監控系統在高層建筑動力特性檢測中的應用研究

姚志強 姚逸可

（四川鑫鑫建筑工程設計有限公司，四川 成都 610041）

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

我國是個多地震的國家，而且又是遭受地震災害嚴重的國家。中國大陸死于各種自然災害的人數中，死于地震災害的約占50%，地震中建筑結構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域廣、強度高、震源淺、震中分散的特點，使全國抗震設防區（地震烈度6度或6度以上地區）面積約占全部國土面積的79% ，在570個大中型城市中，74.5%位于地震區。近年來，房屋數量急劇增加，若這些結構物在遭受地震襲擊時毀損，將使國民經濟遭受極大沖擊，因此，對地震區建筑結構的質量、抗震性能提出了較高的要求。

我國正處于經濟高速發展、大規模開展基本建設時期，房屋建筑的質量尤其應予特別注意，否則，將給未來社會留下大量難于處理的隱患。近幾年，高層建筑發展快、數量多，有資料表明，我國100 m以上的高層結構絕大部分都建在7、8度抗震設防地區。面對如此的挑戰，如何精心設計、精心施工，不斷提高高層建筑的建筑質量和抗震能力，是一個迫切需要引起廣泛注意、加強研究的艱巨任務。

我國的高層建筑結構采用的主要結構體系，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，是以鋼結構為主，而在我國鋼筋混凝土結構及混合結構占了絕大多數。如此大量、如此高的鋼筋混凝土結構及混合結構，國內外都還沒有經受較大地震作用的考驗。因此，我國的高層建筑結構，經受的實際考驗仍然是不充分的。

由于建筑結構質量的優劣、抗震性能的好壞直接關系到人民的生命和財產安全，它并不單單只是與業主的利益相關。同時，能否積極防御和有效地減輕災害損失，也已成為衡量一個社會文明程度和政府效能的重要標志。我們應當把有效的質量檢測工作，坐在事故、災害發生之前，盡最大努力避免事故、災害發生造成無法彌補的損失。

2008年5月12日14時28分4秒，四川省汶川縣境內發生8.0級強震，破裂首先在汶川縣映秀鎮附近地下15 km左右開始，并以約3.1 km/s的平均速度向北東方向擴展，破裂終止于陜西省寧強縣的神龍廟附近，破裂長度達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，每個子地震子事件相當于一個7級多的地震，汶川縣映秀鎮到綿竹市漢旺鎮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最多、破壞性最強的一次地震，也是新中國成立以來經濟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構倒塌破壞，給人民生命財產帶來巨大損失。通過對地震現場調查和對震害的分析研究，結果表明：合理的結構設計對房屋和其他工程結構的實際抗震能力起著至關重要的作用。

在工程設計中，對高層建筑結構多采用彈性反應譜理論的振型分解法來求解結構的地震內力。不同結構在相同動荷載作用下的動力反應是不相同的，反應的大小與結構的自振頻率有著直接關系。結構動力分析是建立在結構固有特性分析基礎上的，要進行高層建筑抗震、抗風設計計算，必須首先研究它的固有頻率、振型和阻尼比，然后才能求出相應的地震力和風振力。

工程結構的動力特性檢測，一般在不會對結構本身造成傷害的前提下，對已建成的建筑物、構筑物是否達到設計要求，做出一個較為客觀的評判。另一方面，可以建立統計經驗公式，供以后的設計參考或用于建筑的抗震性能、抗風性能驗算和震害預測，同時也為工程結構的安全性評價及損傷診斷建立基本技術資料。把建筑物完好狀態下量測得到的數據，作為技術檔案保存，當建筑物一旦遭受自然或人為災害以后，以及使用了一定的年限以后，再進行檢測，以此數據進行對比，從結構剛度的變化和結構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，從而進行安全性評估與采取相應的科學決策。

實驗研究是理論分析的基礎，對高層建筑動力特性參數進行檢測分析，與現有理論研究、模型試驗結果和將會有的大震經驗結果進行比較，相互補充，用以驗證數字模型的合理性，從而保證計算結果的準確性，這將直接有助于結構抗震設計理論的完善，提高結構的抗震設計水平，對推動工程抗震技術的發展具有重要意義。

1 監控系統用于高層建筑動力特性檢測

對于建筑物、構筑物的動力特性進行檢測，監控系統成為整個實驗系統的一部分，在各個控制節點布設高靈敏度傳感器，每個傳感器的運行狀況，由相應的監控攝像頭進行監控，以減少人為近距離觀察對傳感器實測數據的影響。

依據監控系統反饋的各點實驗狀態，調整實驗測點的布置，隨著激勵輸入源的不同，高層結構反應隨之不同，監控記錄與傳感器數據記錄同步進行，為實驗各個階段的傳感器數據分析提供影像支持，提高整個結構實驗的精度、可靠性和安全性。

2 高層結構側移剛度分布

由于實際地震作用的極其復雜性，高層建筑的規則性要求，對于提高建筑結構的抗震安全性是至關重要的。《高層建筑混凝土結構技術規程》 （JGJ 3—2010） 第3.5.2條中，對高層鋼筋混凝土建筑結構的豎向規則性有明確規定：沿豎向，結構的側向剛度變化均勻，本層與相鄰上層的側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 。

結構的分析模型要力求符合實際，但在結構的地震反應分析中常常將一部分構件作為非結構構件 （如某些隔墻、填充墻或圍護墻），并認為它們不參與地震力的抗御工作。實際情況并非如此，非結構部件對結構剛度的影響有時不能忽略，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的措施，則此房屋成為弱底層結構，地震時底層極易破壞。

正是由于建筑結構抗側移剛度的重要性，以及理論計算的局限性，對于工程結構實際的剛度分布狀況，是否達到設計要求、是否符合規范規定，實測的剛度分布數據是科學、客觀的判定依據。

汶川8級地震震害表明，豎向不規則的房屋結構，破壞尤為嚴重。業主方為方便使用，一些結構底層設計成空曠大開間，上部為住宅，結構上剛下柔，下部剛度、強度不足，成為薄弱層，在地震中底層框架柱屈服，破壞嚴重，造成結構整體傾斜或倒塌。

3 高層結構動力特性檢測及側向剛度分布實例

利用環境隨機振動對建筑結構的激振，測量結構物在環境振動下的響應，使用自行開發的數據處理分析軟件，完成數據處理、分析、模態識別、剛度反演，確定結構物的動力特性參數及剛度分布。

實測的高層結構位于成都市，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，現澆鋼筋砼框架——剪力墻結構體系，房屋抗震類別為丙類，按設防烈度7度、 Ⅱ類場地進行抗震設防。測試時該幢建筑物已投入使用。

測點沿結構不同高度不同位置布設，盡量避開振型節點，測平移振動時所有測點盡量靠近剛度中心，以消除扭轉振動對平移振動的耦連影響。為了識別扭轉振動，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、橫向平移及扭轉各階模態頻率、振型、阻尼比，在結構動力特性實測的基礎上，用結構動力學理論，得到結構層間剛度分布，見表1。

4 結語

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

（2） 剛度分布數據表明，沿豎向結構的側向剛度變化較均勻，特別是業主方和設計方最為關注的第16 層處理得比較好，符合《建筑抗震設計規范》 （GB 50011—2010） 第3.4.3條、《高層建筑混凝土結構技術規程》 （JGJ 3—2010） 第3.5.2條的規定；符合抗震設計豎向側移剛度規則性的要求，符合安全性要求。