監(jiān)控系統(tǒng)在高層建筑動力特性檢測中的應(yīng)用研究

姚志強(qiáng) 姚逸可

（四川鑫鑫建筑工程設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610041）

國內(nèi)外各種災(zāi)害和震害調(diào)查表明，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要原因是建 （構(gòu)） 筑物的倒塌和破壞引起的。建筑工程高質(zhì)量的抗震設(shè)防是抗御地震災(zāi)害及其他災(zāi)害最根本和最有效的措施。

我國是個(gè)多地震的國家，而且又是遭受地震災(zāi)害嚴(yán)重的國家。中國大陸死于各種自然災(zāi)害的人數(shù)中，死于地震災(zāi)害的約占50%，地震中建筑結(jié)構(gòu)的倒塌破壞是造成人員傷亡的主要原因。由于我國地震活動區(qū)域廣、強(qiáng)度高、震源淺、震中分散的特點(diǎn)，使全國抗震設(shè)防區(qū)（地震烈度6度或6度以上地區(qū)）面積約占全部國土面積的79% ，在570個(gè)大中型城市中，74.5%位于地震區(qū)。近年來，房屋數(shù)量急劇增加，若這些結(jié)構(gòu)物在遭受地震襲擊時(shí)毀損，將使國民經(jīng)濟(jì)遭受極大沖擊，因此，對地震區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、抗震性能提出了較高的要求。

我國正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、大規(guī)模開展基本建設(shè)時(shí)期，房屋建筑的質(zhì)量尤其應(yīng)予特別注意，否則，將給未來社會留下大量難于處理的隱患。近幾年，高層建筑發(fā)展快、數(shù)量多，有資料表明，我國100 m以上的高層結(jié)構(gòu)絕大部分都建在7、8度抗震設(shè)防地區(qū)。面對如此的挑戰(zhàn)，如何精心設(shè)計(jì)、精心施工，不斷提高高層建筑的建筑質(zhì)量和抗震能力，是一個(gè)迫切需要引起廣泛注意、加強(qiáng)研究的艱巨任務(wù)。

我國的高層建筑結(jié)構(gòu)采用的主要結(jié)構(gòu)體系，也是其他國家高層建筑采用的主要體系。但國外、特別在地震區(qū)，是以鋼結(jié)構(gòu)為主，而在我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)占了絕大多數(shù)。如此大量、如此高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外都還沒有經(jīng)受較大地震作用的考驗(yàn)。因此，我國的高層建筑結(jié)構(gòu)，經(jīng)受的實(shí)際考驗(yàn)仍然是不充分的。

由于建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的優(yōu)劣、抗震性能的好壞直接關(guān)系到人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，它并不單單只是與業(yè)主的利益相關(guān)。同時(shí)，能否積極防御和有效地減輕災(zāi)害損失，也已成為衡量一個(gè)社會文明程度和政府效能的重要標(biāo)志。我們應(yīng)當(dāng)把有效的質(zhì)量檢測工作，坐在事故、災(zāi)害發(fā)生之前，盡最大努力避免事故、災(zāi)害發(fā)生造成無法彌補(bǔ)的損失。

2008年5月12日14時(shí)28分4秒，四川省汶川縣境內(nèi)發(fā)生8.0級強(qiáng)震，破裂首先在汶川縣映秀鎮(zhèn)附近地下15 km左右開始，并以約3.1 km/s的平均速度向北東方向擴(kuò)展，破裂終止于陜西省寧強(qiáng)縣的神龍廟附近，破裂長度達(dá)300 km。震源破裂過程明顯地分為相互連貫的若干子地震事件，各子地震事件間約有停頓，每個(gè)子地震子事件相當(dāng)于一個(gè)7級多的地震，汶川縣映秀鎮(zhèn)到綿竹市漢旺鎮(zhèn)之間的子地震事件震級最大，約為7.6級，青川附近的子地震事件震級較小，約7.2級。這次地震的巨大能量是在如此大的破裂面上釋放，是四川省有歷史記載以來死亡人數(shù)最多、破壞性最強(qiáng)的一次地震，也是新中國成立以來經(jīng)濟(jì)損失最大的一次地震。

這次地震造成大量房屋和其他工程結(jié)構(gòu)倒塌破壞，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失。通過對地震現(xiàn)場調(diào)查和對震害的分析研究，結(jié)果表明：合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對房屋和其他工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗震能力起著至關(guān)重要的作用。

在工程設(shè)計(jì)中，對高層建筑結(jié)構(gòu)多采用彈性反應(yīng)譜理論的振型分解法來求解結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力。不同結(jié)構(gòu)在相同動荷載作用下的動力反應(yīng)是不相同的，反應(yīng)的大小與結(jié)構(gòu)的自振頻率有著直接關(guān)系。結(jié)構(gòu)動力分析是建立在結(jié)構(gòu)固有特性分析基礎(chǔ)上的，要進(jìn)行高層建筑抗震、抗風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算，必須首先研究它的固有頻率、振型和阻尼比，然后才能求出相應(yīng)的地震力和風(fēng)振力。

工程結(jié)構(gòu)的動力特性檢測，一般在不會對結(jié)構(gòu)本身造成傷害的前提下，對已建成的建筑物、構(gòu)筑物是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，做出一個(gè)較為客觀的評判。另一方面，可以建立統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，供以后的設(shè)計(jì)參考或用于建筑的抗震性能、抗風(fēng)性能驗(yàn)算和震害預(yù)測，同時(shí)也為工程結(jié)構(gòu)的安全性評價(jià)及損傷診斷建立基本技術(shù)資料。把建筑物完好狀態(tài)下量測得到的數(shù)據(jù)，作為技術(shù)檔案保存，當(dāng)建筑物一旦遭受自然或人為災(zāi)害以后，以及使用了一定的年限以后，再進(jìn)行檢測，以此數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從結(jié)構(gòu)剛度的變化和結(jié)構(gòu)自身固有動力特性的變化來識別建筑物的損傷位置和損傷程度，從而進(jìn)行安全性評估與采取相應(yīng)的科學(xué)決策。

實(shí)驗(yàn)研究是理論分析的基礎(chǔ)，對高層建筑動力特性參數(shù)進(jìn)行檢測分析，與現(xiàn)有理論研究、模型試驗(yàn)結(jié)果和將會有的大震經(jīng)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，相互補(bǔ)充，用以驗(yàn)證數(shù)字模型的合理性，從而保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，這將直接有助于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論的完善，提高結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)水平，對推動工程抗震技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 監(jiān)控系統(tǒng)用于高層建筑動力特性檢測

對于建筑物、構(gòu)筑物的動力特性進(jìn)行檢測，監(jiān)控系統(tǒng)成為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一部分，在各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)布設(shè)高靈敏度傳感器，每個(gè)傳感器的運(yùn)行狀況，由相應(yīng)的監(jiān)控?cái)z像頭進(jìn)行監(jiān)控，以減少人為近距離觀察對傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)的影響。

依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)反饋的各點(diǎn)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，調(diào)整實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)的布置，隨著激勵輸入源的不同，高層結(jié)構(gòu)反應(yīng)隨之不同，監(jiān)控記錄與傳感器數(shù)據(jù)記錄同步進(jìn)行，為實(shí)驗(yàn)各個(gè)階段的傳感器數(shù)據(jù)分析提供影像支持，提高整個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的精度、可靠性和安全性。

2 高層結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度分布

由于實(shí)際地震作用的極其復(fù)雜性，高層建筑的規(guī)則性要求，對于提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震安全性是至關(guān)重要的?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 （JGJ 3—2010） 第3.5.2條中，對高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性有明確規(guī)定：沿豎向，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度變化均勻，本層與相鄰上層的側(cè)向剛度比值不宜小于0.7，與相鄰上部三層剛度平均值的比值不宜小于0.8 。

結(jié)構(gòu)的分析模型要力求符合實(shí)際，但在結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析中常常將一部分構(gòu)件作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件 （如某些隔墻、填充墻或圍護(hù)墻），并認(rèn)為它們不參與地震力的抗御工作。實(shí)際情況并非如此，非結(jié)構(gòu)部件對結(jié)構(gòu)剛度的影響有時(shí)不能忽略，有的鋼筋混凝土框架中的填充墻大大增加了該層位的剛度，從而改變了振動的模式，這樣的層位如在二層以上，而底層沒有采取相應(yīng)的措施，則此房屋成為弱底層結(jié)構(gòu)，地震時(shí)底層極易破壞。

正是由于建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度的重要性，以及理論計(jì)算的局限性，對于工程結(jié)構(gòu)實(shí)際的剛度分布狀況，是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求、是否符合規(guī)范規(guī)定，實(shí)測的剛度分布數(shù)據(jù)是科學(xué)、客觀的判定依據(jù)。

汶川8級地震震害表明，豎向不規(guī)則的房屋結(jié)構(gòu)，破壞尤為嚴(yán)重。業(yè)主方為方便使用，一些結(jié)構(gòu)底層設(shè)計(jì)成空曠大開間，上部為住宅，結(jié)構(gòu)上剛下柔，下部剛度、強(qiáng)度不足，成為薄弱層，在地震中底層框架柱屈服，破壞嚴(yán)重，造成結(jié)構(gòu)整體傾斜或倒塌。

3 高層結(jié)構(gòu)動力特性檢測及側(cè)向剛度分布實(shí)例

利用環(huán)境隨機(jī)振動對建筑結(jié)構(gòu)的激振，測量結(jié)構(gòu)物在環(huán)境振動下的響應(yīng)，使用自行開發(fā)的數(shù)據(jù)處理分析軟件，完成數(shù)據(jù)處理、分析、模態(tài)識別、剛度反演，確定結(jié)構(gòu)物的動力特性參數(shù)及剛度分布。

實(shí)測的高層結(jié)構(gòu)位于成都市，地面以上27層，地下2層，裙房6層，高101.10 m，總建筑面積53 545 m2，采用平板筏式基礎(chǔ)，現(xiàn)澆鋼筋砼框架——剪力墻結(jié)構(gòu)體系，房屋抗震類別為丙類，按設(shè)防烈度7度、 Ⅱ類場地進(jìn)行抗震設(shè)防。測試時(shí)該幢建筑物已投入使用。

測點(diǎn)沿結(jié)構(gòu)不同高度不同位置布設(shè)，盡量避開振型節(jié)點(diǎn)，測平移振動時(shí)所有測點(diǎn)盡量靠近剛度中心，以消除扭轉(zhuǎn)振動對平移振動的耦連影響。為了識別扭轉(zhuǎn)振動，在各測試層縱向兩端部對稱布置一組傳感器。

分別得到縱向、橫向平移及扭轉(zhuǎn)各階模態(tài)頻率、振型、阻尼比，在結(jié)構(gòu)動力特性實(shí)測的基礎(chǔ)上，用結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論，得到結(jié)構(gòu)層間剛度分布，見表1。

4 結(jié)語

（1） 實(shí)測平移振動，長軸向基頻為0.693 1 Hz，短軸向基頻為0.713 5 Hz。扭轉(zhuǎn)振動一階頻率為0.998 9 Hz，與理論計(jì)算較為吻合。

（2） 剛度分布數(shù)據(jù)表明，沿豎向結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度變化較均勻，特別是業(yè)主方和設(shè)計(jì)方最為關(guān)注的第16 層處理得比較好，符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB 50011—2010） 第3.4.3條、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 （JGJ 3—2010） 第3.5.2條的規(guī)定；符合抗震設(shè)計(jì)豎向側(cè)移剛度規(guī)則性的要求，符合安全性要求。