利通广场台风特性与风致振动分析

吴玖荣， 潘旭光， 傅继阳， 徐 安

(1.广州大学 土木工程学院，广州 510006；2. 广州大学 淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心，广州 51006)

随着科学技术进步，以及施工技术发展，城市的高层建筑正朝着越来越高，越来越柔方向发展。这些超高层建筑基本自振周期越来越长、自身阻尼越来越小，结构风敏感性也越来越大。我国高层建筑规程规定：对于超过一定高度及特殊体型的高层建筑结构，其风荷载必须经过风洞试验确定。虽然风洞试验已经广泛用于高层建筑结构的风荷载和风响应估计，但是由于模型的尺寸效应和边界层风场模拟的限制，风洞实验结果有时并不一定能完全准确地模拟结构的风效应。但是可以用现场实测来弥补风洞实验不足。高层建筑风场实测和风致结构振动实测主要为了获得高层建筑在台风作用下横风向和顺风向湍流特性和结构动力特性，为高层建筑结构抗风设计提供宝贵的资料。

在80年代，国内高层建筑风场实测几乎为空白，到了90年代，Xu等[1]对深圳地王大厦在台风York作用下的风场特征和风致振动进行了现场实测。近年来，Li等[2]在高层建筑的风效应实测方面开展了一系列的工作，特别是在高层建筑的阻尼问题、风场观测、风致响应实测及实测中测点的优化布置等方面进行了许多研究。李国强等[3]对于上海金茂大厦的自振特性进行了原型实测研究。Fu等[4-5]也对广州西塔顶部风场特性和风致结构振动进行过相关测试。另外近年来GPS技术有了很大的发展，葛茂荣等[6]将GPS技术应用于高层建筑和桥梁的原型实测进行了研究，重点研究了对于结构位移的测试方法。上述实测工作的开展，有益地促进了高层建筑抗风相关方面的认识和研究。但由于实测的案例相对于近年来蓬勃发展的高层建筑建设浪潮而言还较为缺乏，因此有必要进一步继续和深化此方面的研究工作[7]。

1 工程概况与台风简介

利通广场位于广州市天河区黄埔大道与珠江大道东交汇处，总高度302.90 m，共64层，最高楼层264.60 m，结构体系采用钢框架-钢筋混凝土核心筒结构，地下5层，建筑面积为159 500 m2，图1为利通广场效果图。

为了便于对利通广场进行长期连续监测，分别在利通广场的17层、29层、38层、44层、52层和58层顶部安装了加速度传感器(图2)，在利通广场顶部安装了风速仪图(3a)和GPS接收机(图4)，分别用来监测结构在强风作用下的加速度、位移、风速大小和风向。为防止由于屋面处气流产生的漩涡扰动对风速仪测试数据造成误差，风速仪安装高度需超出屋面最高位置有一定的距离，本项目风速仪离屋顶最高位置约3m，如图(3b)所示。GPS接收机则安装在屋顶顶面空旷无遮挡处，以便接受卫星传过来的相关信号。本工程GPS接收机安装在屋顶角部最高位置处，可方便无遮挡地接收卫星信号。加速度传感器盒子内安装了两个加速度传感器，两传感器相互垂直放置，将盒子固定在上述六层顶部中心位置处，以获取整体结构两个主轴方向(南北和东西两个方向上)的加速度响应。顶部安装了超声风速仪和螺旋桨风速仪用于测试三维和两维风速和风向。将加速度传感器和风速仪的数据连接线连接至位于45层的弱电房内，该方案的设置为利通广场的长期连续监测数据采集提供了便利。

2012年第8号台风“韦森特”与7月24日4时在广东台山市登陆，登陆时中心附近最大风力13级，达到40米/秒。“韦森特”强度强，影响范围广，风雨影响重，广州也在此次台风影响的范围内。利用前述的监测系统。当台风“韦森特”影响广州地区时，我们对广州利通广场实现了风特性与风振结构响应的同步监测，记录了长达16 h风场数据及加速度响应数据。本文主要对其风场特性,结构风致振动以及响应结构动力特性辨识进行了一些分析和研究。

图1 利通广场效果图

图5 实测风速时程

2 风场特性分析

2.1 实测风速和风向

图5～图8分别为实测部分时段的风速和风向,风攻角及根据风向角、风攻角求出的竖向风速时程图。

从上图中可知风向角为85°至100°之间变化，表明利通广场此阶段主要受到来自东风的影响，总风速在5 m/s～17 m/s之间波动，大部分时间总风速大于11 m/s，竖向风速在2 m/s～7 m/s之间变化。

2.2 湍流强度和阵风因子

如图9、图10所示,以3分钟为平均时距取得的平均风速和纵向湍流强度的关系，阵风因子和平均风速的关系，从上述图中清楚地表明了湍流强度随平均风增大而减小，阵风因子随着平均风速的增大而减小的趋势。

2.3 脉动风速功率谱密度

脉动风速功率谱密度函数可以用来描述脉动风的特性，其在频域上的分布可以描述湍流动能在不同尺度水平上的能量分布比例。根据以往的实测及风洞实验测试结果，Von Karman谱认为可以比较真实反应脉动风速的统计特征，其相应表达式为：

(1)

3 结构动力特性及振动监测

3.1 结构顶部风致加速度

图12为利通广场58层顶部东西(X)、南北(Y)方向，受台风“韦森特”影响时，长达16个小时的风致加速度连续监测结果。在X方向加速度最大值为：0.016 3 m/s2，Y方向加速度最大值 0.008 6 m/s2,该次监测中最大加速度均在居住者难以感觉的范围之内,符合国家相关技术规程要求，满足舒适度要求。

图8 竖向风速时程

图11 脉动风速功率谱

3.2 风致加速度功率谱及其振型分析

本次采集数据由于受到通道限制，只在利通广场的58、52、44、38层的风致加速度响应进行了采集，图13为58层两个方向上加速度信号的功率谱情况，各方向功率谱中频率点幅值尖峰非常明显，极易分辨。以58楼为参考点，分别分析出其他楼层加速度信号与58层加速度信号的互谱密度和相干性以及相应的相位关系，表1为各楼层加速度信号自功率谱识别得到的建筑物两个主轴方向各阶振型振动频率值。表2为各层加速度信号与同方向58层加速度信号的相干性，从表中可以看出除个别较差外，其余各测点相干系数都很好，表明用采样数据的传递函数法分析振型时具有良好的可靠性。图14为58层加速度信号和52层加速度信号互功率谱，相干性和相位示意图。

表1 自振频率识别结果

表2 各测点对参考点相干系数

通过幅值谱和相干性分析，识别得到建筑物东西向和南北向的各阶振型如下图15、图16所示。

3.3 阻尼比分析

阻尼是结构模态参数中一种重要的动力特性。在获得结构加速度响应数据的情况下，随机减量法是一种具有良好精度的方法。其基本原理是从线性结构振动的一个或是多个实测样本函数中获取自由振动反映的数据，再进行模态识别[8]。在随机减量法中，选取信号的阈值直接关系到截取的信号数量，针对台风过程中监测的结构顶部加速度响应信号，选用一系列的振幅阈值，计算结构阻尼比，可以得到结构阻尼比随振动幅值的变化规律[9-10]。相关研究表明：建筑结构的阻尼会随结构振动的幅值发生变化。以58层两个方向的实测风致加速度分析信号，采用随机减量法，得出利通广场两个方向上第一阶振型阻尼比随振幅变化的相关规律及拟合曲线，如图17所示。

图17 第一振型阻尼比

从上述图中可以看出结构阻尼比依赖于结构振动加速度振幅，而且随着结构振动振幅增大而增大的趋势。本次实测的阻尼比在0.5%～2%之间变化。

4 GPS实测楼顶位移分析

4.1 实测楼顶位移时程

众所周知，加速度传感器通过和配套的积分放大器连接，可以对建筑物的动态位移、速度和加速度进行测试，但对于受平均风速引起的静态平均位移无法进行测量。而GPS测量系统则可以较好地弥补此方面的缺点。本文除对利通广场进行过加速度振动测试外，在此之前还曾对利通广场进行过仅受外界环境脉动影响下的GPS顶部位移测试，以便把GPS位移数据的频谱分析结果进一步与加速度分析结果加以对比分析。从风致加速度和GPS位移测试两方面，补充和验证此超高层建筑物的动力特征。GPS数据测试采样时间为2011年3月30日～4月1日，采集时现场基本无风，可以看成是本建筑物在脉动状态下的自身振动。图18～19为将GPS楼顶位移分解至建筑物东西向(Y)和南北向(X)的变化历程，测试时间约为连续48小时。

图18 东西(X)向GPS位移变化曲线

图19 南北(Y)向GPS位移变化曲线

4.2 GPS多路径效应分析

在进行多路径效应分析时, 从总时程数据选取了前后连续两天相同时间段数据进行相干性分析。如下图20所示为GPS所测顶部位移在X和Y方向的该时段数据变化曲线，以及各信号在后一天同一时间段数据之间的相关性系数。

图20 GPS多路径效应

图21 多路径效应消除后的GPS信号自功率谱

从图20得知，各信号在前后连续两天同一时间段数据之间的相关性系数，在时间为240s左右时达到最大。这与卫星周期相符合，表明利通广场顶部GPS信号受到周围环境的影响，形成多路径效应，制约着定位精度。根据文献[11-12]的相关EMD算法，对GPS信号进行多路径效应消除处理后，提取出GPS测试信号中与结构振动相关的分量。由此得出两个方向振动位移分量的自功率谱及识别的结构自振频率，如图21所示。

5 实测动力特征结果与有限元分析对比

为验证实测位移和风致加速度的合理及有效性，本文将实测的GPS位移信号及楼层风致加速度信号识别出的结构自振频率和有限元分析结果进行了对比分析，如表3所示。

表3 实测结果与有限元分析对比

根据表3分析，通过加速度信号识别的自振频率与有限元分析结果较为接近，而通过GPS测量的位移信号所识别的结果与有限元分析结果有一定的差距。从表中可以看到，现场实测的结果在X和Y方向第一、第二阶振型对应的频率均大于有限元的分析结果。其中主要的原因有2个：①非结构构件在实际结构中已参与工作，增加了整体结构的刚度，而在有限元分析常予以忽略此部分对整体结构刚度的贡献。②结构设计活荷载并没有满负荷，同时风致加速度测试时，利通广场主体结构已施工完，但部分房间仍然处在装修阶段；而采用GPS测试顶部脉动位移时，利通广场仍在顶部主体框架施工阶段，各楼层均未进入装修阶段，GPS测试时建筑的实际荷重更小于有限元分析考虑的总荷重。因此由风致加速度和GPS位移测试数据，所识别的结构自振频率均比有限元理论分析结果要大。而GPS实测位移信号所得到的结果要更大些。由此证明实测分析结果与当时的实际结构布置状况相符合，利用风致加速度响应和GPS技术均能有效识别实际结构的自振频率。

6 结 论

在台风“韦森特”影响下，对超高层建筑利通广场顶部风特性和风致加速度响应进行了同步监测，结合GPS楼顶位移和有限元对比分析，得出了如下相关结果：

(1)经过分析实测数据得出了结构顶部的平均风速、风向、湍流强度、阵风因子随时间的变化历程，并验证了湍流强度随平均风增大而减小的规律，阵风因子随着平均风速的增大而减小的趋势。且Von Karman谱能够很好地描述此超高层建筑顶部约300 m城市高空风场的脉动风速谱特征。

(2)根据本次台风沿建筑物四个楼层两个主轴方向的实测风致加速度，对此超高层建筑的自振频率，振型和阻尼比进行了参数辨识，所得结果能够较为真实地反映此建筑物的动力特征。所识别的结构阻尼比依赖于结构振动加速度振幅，本次实测的阻尼比在0.5%～2%之间变化。

(3)根据实测风致加速度和GPS楼顶位移测试，对其自振频率辨识结果，结合实测当时建筑物结构布置的实际状况，同有限元理论分析结果进行了对比分析。进一步证明了利用风致加速度响应和GPS技术均能有效识别实际结构的自振频率。

参 考 文 献

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