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摘要：针对建筑外墙饰面贴砖突发性脱落并导致城市灾难事故的问题，提出了通过振动测试方法获得饰面贴砖的固有频率来识别其脱粘失效，并预测其脱落风险。基于ANSYS数值模拟，分析了不同脱粘比率后饰面贴砖的固有频率值及其变化规律,结果表明，随着脱粘比率的增大，饰面贴砖的固有频率不断下降，当脱粘比例达到20%时，其固有频率值下降约45%，当脱粘比例达到50%时，其固有频率值下降约76%。给出了基于固有频率变化的建筑外墙饰面贴砖脱粘失效检测原理、方法及评价标准。最后，通过一个实例分析，验证了该方法的实用性和可靠性。
关键词：饰面贴砖；固有频率；失效检测；脱落风险
引言
自上世纪80年代以来，我国城市建设进入了高速发展阶段，尤其是北京、上海、广州等大城市相继建造了大量高层民用与工业建筑，这些建筑90%以上使用了建筑外围护结构。外围护结构就像给城市建筑物披了一件华丽的衣裳,不仅保护了建筑物受外界环境冲击作用,还具有装饰、保温、节能等功效。作为建筑外围护结构体系的一种，饰面贴砖被广泛应用于我国的民用与工业建筑的外墙装饰中。由于环境影响或施工质量等原因，饰面贴砖与混凝土或砖墙基层之间经常会产生脱开现象，且随着时间的推移，在雨水、强风、温度、融冻循环等作用下，脱开面积会逐渐增大，最终会导致饰面层从基层上剥离、脱落。饰面层是整个建筑外围护体系安全性能最薄弱区域，其高空整体脱落成为影响城市公共安全隐患的重要因素之一，脱落后也严重影响了建筑整体外观形象，并丧失了对主体结构的保护作用。因此，检测饰面贴砖脱粘情况，并采取相应对预防措施，以实现避免该类事故的发生。
目前，国内外主要针对外墙饰面层的施工工艺、质量控制与工程应用等方面进行了广泛的研究和探讨[1-4]。在饰面贴层的内部粘结缺陷检测方面，目前主要检测方法有拉拔法、敲击法、外观检查法及红外热像法等[5-8]。其中敲击法、外观检查法均属于定性检测，检测精度低，容易出现遗漏。拉拔法属于局部破损检测，实验时抽样数量受到很多限制，不适合于大面积检测及对脱粘区域精确定位。红外热像法因其可实现远距离、实时、大面积扫描建筑外墙饰面等优点成为研究热点，有关部门相继出台了相应的检测标准，并成为目前建筑外墙饰面砖粘结缺陷检测最普遍的方法。但实践中发现，红外热像技术受天气、拍摄角度、拍摄距离以及红外图像的分析判断等因素影响，时常出现误判，另外红外热像法也不适用于采用混色饰面砖或涂料，以及表面有较大凹凸装饰的饰面层[9]。本文提出了一种通过振动测试获得饰面贴砖的固有频率，并基于频率的突变及相对比较来定量的判定饰面贴砖的内部粘结失效，以实现评价其脱落风险，为既有建筑外墙饰面层的维护、维保及更换提供检测判断依据。
1 饰面贴砖粘结失效振动测试原理
结构的动态性能是结构的一种固有特性，由于边界条件的改变、结构损伤都能引起结构等物理参数的改变，实际表现为结构动力响应（如固有频率、振型、阻尼比等）的变化。
根据式（4）可简便地求得的满足边界条件的、函数形式的非零解，从而求得相应的值，然后再用（3）求得相应的频率。
被贴于墙体上的饰面贴砖，其本身可作为一种结构，当饰面贴砖本身性态（如尺寸、力学性能参数等）不发生改变时，则饰面贴砖的边界支撑条件改变会导致其固有频率及振形发生变化。当饰面贴砖满贴且粘结牢固时，其固有频率较大，当饰面贴砖未满贴或粘结不牢固时，其固有频率会相对较小。由于饰面贴砖采用的水泥胶粘剂与墙体粘结在一起，在使用过程中，胶粘剂的脱空、粘结失效，其实际表现为饰面贴砖的支承边界条件发生松动损伤，并导致饰面贴砖的刚度衰降，从而使饰面贴砖的固有频率下降。因此，现场只要检测或监测饰面贴砖的固有频率变化及其衰变量，并进行横向比较，即可发现被检测的饰面贴砖是否存在失效及失效程度，进而评价其脱落风险。
2 饰面贴砖脱粘比例对其固有频率影响的ANSYS分析
为了解不同脱粘比例对饰面贴砖的固有频率影响，采用ANSYS数值软件进行模拟，建模时，选择石材贴砖厚度为15mm，石材长宽尺寸为500mm×350mm，弹性模量为50GPa，泊松比为0.3，密度为2500kg/m3。采用 shell elastic 4node 63单元，对该块石材贴砖进行不同脱粘情况下的振动模态进行分析，计算其模态频率和振型。ANSYS模拟时，通过约束节点的位移和转动，以模拟该位置被粘结紧固，而未被约束的节点（自由）视其为脱粘失效。ANSYS数值模拟结果见表1所示。
分析结果表明，在脱粘失效区域，其模态振幅明显增大，且振幅增大区域随脱粘区域增大而增大。模态频率随脱粘失效区域的增大而减小，且模态频率值与与脱粘比例呈指数关系（见图1）。饰面贴砖的脱粘失效后，其固有频率值会明显衰降，由图1可以看出，当脱粘比例达到20%时，其固有频率值下降约45%，当脱粘比例达到50%时，其固有频率值下降约76%。因此，现场检测时，我们只需对结构及尺寸相同的所有待检测样品的固有频率进行测试，并对其固有频率进行高低排序。显然，频率越低的饰面贴砖，其脱粘比例越大，坠落风险更大。
图1饰面贴砖模态频率与其脱粘比率的关系曲线
3 基于固有频率变化的饰面贴砖脱粘失效现场检测及脱落风险评估
3.1检测装置
检测装置包括饰面贴砖激励装置、信号接收装置、信号处理装置与分析系统。
信号激励采用刚性木质锤，信号接收装置采用位移或加速度传感器，要求频率响应范围大于0.5 Khz ~5Khz范围，激励与接收位置应在所测饰面贴砖板块几何中心部位，以便更容易激起一阶频率的振动。将接收信号放大后利用信号分析仪进行波谱和FFT适时分析, 且要求最高采样频率高于51.2KHz。将分析后的数据用电脑和相关配套的软件进行处理, 得到振动频谱图, 从频谱图上提取面板的一阶振动固有频率。
3.2 检测步骤
1）现场测量饰面贴砖尺寸，采用卷尺测量，精确至1mm；
2）利用振动测试设备测量饰面贴砖的固有频率，每块幕墙面板必须测量三次以上，精确到0.1Hz,如同一块面板测量频率相差5%以上，需重新测量，固有频率取三次测量数据的平均值；饰面贴砖的频率通过频谱图读出。为了获得良好且易识别的振动频响函数曲线，测试人员需要针对现场测试条件，调整测试参数。
3.3 饰面贴砖脱落风险等级划分
3.3.1相对比较法
饰面贴砖相互之间是一个单独的单元体，不同饰面贴砖之间的安全性态会存在一定的差别，某块饰面贴砖的破损或脱落基本上不会影响其他饰面贴砖的使用。相对比较法是通过相互之间的比较，找出可能出现脱粘失效的饰面贴砖。相对比较法是建立在同条件下的基础之上的[12]，也就是说相互比较的饰面贴砖应该是品种、形状尺寸、支承方式及材料、施工工艺等均应一样。对于同一工程的饰面贴砖来说，基本上能满足上述几个条件（至少能分几个批次地满足），因此就给相对比较法提供了条件。
在完成现场测量所有需要检测的饰面贴砖的频率后，将具有相同条件的饰面贴砖分批比较，显然，频率越高的饰面贴砖，其安全性越高，而对于那些频率明显偏低的饰面贴砖，就应该引起注意，此时，可对那些频率偏低的饰面贴砖进行更加细致的观察和检测，找出可能出现的问题及其严重程度。
3.3.2 划分安全频率区间法
划分安全频率区间法是将某已知品种、结构、形状尺寸、边界支承条件相同的饰面贴砖，对其安全等级事先按频率值的大小区间进行划分，当实测同条件下饰面贴砖的频率处于哪个频率区间范围时，我们就认为该块饰面贴砖处于这个频率区间对应的安全等级范围内。
划分安全频率区间法首先需确定安全频率标准值，其确定方法如下：对所测同一批次且具有相同尺寸的建筑外墙饰面贴砖的固有频率值进行大小排序，选择固有频率最大值对应的饰面贴砖，按《建筑工程饰面砖粘结强度检验标准》(JGJ 110-2008)进行拉拔试验，当试验结果值满足要求时，则该固有频率值可作为该检测批次的安全频率标准值，当试验结果值不满足要求时，则可判断该检测批次的所有饰面贴砖均存在安全隐患。作者根据表1中ANSYS分析结果，结合工程实践检测经验，给出了表2的划分标准。
3.4 现场检测实例
某大厦外墙装饰采用陶瓷贴砖，陶瓷板规格全部相同，厚度为8mm，长宽尺寸为500mm×360mm，陶瓷与墙体之间采用水泥砂浆粘贴。采用振动测试仪，按本文3.2节的方法对陶瓷砖固有频率进行测试，测试得到的典型振动波形见图2所示，振动频谱见图3所示，根据图3的峰值，可得到陶瓷砖的振动固有频率。现场共测量了16块陶瓷砖，其固有频率现场测试值见表3所示。根据本文3.3.2节给出的方法，得到频率最大值陶瓷砖编号为2号（245.0Hz)，对该块陶瓷砖按JGJ 110-2008标准进行拉拔试验，得到其粘结拉伸强度为0.8MPa，满足要求。因此，该检测批次的陶瓷砖的安全频率标准值可定为0.8MPa。对该批次所测陶瓷砖固有频率与安全频率标准值进行比较，按表2规定，确定的所测陶瓷砖安全等级见表3所示。由表3结果显示编号为7号陶瓷砖安全等级为级别，8号陶瓷砖安全等级为级别为级别，其余为级别。对8号陶瓷砖按JGJ 110-2008标准进行拉拔试验，得到其粘结拉伸强度为0.3MPa，显示了其粘结性能不满足要求，与本方法测试结果相符。
图3 陶瓷砖振动典型频谱图
4 结论
1）ANSYS数值模拟分析结果表明，随着脱粘比率的增大，饰面贴砖的固有频率不断下降，饰面贴砖频率与其脱粘比率的关系曲线为指数关系。当脱粘比例达到20%时，其固有频率值下降约45%，当脱粘比例达到50%时，其固有频率值下降约76%。
2）对所测同一批次且具有相同尺寸的建筑外墙饰面贴砖的固有频率值按大小排序，选择固有频率最大值对应的饰面贴砖进行粘结拉伸试验，如其结果值满足要求时，则该最大固有频率值可作为该检测批次的安全频率标准值。
3）现场检测实例证明了饰面贴砖是一个比较容易、精确获得的参数，采用测量饰面贴砖频率值可快速、方便地检测到饰面贴砖脱粘区域，并可评价其坠落风险等级。
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论文作者:王文欢
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/15
标签：饰面论文; 频率论文; 外墙论文; 建筑论文; 结构论文; 测量论文; 测试论文; 《建筑学研究前沿》2017年第9期论文;