基于模态参数的背栓式石材幕墙背栓位置识别研究

时间：2024-12-27

郑毅，夏冯慧，吴映栋，张大伟

（1.浙江大学建筑工程学院，杭州 310012；2.浙江绿城建筑设计有限公司，杭州 310007）

0 引言

背栓式石材幕墙是石材幕墙的一种连接形式。石材面板背部开孔并通过背栓组合挂件与龙骨固定，因其施工简便，机械锚固，抗震性能高等优点被大量工程使用［1，2］。石材幕墙在实际施工及使用过程中，由于人因失误导致的施工质量问题以及荷载和环境因素会对石材幕墙的安全性造成较大影响。经调查背栓式石材幕墙破坏案例中以背栓连接处破坏为主，主要表现为背栓数量不足（结构胶粘结），背栓未扩张，面板底孔成形差以及铝合金连接件发生松动等工况［3］。由于背栓式石材幕墙的构造特点，实际背栓位置和背栓缺陷通常无法直接观察判断。因此，亟需开发既有背栓式石材幕墙的安全性无损检测技术。

振动信号损伤识别技术在土木工程结构中已被广泛使用［4，5］。刘习军［6］提出了利用振动响应相关性识别简支梁损伤的方法，该方法无需结构损伤前响应信息，且通过提升小波变换改进了移动荷载行驶速度对损伤识别效果的影响。陈振宇［7］通过对玻璃幕墙面板中心进行激振，获取面板不同位置处的脉冲响应信号的功率谱，建立结构胶损伤长度与功率谱主峰频率的对应关系，用于识别结构胶损伤程度。

现有针对幕墙检测技术的研究主要集中于玻璃幕墙结构，包括结构胶性能老化和面板开裂的检测，而对于石材幕墙的安全性评估与检测研究相对较少。因此，文中采用振动测试技术对不同背栓位置工况下的背栓式石材幕墙的振动参数进行研究，为实际工程检测技术应用提供参考。

1 振动测试试验

1.1 背栓位置识别原理

由于背栓式石材幕墙可以近似看作四点固定支撑结构，文中首先利用abaqus中的壳单元对四点固支板进行简化建模，分析其模态振型特征。分析结果如下。

由模态分析结果可知，四点固支板模态振型存在可以识别出四点约束位置，呈现条状分布的短边模态和长边模态见图1、图2，可利用此两阶模态识别背栓位置。

图1 短边模态

图2 长边模态

1.2 试验设计

试验主要以石材面板开孔位置为研究对象，设计了2种不同的开孔位置，具体的试验参数如表1所示。石材面板尺寸及具体开孔尺寸如图3和图4所示。

表1 石材面板几何参数 mm

图3 石材面板尺寸（单位：mm）

图4 石材面板开孔尺寸（单位：mm）

石材为花岗岩，背栓型号为M8。背栓锚固深度与面板开孔深度保持一致。试验结构由石材面板，背栓连接件，钢框架三部分组成。为实现石材面板的挂装，文中设计了如图5所示的钢框架作为石材幕墙龙骨。钢框架整体尺寸为1000mm×1000mm×1400mm，由4根空心方钢管及16块钢梁作为石材幕墙系统中的立柱和横梁。单个平面内分布4块横梁，横梁间距从上到下依次为360、295、360、360mm间距的两块钢梁用于挂装石材面板。钢梁截面尺寸为50mm×15mm，长度为1000mm；空心方钢管截面尺寸为50mm×50mm，壁厚为5mm。石材面板使用如图6所示的铝合金连接件实现与L型支架挂装。试验采用DH5922N东华通用型动态信号测试分析系统作为数据采集平台，对加速度传感器和力锤输出的加速度信号和力信号进行采集。

图5 背栓式石材幕墙试验装置

图6 背栓式石材幕墙试验装置

1.3 测点布置

试验采用移动力锤-固定传感器法，力锤激励位置如图7所示。BS130与BS180石材面板均设置4条测线，包括2条沿面板长度方向测线和2条沿面板宽度方向测线；测点间距布置为10mm。沿石材面板长度方向的测线包含89个测点，沿石材面板宽度方向的测线包含59个测点。

图7 激励点测线布置

测试响应点的选择应遵循在所关注模态中存在较大振幅的原则，且所关注的面板模态皆为对称模态，因此选择面板中心作为加速度响应测量点如图3所示。加速度计采用胶水牢固粘合于石材面板，所测量的加速度方向为垂直于面板振动自由度方向。

2 试验结果分析

2.1 模态频率

两种工况下的模态频率测试结果如图8所示。

图8 各工况模态频率变化

如图8（a）所示，BS180试件不存在短边模态分化，而BS130试件短边模态均分化为两阶固有频率相近的模态，分别与左右背栓的位置存在关联。分析原因主要是挂装石材面板的两根钢梁间距为360mm，为石材面板宽度的3/5，当开孔位置沿面板长度方向距离为540mm，即BS180工况下，开孔间距为面板长度的3/5，此时钢框架与石材面板整体系统的刚度分布处于对称状态，因而不存在短边模态分化；对BS130试件，系统刚度沿面板长度方向分布出现变化导致短边模态分化为两阶相近模态。

由表2可以看出，背栓开孔距石材面板边缘距离会影响背栓式石材幕墙的固有频率。对BS130试件，短边模态1为129.395Hz，短边模态2为139.16Hz，长边模态为270.02Hz；对BS180试件，短边模态为119.141Hz，长边模态为291.016Hz；与BS180试件相比，BS130试件的短边模态增加了8.6%及16.8%，长边模态降低了7.2%。

表2 模态频率及阻尼比测试结果

2.2 基于模态振型的背栓位置识别

通过力锤和加速度传感器获取测线中各测点的频响函数，根据峰值拾取法，提取各测点在短边模态频率和长边模态频率处的频响函数幅值，可实现各测线模态振型识别。在各工况的短边模态与长边模态中，测线振型均呈现出“W”型形态，其中“W”型的两个最低点为背栓式石材幕墙系统中的边界约束，也即背栓的位置。短边模态中最低点表示沿面板长度方向背栓的位置，长边模态中最低点表示沿面板宽度方向背栓的位置。实际工况下，背栓与面板通过铝合金连接件相连，为面接触如图3所示，因此文中定义误差为预测位置与该接触面的最短距离，误差率为该最短距离与面板边长的比值。

BS130工况下，短边模态与长边模态的振型如图9所示。X120测线短边模态1（129.395Hz）中，振型最低点出现在17cm和65cm处，17cm处最低点显示了A点和C点背栓的位置，误差为1.5cm；短边模态2（139.16Hz）中，振型最低点出现在25cm和75cm处，75cm处最低点显示了B点和D点背栓的位置，无误差；X200测线短边模态1（129.395Hz）中，振型最低点出现在17cm和65cm处，17cm处最低点显示了A点和C点背栓的位置，误差为1.5cm；短边模态2（139.16Hz）中，振型最低点出现在23cm和72cm处，72cm处最低点显示了B点和D点背栓的位置，误差为2.5cm；BS130工况下，两条X向测线测试结果取平均值，背栓点沿石材面板长度方向的位置识别结果平均误差为1.4cm，误差率为15.6‰。

图9 BS130-模态振型结果

Y向左130测线长边模态（270.508Hz）中，振型最低点出现在15cm和48cm处，15cm处最低点显示了A和B点背栓的位置，误差为1.5cm，48cm处最低点显示了C点和D点背栓的位置，无误差；Y向左180测线长边模态（270.508Hz）中，振型最低点出现在14cm和47cm处，14cm处最低点显示了A和B点背栓的位置，误差为0.5cm，47cm处最低点显示了C点和D点背栓的位置，无误差；对BS130试件，两条Y向测线测试结果取平均值，背栓点沿面板宽度方向的位置识别结果平均误差为0.5cm，误差率为8.3‰。

对BS180试件，短边模态与长边模态的振型如图10所示。X向120测线短边模态（119.141Hz）中，振型最低点出现在20cm和71cm处，20cm处的波谷显示了A点和C点背栓的位置，无误差，71cm处的波谷显示了B点和D点背栓的位置，无误差；X向480测线短边模态（119.141Hz）中，振型波谷出现在20cm和68cm处，20cm处波谷显示了A点和C点背栓的位置，无误差，68cm处波谷显示了B点和D点背栓的位置，误差为1.5cm；BS180工况下，两条X向测线测试结果取平均值，背栓点沿石材面板长度方向的位置识别结果平均误差为0.4cm，误差率为4.4‰。

图10 BS180-模态振型结果

Y向左180测线长边模态（291.504Hz）中，振型波谷出现在15cm和47cm处，15cm处波谷显示了A和B点背栓的位置，误差为1.5cm，47cm处波谷显示了C点和D点背栓的位置，无误差；Y向右180测线长边模态（291.02Hz）中，振型波谷出现在15cm和47cm处，15cm处波谷显示了A和B点背栓的位置，误差为1.5cm，47cm处波谷显示了C点和D点背栓的位置，无误差；BS180工况下，两条Y向测线测试结果取平均值，背栓点沿面板宽度方向的位置识别结果平均误差为0.8cm，误差率为13.3‰。

由图11可知，两种试验工况下，不同位置X向测线下识别出的背栓点X坐标基本保持一致，不同位置Y向测线下识别出的背栓点Y向坐标基本保持一致，因此，在实际检测中仅需对每块石材面板布置一条X向测线和一条Y向测线即可对四点背栓位置进行识别。

图11 不同测线位置对背栓坐标识别的影响

BS130工况下，背栓位置识别结果如图12所示。A点背栓的识别坐标为（17，47），与预设位置的识别误差为1.5cm；B点背栓的识别坐标为（73.5，47），与预设位置的识别误差为1.0cm；C点背栓的识别坐标为（17，13.7），与预设位置的误差为1.5cm；D点背栓的识别坐标为（73.5，13.7），与预设位置的识别误差为1.0cm；BS130工况下，四点背栓位置的平均识别误差为1.25cm，平均误差率为13.9‰。

图12 BS130-背栓位置识别结果

BS180工况下，背栓位置如图13所示。A点背栓的识别坐标为（20，47），与预设位置的误差为0；B点背栓的识别坐标为（69.5，47），与预设位置的识别误差为0；C点背栓的识别坐标为（20，15），与预设位置的识别误差为1.5cm；D点背栓的识别坐标为（69.5，15），与预设位置的识别误差为1.5cm；BS180工况下，四点背栓位置的平均识别误差为0.75cm，平均误差率为8.3‰。

图13 BS180-背栓位置识别结果