《既有建筑幕墻面板墜落風險排查法

振動測試法》

團體標準

驗證試驗報告

起草編制組

2021年6月

1

2

1實驗室驗證

以幕墻玻璃為研究對象，為獲得幕墻玻璃固有頻率變化與其邊界支承松動損傷關

系，試驗選擇四邊有框支承（夾支）玻璃幕墻結構為研究對象，為了模擬夾支玻璃幕墻

結構的實際工作狀態，特設計了相關的試驗裝置。圖1為一玻璃四邊支承可調節松緊的

了抽真空裝置，是由一個鋼底空腔及邊部夾緊裝置構成，空腔由皮管與真空泵連接。試

驗時，將玻璃板試樣放置于鋼底框架上，用螺栓夾緊，玻璃與金屬框架之間用彈性橡皮

為支撐墊，玻璃四邊支承松緊可以通過調節螺栓緊固力進行描述，緊固力大小可通過扭

力扳手進行定量化。將金屬空腔內的部分空氣抽去，能夠模擬玻璃受均布荷載作用狀態。

玻璃表面貼應變片，用于記錄外載荷作用下玻璃的變形與應力分布，玻璃中央的撓度可

采用激光位移傳感器測量，精確到0.001mm。玻璃固有頻率采用瞬態脈沖激勵法獲取，

激振位置選擇在玻璃板中央，與激起感興趣的玻璃板的一階固有頻率（玻璃板最低頻

率）。玻璃板振動信號由聲音傳感器采集并通過INV306S-SP2聲壓測試分析儀進行分析，

然后將分析信號通過電荷電壓濾波積分放大器處理，最后將處理好的信號直接輸送到計

算機，用動態分析軟件進行分析與處理。得到玻璃振動頻譜圖，從頻譜圖上可以讀取玻

璃的振動固有頻率。圖2是一樣品尺寸為300×300×4mm3玻璃板的典型振動頻譜圖，由

圖可以直接得到該玻璃的振動固有頻率為320Hz（幅值最大處對應的頻率為該試樣的固

有頻率）。

圖1玻璃四邊支承可調節松緊裝置

1

圖2典型玻璃傅立葉變換功率譜圖（四邊支承）

試驗步驟如下：

1）玻璃樣品的準備工作：本試驗中采用300×300×4mm3的普通鈉鈣硅酸鹽玻璃，

試驗前對玻璃表面進行清洗；

2）將準備好的玻璃樣品放在圖1的正方形鋼底框上，上端覆蓋同樣尺寸的正方形

框架，兩框架中間采用螺栓固定，玻璃與框架之間用彈性橡皮支撐。該結構是仿照普通

幕墻結構構造，并通過調節兩框架之間的螺栓松緊度來控制玻璃的剛度，以模擬實際服

役中玻璃幕墻結構的支承松緊狀況；

3）將螺栓擰到緊固狀態，然后逐步松動螺栓，由于螺栓每松動一次，框架對玻璃

的緊固力就下降一次，螺栓每松動1/2周測量玻璃固有頻率一次，從而得到玻璃振動固

有頻率與其邊界夾緊力關系圖。

四邊夾支玻璃幕墻支承松動對幕墻玻璃固有頻率的影響

圖3為玻璃試樣在四邊支承松動和緊固作用下的振動頻譜圖，由圖可以看出，相對

于緊固狀態下，松動情況下的頻譜圖峰值曲線明顯向左偏移，說明玻璃四邊支承松動后

其固有頻率下降了。

2

圖3四邊支承緊固和松動狀況下玻璃的振動頻譜圖

圖4為玻璃振動固有頻率與其邊界螺栓松動程度關系。由圖可以看出，隨著螺栓的

松動圈數（緊固力衰降程度）增大，玻璃的固有頻率不斷降低，而且幾乎呈線性關系。

340

330

320

310

z300

H

/

率290

頻

280

270

260

250

0.00.51.01.52.02.53.03.5

螺栓松動圈數（圈）

圖4不同螺栓緊固力下玻璃固有頻率變化關系

進一步對該塊玻璃四邊不同邊界支承條件（簡支和固支，玻璃板可視為彈性矩形薄

板）及不同螺栓緊固力對應的固有頻率值（見表1）進行分析，可以看出所測得的玻璃

板的固有頻率處在低于玻璃板四邊固支和高于四邊簡支對應的頻率約20%的區間（由于

實際中玻璃的邊界固定是不可能完全四邊固支或四邊簡支的，所以這大約離四邊固支

或四邊簡支理論頻率20%左右的頻率區間是無法測得到的）。隨著玻璃四邊緊固力的均勻

增大，幕墻玻璃的固有頻率也在這一區間均勻的遞增。

表1不同螺栓緊固力下玻璃板的固有頻率

3

螺栓緊固圈數（圈）

支撐條件四邊簡支四邊固支

00.511.522.53

固有頻率

219.0267.3277.5287.6297.5307.5317.5327.4398.0

(Hz)

上面試驗結果啟發了我們可以通過測量玻璃的固有頻率來識別該塊玻璃的四邊支

承松緊狀況。顯然，相同條件下，當玻璃邊界支承越松，則其固有頻率越低。往往新建

的玻璃幕墻由于其支承結構沒有出現松動或老化，幕墻玻璃板支承緊固，對應的固有頻

率較大，而此時幕墻玻璃抵抗外力作用能力也較大，脫落風險也低。隨著玻璃幕墻使用

年限的增加，幕墻玻璃板邊界因支承結構的老化，變形或破損而不斷松動，幕墻玻璃對

應的固有頻率也不斷衰降，此時幕墻玻璃抵抗外力作用能力也衰退，其脫落風險概率也

大。因此，我們可以只測量一下幕墻玻璃的固有頻率，并通過相對比較，建立起評價標

準，就可以簡便地知道幕墻玻璃的支承松動程度及脫落風險概率,進而評價玻璃幕墻的

可靠性。

對現有建筑構件的安全評估主要通過綜合考慮其剩余壽命及價值從而決定構件是

否應該被更換,以及在安全、經濟上是否合理等，因此合理的評估方法很重要。玻璃幕

墻脫落主要來源于兩方面：一方面是因支承體系，錨固體系和膠黏劑（結構膠）的松動，

老化，開裂和變形等而引起對幕墻玻璃支承緊固力衰降，從而使玻璃幕墻抵抗外力作用

能力降低而增大了玻璃脫落概率；另一方面來自于幕墻玻璃面板本身缺陷而引起玻璃自

爆或破裂脫落。而第一方面綜合影響作用可表現為幕墻玻璃頻率改變的單因素線性函

數。因此，我們可以只簡單地根據幕墻玻璃固有頻率變化大小來識別幕墻因支承體系和

粘接體系的老化和損傷程度，評價玻璃幕墻的健康狀態及剩余壽命。

根據實測幕墻玻璃固有頻率大小，我們提出了相對比較法和劃分安全頻率區間法來

評價玻璃幕墻的安全狀態。

（1）相對比較法

幕墻玻璃相互之間是一個單獨的單元體，不同玻璃之間的安全性態會存在一定的差

別，某塊玻璃的破損或脫落基本上不會影響其他幕墻玻璃的使用。相對比較法是通過相

互之間的比較，快速找出可能出現問題的幕墻玻璃，從而有針對性地對其采取安全加固

或更換措施。

相對比較法是建立在同條件下的基礎之上的[56]，也就是說相互比較的幕墻玻璃應該

4

是玻璃品種、形狀尺寸、支承方式及材料、施工工藝等均應一樣。對于同一工程的幕墻

玻璃來說，基本上能滿足上述幾個條件（至少能分幾個批次地滿足），因此就給相對比

較法提供了條件。

在現場測量完所有需要檢測的幕墻玻璃的頻率后，將具有相同條件的幕墻玻璃分批

次，并進行比較，顯然，頻率越高的幕墻玻璃，其安全性越高，而對于那些頻率明顯偏

低的玻璃，就應該引起注意，此時，可對那些頻率偏低的玻璃進行更加細致的觀察和檢

測，找出可能出現問題的原因。

（2）劃分安全頻率區間法

相對比較法能快速發現可能出現安全問題的幕墻玻璃，但該方法缺乏整體評估性，

比如，我們獲得了某棟大樓所有幕墻玻璃的固有頻率，我們要如何知道該大樓的幕墻玻

璃是否存在安全隱患，其安全等級如何，剩余壽命還有多少，是否需要采取維修加固甚

至更換措施等。為此，我們提出了劃分安全頻率區間法，其基本思路就是針對某已知玻

璃品種、結構、形狀尺寸、邊界支承條件的幕墻玻璃，對其安全等級事先按頻率值的大

小區間進行劃分，當實測同條件下幕墻玻璃的頻率處于哪個頻率區間范圍時，我們就認

為該塊玻璃處于這個頻率區間對應的安全等級范圍內。

歐洲學者提出了EPIQR和MEDIC兩種方法評價建筑構件的可靠性，評估時把建筑物

單元按a、b、c、d4個等級劃分，其中：a為可靠；b為基本上可靠，能正常使用；

[57-59]]

c為需要維修；d為不能繼續使用，必須立即采取措施。顯然，用幕墻玻璃固有頻

率變化來識別玻璃幕墻的損傷程度，也可按4個級別進行劃分，但準確確定分級標準（頻

率區間）是非常重要的。如圖5，按玻璃頻率將玻璃幕墻安全劃分成四個等份，需要確

定幕墻玻璃的頻率上限、A、B、C和頻率下限5個頻率值。試驗表明（經過大量試驗證

明），四邊支承幕墻玻璃板固有頻率處于四邊簡支和四邊固支對應的固有頻率之間，也

就是說，支承越緊固，幕墻玻璃板的極限頻率越接近于其在四邊固支對應下的固有頻率，

相反，支承越松動，其對應的固有頻率越接近于簡支狀態下對應的固有頻率。因此，可

以把幕墻玻璃在四邊固支和簡支對應下的固有頻率作為評價玻璃幕墻安全等級的頻率

上下限值。根據薄板理論，四邊簡支和固支板固有頻率計算方法如下：

四邊簡支矩形板：

11D

2()（1）

a2b2m

5

四邊固支矩形板：

504D4

2(a4b4a2b2)（2）

a4b4m7

其中：－矩形板的固有頻率（rad/s），D－板的彎曲剛度，m－每單位面積的板質量，

a-短邊邊長，b－長邊邊長，彎曲剛度D的表達式為：

DEh3/12(12)（3）

其中：E-楊氏模量；h-板厚度；-泊松比。

圖5玻璃幕墻可靠性評價安全等級劃分

只要幕墻玻璃板的形狀尺寸結構確定下來了，則玻璃幕墻分級標準的上下限值就確

定下來了，下面最為關鍵的是確定A、B、C的頻率區間值，這需要大量試驗和工程檢測

及實踐經驗，科學地獲得同一規格幕墻玻璃固有頻率的衰降量及對應的玻璃幕墻失效概

率或損傷程度，根據失效概率定級。當然，最為簡便的方法是直接在試驗室里建立起幕

墻玻璃固有頻率衰降與其承載外力能力下降量關系（或隱框幕墻玻璃固有頻率與結構膠

剝離強度關系），根據其承載力下降量確定幕墻的安全等級，直接獲得安全頻率劃分區

間。

確定A、B、C頻率區間值后，我們還可以進一步對現有不同年代（0~30年）幕墻玻

6

璃固有頻率進行大量現場檢測，得到圖6玻璃幕墻在整個測量年代內4個頻率區間（等

級）出現的概率分布示意圖，圖中，4條曲線分別展示了在任一時刻，幕墻分別屬于Au、

Bu、Cu、Du等級的概率情況。即此玻璃幕墻在使用期內分別屬于Au、Bu、Cu、Du等

級的概率分布隨時間的變化情況和發展趨勢。將這4條曲線逐一累加，繪于同一個圖上，

如圖7所示，此時4個等級之間的概率關系是互補的，即任一時刻，

Pa(t)Pb(t)Pc(t)Pd(t)1（4）

式中：Pa(t)表示t時刻為Au的概率，其余類似。在圖3-10中沿任意時刻作一條縱向

線，跨越4個分布，可清晰地看出此刻等級Au、Bu、Cu、Du的概率分布情況．例如

在圖7中沿t20年所作的垂直線，代表在t20年時此玻璃幕墻屬于Au級的概率為

0.25，屬于Bu級的概率為0.68-0.25=0.43，屬于Cu級的概率為0.88-0.68=0.20，

屬于Du級的概率為1-0.88=0.12。依此我們可以預測玻璃幕墻在使用若干年后的可靠

性。

1.0

P(a)0.5

0

1.0

P(b)0.5

0

1.0

P(c)0.5

0

1.0

P(d)0.5

051015202530

t/y

圖6玻璃幕墻等級概率分布曲線

7

圖74個等級的概率分布關系圖

（注：圖中AP(a)，BP(a)P(b)，CP(a)P(b)P(c)，DP(a)P(b)P(c)P(d)1）

編制組對不同建設年代的四邊有框和隱框玻璃幕墻進行了大量的現場測量及試驗

室驗證，給出表2的四邊支承玻璃幕墻安全等級分級標準及對應的幕墻玻璃頻率區間劃

分建議值。由于隱框玻璃幕墻的玻璃是完全只靠結構膠的粘結力附在附框上，因此其對

應的安全頻率劃分區間與有框玻璃幕墻低。

表2四邊支承玻璃幕墻安全等級分級標準及玻璃頻率區間

安安

全頻率區間（有頻率區間（隱全

分級標準

等框玻璃幕墻）框玻璃幕墻）狀

級態

安

安全性能符合要求，不影響≥下限頻率150%≥下限頻率130%全

Au

玻璃幕墻繼續使用≤上限頻率≤上限頻率可

靠

使

≥下限頻率130%≥下限頻率120%

Bu安全性能略低，尚不顯著影用

≤下限頻率≤下限頻率

響玻璃幕墻的繼續使用正

150%130%

常

Cu安全性能不足，已顯著影響≥下限頻率120%≥下限頻率需

玻璃幕墻的繼續使用≤下限頻率≤下限頻率要維

8

130%120%修

加固

不

安全性能嚴重不符合要求，

Du≤下限頻率能

已嚴重影響玻璃幕墻的繼續使≤下限頻率

120%使

用

用

2.現場試驗及檢測

(1)實例1：某大學游泳館玻璃幕墻安全性能檢測（劃分安全頻率區間法）

工程描述：

玻璃幕墻結構形式：隱框式玻璃幕墻；

幕墻玻璃規格：6mm厚的單片鋼化玻璃，長寬尺寸為2000mm×740mm。

玻璃幕墻使用年限：3年零6個月。

玻璃幕墻結構外表見圖8a，幕墻玻璃固有頻率測量采樣見圖8b

（a）玻璃幕墻外觀(b)現場采樣測試

圖8玻璃幕墻外觀與現場采樣示意圖

現場外觀檢測發現一塊玻璃已經自爆，氣它玻璃外觀良好。對幕墻使用的結構膠進

行觀察，發現結構膠表面光滑，顏色亮麗，打膠飽滿，未發現龜裂、脫膠、斷膠現象。

對玻璃頻率計算選擇參數為：E72GPa，2500kg/m3，則m15kg/m2，

0.22，根據式（1）和（2），得到該幕墻玻璃頻率下限值為30.6Hz，上限值為64.2Hz。

根據表3-2的頻率區間劃分法，得到玻璃的安全等級頻率區間為：級（39.80~64.20Hz）,

Au

級（36.72~39.80Hz）,級（30.60~36.72Hz）,級（≤30.60Hz）。

BuCuDu

9

采用日本理音公司生產的便攜式振動分析儀（VA-11）對幕墻玻璃頻率進行測量，

采用觸發激勵，玻璃的典型的觸發激勵振動全程波形圖見圖9a，對振動信號進行傅立葉

積分變換，得到玻璃振動頻譜圖，見圖9b，由圖9b可以直接得到玻璃的振動一階頻率。

（a）觸發激勵振動全程波形圖

（b）玻璃振動頻譜圖

圖9玻璃振動波形圖及頻譜圖

通過對該玻璃幕墻一層表面完好的30塊玻璃的固有頻率進行測量，測量結果見表

3。

表3-3幕墻玻璃固有頻率現場檢測數據

玻璃編號12345678910

固有頻率（Hz）44444343434343444544

玻璃編號11121314151617