监控系统在高层建筑动力特性检测中的应用研究

姚志强 姚逸可

（四川鑫鑫建筑工程设计有限公司，四川 成都 610041）

国内外各种灾害和震害调查表明，造成人员伤亡和财产损失的主要原因是建 （构） 筑物的倒塌和破坏引起的。建筑工程高质量的抗震设防是抗御地震灾害及其他灾害最根本和最有效的措施。

我国是个多地震的国家，而且又是遭受地震灾害严重的国家。中国大陆死于各种自然灾害的人数中，死于地震灾害的约占50%，地震中建筑结构的倒塌破坏是造成人员伤亡的主要原因。由于我国地震活动区域广、强度高、震源浅、震中分散的特点，使全国抗震设防区（地震烈度6度或6度以上地区）面积约占全部国土面积的79% ，在570个大中型城市中，74.5%位于地震区。近年来，房屋数量急剧增加，若这些结构物在遭受地震袭击时毁损，将使国民经济遭受极大冲击，因此，对地震区建筑结构的质量、抗震性能提出了较高的要求。

我国正处于经济高速发展、大规模开展基本建设时期，房屋建筑的质量尤其应予特别注意，否则，将给未来社会留下大量难于处理的隐患。近几年，高层建筑发展快、数量多，有资料表明，我国100 m以上的高层结构绝大部分都建在7、8度抗震设防地区。面对如此的挑战，如何精心设计、精心施工，不断提高高层建筑的建筑质量和抗震能力，是一个迫切需要引起广泛注意、加强研究的艰巨任务。

我国的高层建筑结构采用的主要结构体系，也是其他国家高层建筑采用的主要体系。但国外、特别在地震区，是以钢结构为主，而在我国钢筋混凝土结构及混合结构占了绝大多数。如此大量、如此高的钢筋混凝土结构及混合结构，国内外都还没有经受较大地震作用的考验。因此，我国的高层建筑结构，经受的实际考验仍然是不充分的。

由于建筑结构质量的优劣、抗震性能的好坏直接关系到人民的生命和财产安全，它并不单单只是与业主的利益相关。同时，能否积极防御和有效地减轻灾害损失，也已成为衡量一个社会文明程度和政府效能的重要标志。我们应当把有效的质量检测工作，坐在事故、灾害发生之前，尽最大努力避免事故、灾害发生造成无法弥补的损失。

2008年5月12日14时28分4秒，四川省汶川县境内发生8.0级强震，破裂首先在汶川县映秀镇附近地下15 km左右开始，并以约3.1 km/s的平均速度向北东方向扩展，破裂终止于陕西省宁强县的神龙庙附近，破裂长度达300 km。震源破裂过程明显地分为相互连贯的若干子地震事件，各子地震事件间约有停顿，每个子地震子事件相当于一个7级多的地震，汶川县映秀镇到绵竹市汉旺镇之间的子地震事件震级最大，约为7.6级，青川附近的子地震事件震级较小，约7.2级。这次地震的巨大能量是在如此大的破裂面上释放，是四川省有历史记载以来死亡人数最多、破坏性最强的一次地震，也是新中国成立以来经济损失最大的一次地震。

这次地震造成大量房屋和其他工程结构倒塌破坏，给人民生命财产带来巨大损失。通过对地震现场调查和对震害的分析研究，结果表明：合理的结构设计对房屋和其他工程结构的实际抗震能力起着至关重要的作用。

在工程设计中，对高层建筑结构多采用弹性反应谱理论的振型分解法来求解结构的地震内力。不同结构在相同动荷载作用下的动力反应是不相同的，反应的大小与结构的自振频率有着直接关系。结构动力分析是建立在结构固有特性分析基础上的，要进行高层建筑抗震、抗风设计计算，必须首先研究它的固有频率、振型和阻尼比，然后才能求出相应的地震力和风振力。

工程结构的动力特性检测，一般在不会对结构本身造成伤害的前提下，对已建成的建筑物、构筑物是否达到设计要求，做出一个较为客观的评判。另一方面，可以建立统计经验公式，供以后的设计参考或用于建筑的抗震性能、抗风性能验算和震害预测，同时也为工程结构的安全性评价及损伤诊断建立基本技术资料。把建筑物完好状态下量测得到的数据，作为技术档案保存，当建筑物一旦遭受自然或人为灾害以后，以及使用了一定的年限以后，再进行检测，以此数据进行对比，从结构刚度的变化和结构自身固有动力特性的变化来识别建筑物的损伤位置和损伤程度，从而进行安全性评估与采取相应的科学决策。

实验研究是理论分析的基础，对高层建筑动力特性参数进行检测分析，与现有理论研究、模型试验结果和将会有的大震经验结果进行比较，相互补充，用以验证数字模型的合理性，从而保证计算结果的准确性，这将直接有助于结构抗震设计理论的完善，提高结构的抗震设计水平，对推动工程抗震技术的发展具有重要意义。

1 监控系统用于高层建筑动力特性检测

对于建筑物、构筑物的动力特性进行检测，监控系统成为整个实验系统的一部分，在各个控制节点布设高灵敏度传感器，每个传感器的运行状况，由相应的监控摄像头进行监控，以减少人为近距离观察对传感器实测数据的影响。

依据监控系统反馈的各点实验状态，调整实验测点的布置，随着激励输入源的不同，高层结构反应随之不同，监控记录与传感器数据记录同步进行，为实验各个阶段的传感器数据分析提供影像支持，提高整个结构实验的精度、可靠性和安全性。

2 高层结构侧移刚度分布

由于实际地震作用的极其复杂性，高层建筑的规则性要求，对于提高建筑结构的抗震安全性是至关重要的。《高层建筑混凝土结构技术规程》 （JGJ 3—2010） 第3.5.2条中，对高层钢筋混凝土建筑结构的竖向规则性有明确规定：沿竖向，结构的侧向刚度变化均匀，本层与相邻上层的侧向刚度比值不宜小于0.7，与相邻上部三层刚度平均值的比值不宜小于0.8 。

结构的分析模型要力求符合实际，但在结构的地震反应分析中常常将一部分构件作为非结构构件 （如某些隔墙、填充墙或围护墙），并认为它们不参与地震力的抗御工作。实际情况并非如此，非结构部件对结构刚度的影响有时不能忽略，有的钢筋混凝土框架中的填充墙大大增加了该层位的刚度，从而改变了振动的模式，这样的层位如在二层以上，而底层没有采取相应的措施，则此房屋成为弱底层结构，地震时底层极易破坏。

正是由于建筑结构抗侧移刚度的重要性，以及理论计算的局限性，对于工程结构实际的刚度分布状况，是否达到设计要求、是否符合规范规定，实测的刚度分布数据是科学、客观的判定依据。

汶川8级地震震害表明，竖向不规则的房屋结构，破坏尤为严重。业主方为方便使用，一些结构底层设计成空旷大开间，上部为住宅，结构上刚下柔，下部刚度、强度不足，成为薄弱层，在地震中底层框架柱屈服，破坏严重，造成结构整体倾斜或倒塌。

3 高层结构动力特性检测及侧向刚度分布实例

利用环境随机振动对建筑结构的激振，测量结构物在环境振动下的响应，使用自行开发的数据处理分析软件，完成数据处理、分析、模态识别、刚度反演，确定结构物的动力特性参数及刚度分布。

实测的高层结构位于成都市，地面以上27层，地下2层，裙房6层，高101.10 m，总建筑面积53 545 m2，采用平板筏式基础，现浇钢筋砼框架——剪力墙结构体系，房屋抗震类别为丙类，按设防烈度7度、 Ⅱ类场地进行抗震设防。测试时该幢建筑物已投入使用。

测点沿结构不同高度不同位置布设，尽量避开振型节点，测平移振动时所有测点尽量靠近刚度中心，以消除扭转振动对平移振动的耦连影响。为了识别扭转振动，在各测试层纵向两端部对称布置一组传感器。

分别得到纵向、横向平移及扭转各阶模态频率、振型、阻尼比，在结构动力特性实测的基础上，用结构动力学理论，得到结构层间刚度分布，见表1。

4 结语

（1） 实测平移振动，长轴向基频为0.693 1 Hz，短轴向基频为0.713 5 Hz。扭转振动一阶频率为0.998 9 Hz，与理论计算较为吻合。

（2） 刚度分布数据表明，沿竖向结构的侧向刚度变化较均匀，特别是业主方和设计方最为关注的第16 层处理得比较好，符合《建筑抗震设计规范》 （GB 50011—2010） 第3.4.3条、《高层建筑混凝土结构技术规程》 （JGJ 3—2010） 第3.5.2条的规定；符合抗震设计竖向侧移刚度规则性的要求，符合安全性要求。