约束条件和幕墙尺寸与玻璃幕墙基频的关系，通过分析结果与实际结果比较，指出振动测试法是一种可行的现场检测方法[10]。刘小根等人也通过脉冲激振的方法获得幕墙玻璃的固有频率，用以识别玻璃幕墙的松动与损伤程度，并依据幕墙玻璃的固有频率与边界支撑条件之间的变化衰减关系，建立起了一套以幕墙玻璃固有频率变化来评价支撑结构和边界条件松动损伤及玻璃脱落风险的标准[11]。

激励作用下的玻璃面板的动态应变也可作为动态信号的一种。玻璃幕墙周围的结构胶老化、脱胶会降低这些部位对玻璃面板的约束，使这些部位会的在激励作用下的动应变大于其他结构胶完整的部位。因此，通过相关应变检测仪测量出来的玻璃四边振幅和动态应变也可以很好的识别结构胶与玻璃面板的损伤部位和脱胶状况。

4 玻璃幕墙损伤检测技术新发展及应用

玻璃幕墙往往具有面积大，数量多的特点，因此在其他产业中适用的抽检方法，并不适用于玻璃幕墙的损伤检测，即使有一块玻璃幕墙存在损伤缺陷，造成脱落，都会对人民的生命财产安全造成严重的威胁。因此，一项良好的玻璃幕墙的损伤检测技术，应具有检测设备便携简单、易于现场操作、检测过程快速、检测结果准确等特点。

通过振动信号来对玻璃幕墙的损伤进行检查是未来损伤检测技术发展的重点。为了探究振动信号，包括频率、振型、频响函数、振动传递率等对损伤检测的有效性和可靠性，许多研究人员甚至将小波变换，Hilbert 包络谱等引入到损伤检测的数据处理中，用以提高对玻璃幕墙安全状态的更快速、准确的评价[12]。激光测振模态分析系统也被用于研究模态参数和玻璃面板稳定状态之间的关系，相关的研究人员也提出了基于承载力和安全系数的幕墙面板稳定性评价模型中固有频率临界值确定方法，并建立了基于远程激光测振技术的建筑幕墙稳定性检测工法[13]，其检测工作效率要远高于用橡胶锤激励的振动信号检测法。

远程激光测振技术可依据动力特征参数评价结构的安全，具有无损可测、为监测预警提供基础与依据等优势。但为了更好的实用性和适用性，需要在提高激光的反射信号强度，快速实现瞄准定位以及降低外界噪声等方面做更深入的研究。

此外，李涛等人还将BIM 技术引入到幕墙结构可靠性检测中，建立可靠性检测数据库，并将检测过程可视化[14]。而近些年发展较为迅速且成熟的无人机技术也被用于玻璃幕墙的检测领域，李雷等人构建了基于无人机和图像处理技术的玻璃幕墙面板损伤检测系统，主要针对玻璃面板会出现的自爆、热炸裂和外力冲击导致的开裂和损伤等进行检测，并进行了实地测量，获得了较好的应用效果[15]。

随着玻璃幕墙的快速多元化发展，玻璃幕墙的种类、结构、形状等日趋多样，包括夹层玻璃、中空玻璃等，为检测技术的发展提供了更大的挑战和机遇。

5 结语

综上可得出以下几个结论。

第一，玻璃幕墙在现代化建筑中应用广泛，但实际使用过程中会存在玻璃自爆、金属连接杆件松动、粘结密封材料失效而引起的玻璃幕墙失效情况。

第二，使用年限较长的玻璃幕墙易存在松动、脱落的安全隐患，一旦掉落会对生命财产安全造成巨大威胁，因此对玻璃幕墙的损伤检测十分必要且重要。

第三，橡胶锤激励玻璃虽然是一种获取振动信号很有效的方法之一，但是对于数量巨大的检测对象，需要尝试更为方便、高效、快捷的激励方法来获得动态响应。

第四，玻璃幕墙的检测技术大致上可以分为声波检测法、射线检测法和振动信号检测法，每种方法各有优势，射线检测法和振动信号检测法是较有发展前景的方法，其中，射线检测法精度较高，但设备昂贵且不便，振动信号检测法是目前被研究得较多的方法，可用的振动信号参数较多，在实际工程中具有较强的适应性。

第五，针对种类多样且发展迅速的玻璃幕墙产业，相关的损伤检测技术也在迅速且全面的发展，在传统常规检测技术的基础上，开发了许多采用新技术的检测方法，包括BIM 技术、无人机技术等。

第六，目前的研究方法用到很多较为精准的仪器，检测结果准确有效，但是对检测人员的技术要求较高，对仪器的精度要求较高，不适宜大规模全方位的使用，所以对现阶段的检测方法进行改良、或者创造出新的检测方法使得检测更为简便高效是十分必要的。