陳洋洋，譚 平，陳建秋，周福霖

(廣州大學工程抗震研究中心∥減震控制與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 (培育)，廣東廣州 510405）

在汶川5.12大地震的災后恢復重建工作中，建筑結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)作為技術(shù)援建的重要內(nèi)容之一得到推廣應用。為了提高結(jié)構(gòu)的地震安全性和經(jīng)濟性，以汶川第一幼兒園、汶川第二小學、映秀小學、汶川疾病預防控制中心、映秀安置房、七盤溝安置房為代表的一批學校、醫(yī)療機構(gòu)和安置房等重要建筑物均采用了隔震設(shè)計，這對隔震技術(shù)的工程經(jīng)驗總結(jié)和進一步研究具有重要意義。

目前，世界上已建成隔震建筑近萬棟，我國已建成的隔震建筑也已達一千多棟，隔震技術(shù)發(fā)展迅速、日臻成熟。國內(nèi)外學者和工程師在隔震技術(shù)的理論分析、模型試驗、產(chǎn)品研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工等方面做了大量工作并取得很多重要成果［1］。同時，作為驗證隔震技術(shù)有效性的重要參考，地震監(jiān)測研究以及隔震建筑在實際地震中的表現(xiàn)也備受關(guān)注［2－3］，研究隔震結(jié)構(gòu)在實際地震作用下的反應過程是提高結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計水平的一種非常好的手段［4］。因此，對地震作用下的隔震結(jié)構(gòu)反應進行監(jiān)測成為隔震技術(shù)研究的重要工作之一，目前日本和美國取得的強震下隔震建筑地震響應實測數(shù)據(jù)和分析成果已達幾十例［5－11］，成為考察隔震技術(shù)有效性的寶貴資料。

然而，我國至今對隔震建筑結(jié)構(gòu)進行實際地震監(jiān)測的研究成果還較少，強震下的實測記錄更不多見。2000年在云南省抗震培訓中心的學員宿舍隔震樓設(shè)置了地震監(jiān)測系統(tǒng)［12］，測得的結(jié)果表明，在地震作用未能使隔震層克服初始屈服點的情況下，7層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)頂層的水平加速度響應相比基礎(chǔ)在1倍左右，并無明顯放大，這很可能是由于隔震層初始剛度小于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層剛度所達到的隔小震效果。同時，由于無豎向隔震，頂層豎向加速度相比基礎(chǔ)放大了2.725倍。2005年在福建省防震減災中心大樓設(shè)置了地震觀測系統(tǒng)［13－15］，對兩次典型地震實測結(jié)果的分析表明，由于所測得的振動幅值很小 (頂層加速度峰值僅為3.15 cm/s2)，在地震作用未能使隔震層克服初始屈服點的情況下，隔震層并未充分發(fā)揮功能，12層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的減震效果不明顯。但相比幾次小震下的測試結(jié)果，地震作用越大隔震效果越明顯。同樣，該系統(tǒng)也尚未見實際強震作用下的實測記錄。2010年在廣東科學中心E區(qū)采用隔震設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)也安裝了支座監(jiān)測系統(tǒng)［16］，尚未經(jīng)歷實際強震的檢驗和記錄。

至2011年汶川5.12大地震滿三周年之際，汶川災區(qū)的災后重建工作已經(jīng)基本完工，汶川也成為我國新的隔震建筑推廣應用地區(qū)之一，為了進一步推進我國隔震技術(shù)的工程應用和深入研究，建立有利于考察隔震結(jié)構(gòu)理論與實際差異的研究平臺，有必要對災區(qū)已有的代表性隔震建筑進行全面的實時監(jiān)測。因此，廣州大學工程抗震研究中心進行了汶川隔震建筑遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)計和工程實施，實現(xiàn)了對汶川第一小學 (非隔震)、汶川第二小學 (隔震)和映秀安置房 (隔震及非隔震)結(jié)構(gòu)的遠程實時監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)于2011年底完成現(xiàn)場安裝調(diào)試工作，在汶川5.12大地震近5周年之際，該系統(tǒng)已成功運行滿1年，對上述結(jié)構(gòu)受到的震中位于四川和云南地區(qū)、震級為3～5.7級的7次中小型地震響應進行了監(jiān)測，為未來可能的強震監(jiān)測也做好的技術(shù)準備。本文從研發(fā)、構(gòu)成、布設(shè)和典型實測結(jié)果對該汶川災后重建隔震建筑的遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)進行介紹和總結(jié)，為進一步完善該實測平臺和今后的深入研究工作奠定基礎(chǔ)。

1 汶川隔震建筑遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)

借鑒國內(nèi)外的最新技術(shù)經(jīng)驗［17－19］，我們基于NI(美國國家儀器公司)的CompactRIO硬件平臺和LabVIEW軟件平臺開發(fā)了一套結(jié)構(gòu)遠程監(jiān)測系統(tǒng)，分別在汶川第一小學教學樓 (非隔震)、汶川第二小學教學樓 (隔震)和映秀安置房 (隔震及非隔震)設(shè)立現(xiàn)場監(jiān)測站，布設(shè)三向高靈敏度數(shù)字地震儀，構(gòu)建終端采集子站，并通過虛擬局域網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)在廣州抗震中心監(jiān)控室的遠程實時監(jiān)測。

汶川二小教學樓是五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)(圖1)，隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)以上，采用彈性滑板支座和鉛芯橡膠支座進行隔震設(shè)計。為了對隔震建筑和非隔震建筑進行實測對比研究，我們在距離汶川二小不足1 km的汶川一小教學樓也布設(shè)的監(jiān)控系統(tǒng)，汶川一小教學樓同樣是五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)抗震設(shè)計。另外，對映秀安置房也布設(shè)了監(jiān)測系統(tǒng)，分別監(jiān)測上部結(jié)構(gòu)基本相同的隔震砌體結(jié)構(gòu)房屋和傳統(tǒng)抗震砌體結(jié)構(gòu)房屋，映秀安置房隔震房屋是采用村鎮(zhèn)小型化橡膠支座結(jié)合石墨滑移層的復合隔震技術(shù)。

圖1 三個監(jiān)測子站所在地Fig.1 Locations of the three monitoring substations

分別在隔震建筑的基礎(chǔ) (或隔震層底板)、隔震層頂及頂層樓板分別布設(shè)三向加速度傳感器(圖2)，對傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) (或首層地面)、頂層樓板分別布設(shè)三向加速度傳感器?？疾旖Y(jié)構(gòu)地震作用下的響應位置的地震反應，為后續(xù)評估和研究工作做好準備。

整個系統(tǒng)共采用三向加速度數(shù)字地震儀9個，采集子站3套，現(xiàn)場服務器3臺，遠程服務器1臺，外加2個位移傳感器對支座徐變進行監(jiān)測，主要硬件見表1、圖3和圖4。

圖2 隔震建筑測點布設(shè)示意圖Fig.2 Sketch of measuring points for seismic isolated building

3個采集子站是基于NI公司的CompactRIO模塊化組件整合而成的數(shù)字采集儀，設(shè)置足夠的通道數(shù)滿足三個測試地點的測點數(shù)的需要。三個采集子站分別通過接收GPS信號獲得統(tǒng)一的絕對時間信號，實現(xiàn)采集同步，統(tǒng)一設(shè)定加速度信號采樣周期為0.02 s，實時采集數(shù)據(jù)第一時間由每個采集子站配備服務器儲存和管理，避免了第一時間進行遠程傳輸數(shù)據(jù)量過大，網(wǎng)絡可靠性低的缺點，各子站均配置了候補繼電器，斷電狀態(tài)下能繼續(xù)維持24小時數(shù)據(jù)采集和存儲。三臺服務器都接入互聯(lián)網(wǎng)，設(shè)定防火墻并與位于廣州大學抗震中心的遠程服務器達成VPN虛擬局域網(wǎng)協(xié)議?；贜I的LabVIEW平臺開發(fā)了實時監(jiān)測軟件 (圖5)，日常運營期間，通過遠程登錄即實現(xiàn)對系統(tǒng)的實施監(jiān)測 (圖6)，對感興趣的實時或歷史數(shù)據(jù)可選擇直接下載。

表1 監(jiān)測設(shè)備匯總表Table 1 Summary sheet of monitoring equipments

2 汶川災后重建隔震建筑的地震響應監(jiān)測

本監(jiān)測系統(tǒng)于2011年底完成了現(xiàn)場安裝和調(diào)試，并開始運營，從2011年12月至今，已成功監(jiān)測了隔震建筑小地震作用下的反應超過7次，歷次地震震級處于3到5.7級之間，其中震中位于汶川境內(nèi)的地震都不大于4級，所監(jiān)測的建筑物基礎(chǔ)加速度響應峰值基本都在1 gal到13 gal之間。

表2給出了2012年7月2日6時17分，汶川一小和汶川二小在地震作用下結(jié)構(gòu)反應，該地震為3.9級，震中位于汶川縣和茂縣交界，震源深度21 km。從表2可以看出，基礎(chǔ)的加速度峰值最大達到8.48 gal，該地震作用未能使隔震層屈服，屋面加速度峰值相比基礎(chǔ)加速度峰值都有不同程度的放大。但總體上看，隔震結(jié)構(gòu)屋面相對基礎(chǔ)的加速度放大率仍然明顯低于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)，這是由于彈性滑板支座與鉛芯橡膠支座組合的隔震層的屈服前剛度低于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層剛度。

表2 2012年7月2日汶川縣、茂縣交界3.9級地震監(jiān)測結(jié)果Table 2 Seismic monitoring result for the M.3.9 Earthquake at the border of Wenchuan country and Mao country on July 2，2012

表3給出了2011年12月6日22時03分，系統(tǒng)測到的映秀安置房結(jié)構(gòu)地震響應，該地震為3.8級，震中位于汶川縣內(nèi)，震源深度19 km。從表3可以看出，基礎(chǔ)加速度峰值最大達到2.02 gal，隔震結(jié)構(gòu)的響應與非隔震結(jié)構(gòu)的響應相差不大，這是由于該隔震設(shè)計采用了石墨層滑移隔震，理論上在未克服隔震層靜摩阻力之前，隔震層剛度與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)基本一致，所以隔震與非隔震結(jié)構(gòu)在這一階段的響應是基本一致的，這樣的設(shè)計有利于在小震不壞的前提下，提高抗風能力。

限于篇幅，下面僅由圖7至圖12列舉2012年7月2日汶川3.8級地震作用下汶川二小和汶川一小的加速度響應時程。

表3 2011年12月6日汶川縣3.8級地震監(jiān)測結(jié)果Table 3 Seismic monitoring result for the M.3.9 Earthquake at Wenchuan country on December 6，2011

圖7 汶川二小隔震結(jié)構(gòu)地震加速度響應(建筑平面長軸向)Fig.7 Acceleration response of seismic isolation structure in the second primary school of Wenchuan(long axis direction in building plane)

3 結(jié)論

本文介紹了汶川災后重建的隔震建筑遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與實施，對汶川災后重建的汶川第一小學教學樓 (非隔震)、汶川第二小學教學樓(隔震)和映秀安置房 (隔震及非隔震)三個代表性工程成功實施了小型地震作用下的遠程實時監(jiān)測并給出典型測試記錄的初步分析結(jié)果。得到如下結(jié)論:

1)本文基于NI的CompactRIO模塊化硬件平臺和LabVIEW軟件開發(fā)平臺構(gòu)建的結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)VPN技術(shù)，可以實現(xiàn)對隔震結(jié)構(gòu)遠程結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測，系統(tǒng)運營1年效果良好。

2)該監(jiān)測系統(tǒng)從從2011年12月開始運營至今，已成功監(jiān)測了隔震建筑在小地震作用下的結(jié)構(gòu)反應超過7次，歷次小地震作用均未使隔震結(jié)構(gòu)隔震層屈服，實測結(jié)構(gòu)總體分析表明，在1gal到13 gal量級的小震作用下:采用彈性滑板支座與鉛芯橡膠支座組合的鋼筋混凝土隔震結(jié)構(gòu)，屋面相對基礎(chǔ)的水平加速度放大率也明顯低于傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)，這是由于的隔震層的屈服前剛度低于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層剛度。而對于采用村鎮(zhèn)小型橡膠支座結(jié)合石墨滑移層隔震的砌體結(jié)構(gòu)而言，在這種量級的小震作用下，由于隔震層未克服初始摩阻力，隔震結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)在此階段的地震響應無明顯差別，這在保證小震不壞的前提下有利于隔震結(jié)構(gòu)的抗風設(shè)計。

3)本系統(tǒng)可以繼續(xù)在現(xiàn)有LabVIEW軟件平臺上深入開發(fā)新的結(jié)構(gòu)監(jiān)測功能，試驗新的結(jié)構(gòu)監(jiān)測算法，研究隔震結(jié)構(gòu)動力特性，驗證隔震結(jié)構(gòu)理論。同時也可以基于CompactRIO模塊化硬件平臺繼續(xù)設(shè)計加入新的板卡，擴充新的傳感設(shè)備，加入新的監(jiān)測子站，為未來可能的各類型隔震減震結(jié)構(gòu)強震作用下的實時監(jiān)測研究做好技術(shù)準備。

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