監控系統在高層建筑動力特性檢測中的應用研究

梁世料

（浙江創龍建設有限公司，浙江 溫州 325802）

建筑結構抗震技術，主要是通過增加結構的強度、剛度和延性來抵抗地震的作用，這是當前工程結構抗震減災的主要型式。然而，對難以預見的強烈地震作用或復雜的建筑結構，要想通過抗震技術做到萬無一失必須另辟途徑加以有效地解決。隨著新型材料的出現，允許較少部分的地震能量傳遞到上部建筑結構的隔震技術、在結構上附加特殊設施以消耗地震能量或改善結構地震反應特性的消能減震技術應運而生。

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 監控系統在高層建筑動力特性檢測中的應用

2.1 阻尼比在歷史建筑保護性監測中的應用

阻尼比是建筑物在計算地震反應時的一個基本參數。由于阻尼比無法通過理論計算得到，只有通過現場實測分析才能得到。結構阻尼比的明顯變化是判斷結構受損的重要依據之一，特別是對歷史建筑的保護性監測更具有參考價值。歷史建筑從材料本身到建造工藝等都與現代建筑相差較大，由于歷史建筑的造型獨特、構造復雜以及材料性能退化等，采用有限元軟件模擬難度較大，且有限元模擬的材料本構模型與實際模型的差別、假定的邊界條件與實際情況的差異、網格劃分精度影響等導致單純的有限元模擬分析一般不具有獨立可信性，往往需要相關試驗的支撐和佐證。

2.2 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》 （JGJ3—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），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。

2.3 頻率在結構異常振動檢測鑒定中的應用

在生產設備振動造成的結構異常振動的檢測鑒定中，動力特性測試是重要的檢測手段。有振動設備的樓層在設備運行時的異常振動主要有2 種原因:一種是由于機器(設備) 的激振力頻率與結構構件的固有頻率接近或一致，導致發生共振;另一種則是由于結構構件本身的剛度不夠，導致結構構件在強迫振動情況下的振幅較大。

2.4 結構自振特性分析

1） 基頻較高，第一基頻為8．88Hz，反映了結構整體剛度大的特點；2） 結構以扭轉為主的第一自振基頻與平動為主的第一自振基頻的比值為0．51 (8．88/17．31），扭轉效應對結構的影響不明顯，抗扭能力滿足要求；3） 水平振型為主，豎向振型表現不明顯；4） 考慮到豎向振型對結構響應的影響，真三維模態疊加時程分析方法應該考慮20 階以上的振型；5） 從結構振型可以得出，建筑結構如果考慮質心、形心、剪心的幾何分布，并加入合適的阻尼效應，采用簡化三維模型能夠得到合理的結果，且高效可靠。

3 結語

本文經過對單自由度和多自由度結構對地基簡諧振動輸入的動力反應特性的解析分析，得出如下主要結論：1） 在現有多本隔震建筑結構設計論著中，結構絕對位移和相對位移(層間變形） 的概念有所混淆；2） 采用基底隔震技術的建筑，與抗震結構相比，其上部結構的絕對位移均會大幅降低，而并非現有相關論著所述的那樣會加大；3） 對基底隔震建筑，增大隔震層阻尼，會降低隔震層的層間變形，但會減弱對上部結構絕對位移和加速度的隔震效果；4） 本文對多自由度結構動力反應的線性分析方法，可供建筑隔震初步設計參考。