孙经纬 （中国建筑第二工程局有限公司，北京 100000）

0 引言

目前，我国幕墙的生产和消费水平已逐步提高，但在长时间的外力负荷、温度变化、阳光照射下，幕墙的使用寿命大大缩短。且由于降雨等因素的影响，现有的结构支撑松动，结构胶粘剂老化，连接器安全性能下降，严重制约着幕墙的安全性。幕墙质量问题日益凸显，已成为建筑安全的“定时炸弹”。因此，提高建筑玻璃幕墙安全性可有效降低幕墙坠落风险。光纤传感技术是20 世纪70 年代中期开发的新技术[4]，光纤传感器是一种将光纤传感技术应用于建筑结构变形监测领域的传感器，与传统传感器相比，它具有高灵敏度、耐腐蚀性、抗电磁干扰，并且可以实现温度、应变和其他参数的长期和分布式测量。但目前较少研究光纤传感技术监测建筑幕墙变形。因此将光纤传感技术用于建筑幕墙变形监测与分析，可有效提高建筑幕墙的安全性能。

基于此，本文提出的光纤传感模型是根据多年的实际工作经验，建立的一种基于光纤传感器的传感器模型，以影响因子作为输入，并以玻璃幕墙稳定结果为输出，对其稳定性进行研究，研究结果可为玻璃幕墙的检测提供理论参考。

1 玻璃幕墙临界频率确定

以建筑玻璃幕墙为研究对象，基于影响玻璃幕墙安全状态的主要因素，对不同材料的力学性能进行了研究。本文在对固有频率约束的基础上，建立了以固有频率为基础的抗震评估体系。同时，幕墙玻璃的横截面比其厚壁大得多，是一种经典的薄板结构，其动态特性可用薄钢板理论进行计算。

2 玻璃幕墙临界频率的测定

2.1 输入信号的正向传播

来自光纤传感输入层的信息，通过光纤传感传输到光纤传感的隐藏层。到达隐藏层光纤传感的信息由隐藏层的光纤传感功能处理，然后通过光纤传感传输到输出层中。如果由隐藏层光纤传感处理的结果满足误差要求，则通过输出层输出。

2.2 错误反馈处理

在光纤传感器中，误差是指实际输出与期望输出的差值。在应用光纤传感器前，必须对其进行培训和研究。首先，应初始网络中的权重，一般采用少量的随机变量。通常，光纤传感系统要反复地调整各个网络的权重，反复地进行训练。若样本的误差可以满足要求，网络则可以达到收敛状态，这表明光纤传感器的训练是成功的。光纤传感算法如下。

首先，采样输入矢量和输出矢量分别定义为Xk与Yk，如式（1）、式（2）所示：

采用MATLAB 编程软件实现基于以上算法的计算公式。加权初始化选取为一个较少随机数的初始加权因子。在对样例进行学习之后，在总体的错误率为预定目标时，将其终止，保留各层次加权的计算结果。由此可以得出一个输入矢量与输出矢量的对应关系。

2.3 稳定性模型的建立

通过光纤传感模型预测玻璃幕墙的稳定性。在模型预报中，许多因素都会对预报的精度造成一定影响，而在输入级，影响因子的方法也会对预报效果有较大的作用。在幕墙结构的稳定计算中，光纤传感模式的预测值主要取决于两个方面，即玻璃幕墙稳定光纤传感技术的学习速度和泛化能力。在获得幕墙几天的应力应变值基础上，采用以下四个步骤建立预测框架，根据实际应用中存在的问题，进行详细的分析，选取一种适用于该项目的光纤传感模型；玻璃幕墙表面粘贴单模光纤，实时采集主应力值；基于上述两个步骤，建立了光纤传感器的传感模型，并对其进行了试验研究；采用训练后的光纤传感器进行相关预报。

2.4 输入层内容的确定

2.4.1 风压的影响

玻璃幕墙在长时间内会受到外力的风荷载，其受力范围较大，因此受到的影响也比较大。玻璃幕墙在风荷载下，易发生变形，从而使其稳定性降低。在玻璃幕墙设计中，对其抗风压性能有较高的要求。玻璃幕墙的风压强度指标，应当以其标准风荷载Wk为基准，不得低于1.0kPa。在风压阻特性指标下，幕墙支承体系及面板的相对变形和绝对变形不应超过L/180及L/250。

2.4.2 玻璃幕墙结构设计

玻璃幕墙通常与主体框架连接在一起。首先，在建筑结构设计中，确定玻璃幕墙的大小是关键问题。体积太大会使整体结构的负荷增大。尺度太小会使整个幕墙变得更加复杂，从而使不确定因素增多。根据工程实践，建议在单板两端跨距上横向受力构件最大变形量不能大于面板两端跨距的1/500，也不能大于3mm。

3 工程概况

某银行总部的34 层商业中心大楼是当地的地标性建筑之一，其中幕墙工程总建筑面积为25294m2，工期为12 个月，整体幕墙结构为框架结构，总造价为3967 万元，办公楼幕墙工程立面如图1所示。该大楼玻璃幕墙采用了一种单片的钢化玻璃。为了对幕墙的健康情况进行评价，以排除安全隐患，并用光纤传感器对玻璃幕墙进行测试。

图1 建筑幕墙

根据设计数据，玻璃面板的尺寸为1500mm×950mm×4mm，容许的风荷载标准值为1.49kPa，安全因子为1.7。垂直于建筑物表面的出风口荷载标准值计算公式为：

式中，Wk为风荷载的标准值；αx为高空处的风振动系数；us为风荷载的形状系数；uz为高度变化系数；Wo为基本风压。风荷载主应力的相关系数值为：

形状系数为us=0.8，高度系数为uz=1.95（幕墙高度为113m），基本风压W0=70Kg/m2=686N/m2。因此，风荷载的标准值wk=1.42×0.8×1.95×668=1520(N/m2)=1.52kPa。风压力P1=wk=1.52kPa

考虑结构在地震作用下的附加荷载，采用1.6 的安全因子，得到P2=wk=2432（N/m2）=2.43kPa。将设计的风压取为P3=3000N/m2。建筑玻璃强度校核采用单层玻璃强度，计算公式为：

式中，P 为容许风压；α 为玻璃强度系数；A 为玻璃；t 为玻璃厚度。通过对玻璃的分析，发现其抗风强度达到8.2kPa，强度完全符合设计要求。

4 结果与讨论

4.1 槽钢层幕墙检测

在本研究中，使用BOFDA 光纤传感仪（ftb2505）获得幕墙结构的固有频率。BOFDA 的原理是当来自探针激光器和泵浦激光器的光束同时注入光纤的两端时，会散射出大量的光，从而检测玻璃固有频率。光纤为单模光纤，可分为芯层和包层、聚酰亚胺涂层和聚氨酯保护鞘。槽钢层位于某大楼的10 层，本层20 块非开放式幕墙玻璃均进行光纤传感测试。幕墙玻璃板尺寸为1.7m×102m×0.006m，周边单纯支承频率为18.25Hz，固定支承为36.42Hz。测试结果如表1所示。

表1 幕墙玻璃固有频率（Hz）试验结果

由表1 可以看出，基于简支四边，顶部幕墙玻璃的FONF 值已经低于FONF的下限，这表明该幕墙的窗框受到了很大的破坏，很有可能会脱落。槽钢层玻璃面板的三个FONF 值低于FONF 的下限，而其他值高于频率下限，但低于允许风压所需的临界频率，说明该楼层玻璃幕墙的承载力不符合设计的最低标准，必须进行维修或替换。在避难楼层中，通常出现比其他楼层更大的振动，这表明顶部幕墙的安全系数很低，更容易发生事故。主要由于避难楼层较高，风荷载较大，易导致玻璃幕墙承受更大的荷载。同时可观察到编号27 位置的固有频率最大，主要由于幕墙玻璃的震动会导致光纤的应力集中。这将导致应变曲线在玻璃裂缝附近突然上升。如果幕墙玻璃的震动产生共振现象，光纤将从幕墙玻璃的界面脱离出来，从而卸载光纤中的应力，表明该处玻璃幕墙固有频率较大。

4.2 主应力值

根据风荷载主应力值的计算公式，选择不同的试验点来验证玻璃幕墙主应力值。主应力值通过BOFDA 光纤传感仪获得，在光纤传感器安装过程中，涂覆一层氰基丙烯酸酯粘合剂，以保证幕墙主应力值结果准确，光纤传感器中的空间分辨率为0.625mm，采样率为5Hz。试验结果如表2所示。

表2 主应力值结果

由表2 可知，测量点1 误差率最低，测量点5 最高，最高误差率高达12.4%，主要由于测量点5 位于幕墙边框，受风荷载影响较大，导致误差率偏高。同时可观察到，测量点3 主应力值较大，主要由于测量点3 位于幕墙中部，中部弯矩较大，进而使测量点3 主应力值大。玻璃幕墙的仿真模拟计算是将幕墙受力和变形单独考虑，忽略相邻幕墙之间的相互影响，且不考虑不同位置幕墙与相邻力的关系，因此实测值大于数值模拟结果，且幕墙之间存在连接。在风荷载作用下，玻璃幕墙将风荷载传递到结构胶的位置，结构胶粘剂的物理力学性能比玻璃板要差，而且其变形变化较大，很难把握[9]，这就导致模拟计算与实测数据的不同。同时单模光纤在测试过程中，由于风荷载因素，易出现光纤传感器不规律震动，这也将对试验结果产生一定影响。因此，在试验过程中，建议使用性能较好的粘接剂对光纤进行加固。

5 结论

模拟值结果小于实测值，误差主要归因于风荷载模拟方法，幕墙施工中主体的微小变形效应被忽视，玻璃幕墙的变形是由于玻璃幕墙在风压下不合理的重力传递造成的。尽管模拟值结果与测量值之间存在一定偏差，通过对工程结构进行变形监控，得到的实测数据和模拟数据都能满足工程实际需要，可以为工程实际应用奠定基础。