基于光纖傳感技術的建筑幕墻變形監測與分析

孫經緯 （中國建筑第二工程局有限公司，北京 100000）

0 引言

目前，我國幕墻的生產和消費水平已逐步提高，但在長時間的外力負荷、溫度變化、陽光照射下，幕墻的使用壽命大大縮短。且由于降雨等因素的影響，現有的結構支撐松動，結構膠粘劑老化，連接器安全性能下降，嚴重制約著幕墻的安全性。幕墻質量問題日益凸顯，已成為建筑安全的“定時炸彈”。因此，提高建筑玻璃幕墻安全性可有效降低幕墻墜落風險。光纖傳感技術是20 世紀70 年代中期開發的新技術[4]，光纖傳感器是一種將光纖傳感技術應用于建筑結構變形監測領域的傳感器，與傳統傳感器相比，它具有高靈敏度、耐腐蝕性、抗電磁干擾，并且可以實現溫度、應變和其他參數的長期和分布式測量。但目前較少研究光纖傳感技術監測建筑幕墻變形。因此將光纖傳感技術用于建筑幕墻變形監測與分析，可有效提高建筑幕墻的安全性能。

基于此，本文提出的光纖傳感模型是根據多年的實際工作經驗，建立的一種基于光纖傳感器的傳感器模型，以影響因子作為輸入，并以玻璃幕墻穩定結果為輸出，對其穩定性進行研究，研究結果可為玻璃幕墻的檢測提供理論參考。

1 玻璃幕墻臨界頻率確定

以建筑玻璃幕墻為研究對象，基于影響玻璃幕墻安全狀態的主要因素，對不同材料的力學性能進行了研究。本文在對固有頻率約束的基礎上，建立了以固有頻率為基礎的抗震評估體系。同時，幕墻玻璃的橫截面比其厚壁大得多，是一種經典的薄板結構，其動態特性可用薄鋼板理論進行計算。

2 玻璃幕墻臨界頻率的測定

2.1 輸入信號的正向傳播

來自光纖傳感輸入層的信息，通過光纖傳感傳輸到光纖傳感的隱藏層。到達隱藏層光纖傳感的信息由隱藏層的光纖傳感功能處理，然后通過光纖傳感傳輸到輸出層中。如果由隱藏層光纖傳感處理的結果滿足誤差要求，則通過輸出層輸出。

2.2 錯誤反饋處理

在光纖傳感器中，誤差是指實際輸出與期望輸出的差值。在應用光纖傳感器前，必須對其進行培訓和研究。首先，應初始網絡中的權重，一般采用少量的隨機變量。通常，光纖傳感系統要反復地調整各個網絡的權重，反復地進行訓練。若樣本的誤差可以滿足要求，網絡則可以達到收斂狀態，這表明光纖傳感器的訓練是成功的。光纖傳感算法如下。

首先，采樣輸入矢量和輸出矢量分別定義為Xk與Yk，如式（1）、式（2）所示：

采用MATLAB 編程軟件實現基于以上算法的計算公式。加權初始化選取為一個較少隨機數的初始加權因子。在對樣例進行學習之后，在總體的錯誤率為預定目標時，將其終止，保留各層次加權的計算結果。由此可以得出一個輸入矢量與輸出矢量的對應關系。

2.3 穩定性模型的建立

通過光纖傳感模型預測玻璃幕墻的穩定性。在模型預報中，許多因素都會對預報的精度造成一定影響，而在輸入級，影響因子的方法也會對預報效果有較大的作用。在幕墻結構的穩定計算中，光纖傳感模式的預測值主要取決于兩個方面，即玻璃幕墻穩定光纖傳感技術的學習速度和泛化能力。在獲得幕墻幾天的應力應變值基礎上，采用以下四個步驟建立預測框架，根據實際應用中存在的問題，進行詳細的分析，選取一種適用于該項目的光纖傳感模型；玻璃幕墻表面粘貼單模光纖，實時采集主應力值；基于上述兩個步驟，建立了光纖傳感器的傳感模型，并對其進行了試驗研究；采用訓練后的光纖傳感器進行相關預報。

2.4 輸入層內容的確定

2.4.1 風壓的影響

玻璃幕墻在長時間內會受到外力的風荷載，其受力范圍較大，因此受到的影響也比較大。玻璃幕墻在風荷載下，易發生變形，從而使其穩定性降低。在玻璃幕墻設計中，對其抗風壓性能有較高的要求。玻璃幕墻的風壓強度指標，應當以其標準風荷載Wk為基準，不得低于1.0kPa。在風壓阻特性指標下，幕墻支承體系及面板的相對變形和絕對變形不應超過L/180及L/250。

2.4.2 玻璃幕墻結構設計

玻璃幕墻通常與主體框架連接在一起。首先，在建筑結構設計中，確定玻璃幕墻的大小是關鍵問題。體積太大會使整體結構的負荷增大。尺度太小會使整個幕墻變得更加復雜，從而使不確定因素增多。根據工程實踐，建議在單板兩端跨距上橫向受力構件最大變形量不能大于面板兩端跨距的1/500，也不能大于3mm。

3 工程概況

某銀行總部的34 層商業中心大樓是當地的地標性建筑之一，其中幕墻工程總建筑面積為25294m2，工期為12 個月，整體幕墻結構為框架結構，總造價為3967 萬元，辦公樓幕墻工程立面如圖1所示。該大樓玻璃幕墻采用了一種單片的鋼化玻璃。為了對幕墻的健康情況進行評價，以排除安全隱患，并用光纖傳感器對玻璃幕墻進行測試。

圖1 建筑幕墻

根據設計數據，玻璃面板的尺寸為1500mm×950mm×4mm，容許的風荷載標準值為1.49kPa，安全因子為1.7。垂直于建筑物表面的出風口荷載標準值計算公式為：

式中，Wk為風荷載的標準值；αx為高空處的風振動系數；us為風荷載的形狀系數；uz為高度變化系數；Wo為基本風壓。風荷載主應力的相關系數值為：

形狀系數為us=0.8，高度系數為uz=1.95（幕墻高度為113m），基本風壓W0=70Kg/m2=686N/m2。因此，風荷載的標準值wk=1.42×0.8×1.95×668=1520(N/m2)=1.52kPa。風壓力P1=wk=1.52kPa

考慮結構在地震作用下的附加荷載，采用1.6 的安全因子，得到P2=wk=2432（N/m2）=2.43kPa。將設計的風壓取為P3=3000N/m2。建筑玻璃強度校核采用單層玻璃強度，計算公式為：

式中，P 為容許風壓；α 為玻璃強度系數；A 為玻璃；t 為玻璃厚度。通過對玻璃的分析，發現其抗風強度達到8.2kPa，強度完全符合設計要求。

4 結果與討論

4.1 槽鋼層幕墻檢測

在本研究中，使用BOFDA 光纖傳感儀（ftb2505）獲得幕墻結構的固有頻率。BOFDA 的原理是當來自探針激光器和泵浦激光器的光束同時注入光纖的兩端時，會散射出大量的光，從而檢測玻璃固有頻率。光纖為單模光纖，可分為芯層和包層、聚酰亞胺涂層和聚氨酯保護鞘。槽鋼層位于某大樓的10 層，本層20 塊非開放式幕墻玻璃均進行光纖傳感測試。幕墻玻璃板尺寸為1.7m×102m×0.006m，周邊單純支承頻率為18.25Hz，固定支承為36.42Hz。測試結果如表1所示。

表1 幕墻玻璃固有頻率（Hz）試驗結果

由表1 可以看出，基于簡支四邊，頂部幕墻玻璃的FONF 值已經低于FONF的下限，這表明該幕墻的窗框受到了很大的破壞，很有可能會脫落。槽鋼層玻璃面板的三個FONF 值低于FONF 的下限，而其他值高于頻率下限，但低于允許風壓所需的臨界頻率，說明該樓層玻璃幕墻的承載力不符合設計的最低標準，必須進行維修或替換。在避難樓層中，通常出現比其他樓層更大的振動，這表明頂部幕墻的安全系數很低，更容易發生事故。主要由于避難樓層較高，風荷載較大，易導致玻璃幕墻承受更大的荷載。同時可觀察到編號27 位置的固有頻率最大，主要由于幕墻玻璃的震動會導致光纖的應力集中。這將導致應變曲線在玻璃裂縫附近突然上升。如果幕墻玻璃的震動產生共振現象，光纖將從幕墻玻璃的界面脫離出來，從而卸載光纖中的應力，表明該處玻璃幕墻固有頻率較大。

4.2 主應力值

根據風荷載主應力值的計算公式，選擇不同的試驗點來驗證玻璃幕墻主應力值。主應力值通過BOFDA 光纖傳感儀獲得，在光纖傳感器安裝過程中，涂覆一層氰基丙烯酸酯粘合劑，以保證幕墻主應力值結果準確，光纖傳感器中的空間分辨率為0.625mm，采樣率為5Hz。試驗結果如表2所示。

表2 主應力值結果

由表2 可知，測量點1 誤差率最低，測量點5 最高，最高誤差率高達12.4%，主要由于測量點5 位于幕墻邊框，受風荷載影響較大，導致誤差率偏高。同時可觀察到，測量點3 主應力值較大，主要由于測量點3 位于幕墻中部，中部彎矩較大，進而使測量點3 主應力值大。玻璃幕墻的仿真模擬計算是將幕墻受力和變形單獨考慮，忽略相鄰幕墻之間的相互影響，且不考慮不同位置幕墻與相鄰力的關系，因此實測值大于數值模擬結果，且幕墻之間存在連接。在風荷載作用下，玻璃幕墻將風荷載傳遞到結構膠的位置，結構膠粘劑的物理力學性能比玻璃板要差，而且其變形變化較大，很難把握[9]，這就導致模擬計算與實測數據的不同。同時單模光纖在測試過程中，由于風荷載因素，易出現光纖傳感器不規律震動，這也將對試驗結果產生一定影響。因此，在試驗過程中，建議使用性能較好的粘接劑對光纖進行加固。

5 結論

模擬值結果小于實測值，誤差主要歸因于風荷載模擬方法，幕墻施工中主體的微小變形效應被忽視，玻璃幕墻的變形是由于玻璃幕墻在風壓下不合理的重力傳遞造成的。盡管模擬值結果與測量值之間存在一定偏差，通過對工程結構進行變形監控，得到的實測數據和模擬數據都能滿足工程實際需要，可以為工程實際應用奠定基礎。