玻璃幕墙可靠性智能监测系统的研究

玻璃幕墙可靠性智能 监测系统的研究

王胜密 1 ，骆礼成 1 ，徐伟强 1 ， 胡明哲 2

1. 深圳市 腾基建设工程有限公司 中国广东深圳宝安 2. 贵州民族大学机电工程学院 中国贵州贵阳花溪

摘 要：本文设计了一种可实时监测结构微小形变的高灵敏度传感器。该传感器应用人工等离激元结构，通过检测传感器由于松动后的耦合变形量引起的无线信号反射谐振频率点的漂移，可以反推出结构的松动或变形程度。该传感器具有体积小、实时性、功耗低、检测灵敏度高，抗外界干扰能力强，易于高度集成的优势，在幕墙结构形变智能实时监测中具有广阔的应用前景。

关键词：玻璃幕墙形变、人工等离激元、传感器、耦合、无线监测

1. 绪论

玻璃幕墙快速实时监测对于确保其结构的可靠性和城市人民生命财产安全至关重要。自20世纪80年代以来所建的玻璃幕墙、特别是90年代所建的隐框玻璃幕墙，寿命现均已过了10 年保证期，安全隐患甚大。由于隐框玻璃幕墙没有传统的明框幕墙用以夹持玻璃并承重的铝合金外框，而是完全依靠玻璃背面的结构胶，把玻璃粘在铝型材框架上，因其表面无框架，感观效果比明框的要好得多。但是，成百上千块镀膜玻璃、中空玻璃无任何外框，完全依靠胶粘在铝型材表面上，需要长期有效抵抗风荷载、自重荷载、热胀冷缩、地震等，对材料、工艺要求极其严格。目前，我国大部分隐框玻璃幕墙超龄服役，存在安全隐患。事实上，近期玻璃幕墙脱落造成人员财产伤害的案例已多发频发。2000年10月上海，2018年深圳。这些案例表明，市场急需一种有效的方法对玻璃幕墙的安全耐久性进行严格检测。

图1 玻璃幕墙失效坠落案例

虽然建设部和各级政府部及行业组织都对检测既有玻璃幕墙的安全性能问题越来越重视，如此之多的条例法规，但并没有带来太大的实际效果，其主要的原因就在于没有可操作的手段。虽然玻璃幕墙常规性能检测的各种标准和规范多达数十种，但至今为止在世界范围内还没有检测既有玻璃幕墙安全性能的切实有效的技术以及相关的规范和标准。从历年的国际玻璃大会(GPD)和国际幕墙研讨会(ICBEST)的情况来看，国际上玻璃幕墙的现场检测技术尚未有重大突破，大部分仍然停留在事故统计方面。因此，研究既有玻璃幕墙安全应用理论及切实有效的现场评估技术，并制定实施标准，对杜绝幕墙玻璃脱落事故，保障人民群众生命财产安全，促进玻璃幕墙的工程应用均有重要意义。

目前国内已经报道了用激光位移传感器等技术来监测玻璃幕墙的位移和振动频率变化等技术。但由于我国的玻璃幕墙是在二十世纪八九十年代才逐步发展起来的，所以我国幕墙检测评估技术起步比较晚，发展也不够完善。我国玻璃幕墙工程在1997年以前很少进行三性检测(空气渗透性能检测、雨漏性能检测以及抗风压变形性能检测)，也缺少施工前设计质量的检验，尤其风压变形性能、安全性能的检验。中华人民共和国建设部颁布了《玻璃幕墙质量检验标准》JGJ/T139- -20019)， 该标准的主要也只是对材料的现场检验，幕墙节点与连接检验以及安装检验做了一些规范要求，但由于其工序复杂，检验项目多，操作烦琐而且对已经安装使用的玻璃幕墙就不再适用了。目前中国只有玻璃幕墙实验室检验的相应标准，尚没有制定针对既有玻璃幕墙整体安全状况的现场检测手段。中国建筑材料科学研究总院包亦望等人对幕墙用结构胶老化规律及老化机理进行了研究，对钢化玻璃的自爆机理进行了一定的研究，对一些现场检测设备也进行了研发，完成幕墙的两种创新的在线检测技术的基础研究和设备研制，但还需要标准化的操作和实施，而且其测试方法较为复杂，测试成本较高，测试效率有待提升。

由于既有玻璃幕墙的安全检查基本都为现场，特别是对于隐蔽工程和硅酮结构密封胶的现场检查，发展多种实用的检测方法势在必行。玻璃幕墙结构监测最重要的损伤指标之一是玻璃幕墙由于结构松动后造成的大的相对位移。这一位移是由于玻璃结构胶随着时间的推移而缓慢老化所造成的。随着位移的发生，玻璃幕墙会随着风压或地壳振动等而发生微小振动。这种有相对位移变化的振动与玻璃幕墙多个物理参数密切相关，可以说是其固有的频率振动特性。目前工业界测试固有振动频率的方法是采用薄板振动理论，探测过程中需要应变片传感器等多种有线传感器。应变片需要连线以便将应变量转化成电信号输入测量电路。连线结构比较复杂，而且需要对成千上万的玻璃挨个贴片测试，工序繁琐，测试效率低，测试成本大。而且当玻璃在风、地壳震动的载荷下发生受迫振动的同时，振动往往具有短暂性、变化性，如果传感器检测效率低，往往测试数据滞后，难以测到玻璃在风载等载荷下的真实情况。

图2 (a)应变片等传感器的安装检测，(b)现场布线测试照片

基于此技术背景，本文研发了新的电磁检测技术，通过对玻璃幕墙结构振动频率的测量来间接判断玻璃幕墙结构受损等关键信息，可用于监控玻璃幕墙结构胶的老化问题。它能够以完全无损且快速的方式来表征玻璃幕墙结构的相关信息。而且该无线传感器为无源传感器，在现场工程监测中可以有效避免对传感器的电源的需要，从而减轻测试设备的重量，降低测试成本。因此，本文研究了一种基于超材料的无线高灵敏度传感器，可以远程监控亚微米范围内的结构松动。该传感器及其监测系统具有监测成本低，监测效率高，监测灵敏度高、以及无线、实时感知能力，它可将每栋大楼的每片玻璃幕墙振动参数，通过无线通讯手段实时的采集回数据中心，并由数据中心的大数据分析软件实时对管辖片区的失效玻璃提出监测、报警，为城市的安全提供保障。

2. 设计方法

本文将表面等离激元波与传感器检测应用相结合，并充分利用表面等离激元将电磁能量高度局域于结构周围和深度亚波长的特性构建新型的小型化的结构位移传感功能。使得传感器的近场激励响应对位移松动和亚微米分辨率(<1μm)在很宽的间隔内具有很高的灵敏度。此外，传感器的工作曲线也表明其工作在线性区域。该传感器系统具有无线、无源、成本低、实时检测速度快的优点。传感器具体的检测结构图如下：

图 3 传感器具体的检测结构图

其中的表面等离激元结构，由于其波矢量大，场局域特性高，因此，耦合强度大，对距离的分辨更加灵敏：

通过耦合结构来分辨SSPPs传输线之间的间距，其馈入的能量C与传输能量T可分别描述为：

（1）

（2）

式中，L为耦合段的长度，α是SSPPs段传播常数的虚部，即衰减常数，κ是耦合系数，与两段耦合线的间距有关。由于等离激元具有场局域增强效应，因此，其耦合系数远远大于普通传输线的耦合系数。

3. 结果与讨论

传感器工程实测结果图如下：

图 4 耦合间距从0变化到3mm时谐振频率点的漂移曲线

图5 实测结构及频率随松动的关系曲线

图6 传感器系统工作表面电流分布图

本文所采用的检测思路，从科学的角度来看：表面等离激元微波功能器件是一个崭新的领域，考虑到其新颖的物理特性与广阔的运用前景，十分值得深入和系统的研究。因为表面等离激元效应具有放大、显著的非线性及实时可调特性，是传统传感器结构无法实现的。将表面等离激元的概念引入传感器的研制具有十分重要的理论意义和显著的科学研究价值。 从应用的角度来看，表面等离激元波导作为一种新型的高性能传输线，其优异的物理性能可极大的提升现有的传感器灵敏度，特别是其具有无线传感、无线通讯的能力为远程传感、实时探测提供了条件，如将其与无人机组件，由无人机搭载进行无线探测，如图7所示，则相比与传统应变片探测结构形变的有线方法，其探测效率、探测便捷性和探测成本都会大幅改善，更适合工程化应用。而传感器检测应用一直以来都是现有物联网系统中不可缺少的重要部分，因此本文研制的工作将会极大地扩充人工表面等离激元的运用范围，具有明确的实用意义和巨大的应用前景。

图7 无人飞机搭载传感器测试系统图

4. 结论

本文提出了一种采用基于振动测试技术对玻璃幕墙进行安全评估的方案。采用的传感器结构为具有形变位移侦测能力的无线传感器，它将每栋大楼的每片玻璃幕墙振动参数，通过无线通讯手段实时的采集回数据中心，并由数据中心的大数据分析软件实时对管辖片区的失效玻璃提出监测、报警，为城市的安全提供保障。目前市场上并未有同类技术，只有用应变片、光纤等有线技术。有线技术布线繁杂，测试复杂，无法获得实时数据，对玻璃幕墙的安全监测极为不利。

本文的无线传感器采用具有人工等离激元结构的，它由镜像对称的、周期性排列的复杂凹槽构成，一对人工等离激元结构由缝隙电磁耦合在一起，其谐振频率由耦合缝隙的宽度、角度决定，当玻璃在风、地壳震动的载荷下发生受迫振动的同时，带动传感器的缝隙发生实时变化，这种变化又引发传感器振动中心频率的漂移。然后利用微波天线与传感器之间的通讯，获知传感器的谐振频点漂移，根据传感器的谐振频点漂移程度即可分析出幕墙玻璃面板不同支承条件下的振动动态特性参数，实时量化这种振动的幅度和其频率，从而实时识别玻璃幕墙支承体系及粘结体系的松动、损伤与老化状况。传感器探测灵敏度为88.3 kHz/μm，且在线性度可以达到99.8%。相比于传统应变片监测效率高、更快捷、更精准。

致谢

感谢贵州省科技厅项目（ZK[2021]YB301）、贵州省教育厅重点实验室项目（52020201420205）以及深圳市腾基建筑工程有限公司对本文的资助。

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