王 飛 劉英華 任志林 田宇明

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北京市防震減災(zāi)中心結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)及振動(dòng)特性識(shí)別1

王 飛1,2）劉英華2）任志林2）田宇明3）

1）中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081?2）北京市地震局，北京 100080?3）北京優(yōu)賽科技有限公司，北京 100043

以北京市防震減災(zāi)中心結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)觀測(cè)及振動(dòng)特性識(shí)別研究。基于半功率帶寬法對(duì)結(jié)構(gòu)脈動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，計(jì)算出了結(jié)構(gòu)自振周期和振型以及相應(yīng)的阻尼比。各振型都具有較大幅值的樓層分別位于3、6和8層，據(jù)此設(shè)計(jì)并建成了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣。分析臺(tái)陣地震記錄識(shí)別出了結(jié)構(gòu)的自振特性，同時(shí)功率譜曲線顯示，井下數(shù)據(jù)存在高頻特性，初步判定其來(lái)自鋼套管振動(dòng)。開展結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析，利用觀測(cè)樓層上地震記錄的卓越頻率不斷修正結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，直至結(jié)構(gòu)反應(yīng)與地震記錄的頻率值相符，且與脈動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，相對(duì)位移對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在該模型基礎(chǔ)上相對(duì)位移反應(yīng)與相對(duì)位移記錄基本吻合。結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)和數(shù)值模擬分析較好地實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣的觀測(cè)目的。

脈動(dòng)測(cè)試 地震反應(yīng)觀測(cè) 卓越頻率 相對(duì)位移

引言

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)是強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)技術(shù)的重要分支，旨在了解和掌握結(jié)構(gòu)體系在強(qiáng)地震作用下的反應(yīng)性狀（謝禮立等，1982）。一旦獲得了某結(jié)構(gòu)的強(qiáng)震記錄，相當(dāng)于對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一次原型試驗(yàn)，大量信息可用來(lái)揭示結(jié)構(gòu)的抗震性能，這將有助于提高結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的水平，改進(jìn)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，幫助減輕未來(lái)地震災(zāi)害（李鴻晶等，2003；Mehmet等，1987）。同時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)震反應(yīng)記錄還能通過重建結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的方式，來(lái)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析中數(shù)值模型或試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃裕∕ehmet，2001)。

美國(guó)是世界上最早開展結(jié)構(gòu)地震觀測(cè)的國(guó)家，通過實(shí)施國(guó)家強(qiáng)震動(dòng)計(jì)劃等項(xiàng)目建成了250多個(gè)不同結(jié)構(gòu)類型的密集地震觀測(cè)臺(tái)陣。目前正在實(shí)施的項(xiàng)目是“美國(guó)老兵醫(yī)院的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)”，可實(shí)現(xiàn)在70座醫(yī)療建筑上安裝密集地震觀測(cè)臺(tái)陣的目標(biāo)（Kalkan等，2012），基于上述項(xiàng)目的實(shí)施已經(jīng)獲取了豐富的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)記錄和科研成果。而我國(guó)大陸地區(qū)的結(jié)構(gòu)觀測(cè)水平起步較晚，近幾年才逐漸開始建設(shè)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣（周正華等，2004；金星等，2007）。

為充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣的應(yīng)用價(jià)值，選擇適合的臺(tái)陣布設(shè)方法并獲取結(jié)構(gòu)振動(dòng)記錄用以開展結(jié)構(gòu)反應(yīng)和振動(dòng)特性的識(shí)別，目前已經(jīng)越來(lái)越受到地震工程專家的重視。本文以北京市防震減災(zāi)中心結(jié)構(gòu)為例，通過結(jié)構(gòu)脈動(dòng)觀測(cè)識(shí)別得到了結(jié)構(gòu)的自振特性，并基于自振特性分析結(jié)果構(gòu)建了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣，獲得的臺(tái)陣記錄可用于定量地分析結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性和反應(yīng)水平。

1 結(jié)構(gòu)概況

北京市防震減災(zāi)中心主樓是基礎(chǔ)隔震框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)地上8層，地下2層，高度為33.0m，結(jié)構(gòu)的平面布置如圖1所示。在地下室頂板梁柱之間總共設(shè)置了37個(gè)橡膠支座，其中鉛芯橡膠支座17個(gè)，普通橡膠支座20個(gè)。本研究將在該結(jié)構(gòu)上建成完整的地震反應(yīng)觀測(cè)系統(tǒng)，開展結(jié)構(gòu)振動(dòng)觀測(cè)。如果該臺(tái)陣能記錄到較大的地震，可將這些數(shù)據(jù)用于識(shí)別和驗(yàn)證基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)越性，為提高此類結(jié)構(gòu)的抗震性能和改進(jìn)其抗震設(shè)計(jì)提供參考（金星等，2007；2009）。若觀測(cè)系統(tǒng)只記錄到小震或脈動(dòng)數(shù)據(jù)，那么結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震作用還有待進(jìn)一步驗(yàn)證（魏陸順等，2007），但利用這些記錄開展結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的識(shí)別，對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)也具有重要意義。

2 振動(dòng)觀測(cè)

2.1脈動(dòng)測(cè)試

為使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣的建設(shè)有據(jù)可依，并保證設(shè)計(jì)方案的合理性，結(jié)構(gòu)主體封頂后，采用脈動(dòng)測(cè)試方法對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)（賈洪等，2007）。建筑物動(dòng)力特性是結(jié)構(gòu)自身的固有特性，不會(huì)因脈動(dòng)激勵(lì)信號(hào)不同而改變。因此，脈動(dòng)法以環(huán)境激振作為實(shí)際建筑物的輸入，通過對(duì)結(jié)構(gòu)物脈動(dòng)響應(yīng)的觀察，利用工程振動(dòng)反演方法測(cè)定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)。

測(cè)試所用設(shè)備為4臺(tái)內(nèi)置三分向加速度計(jì)的數(shù)字強(qiáng)震儀，主要記錄環(huán)境激振作用下樓層加速度反應(yīng)。先將設(shè)備置于8層同一位置，記錄環(huán)境振動(dòng)，截取記錄中噪聲較弱部分約120s的數(shù)據(jù)開展一致性分析，并以此作為一致性校正的基礎(chǔ)。將設(shè)備分別置于1、4、6和8層的幾何中心位置進(jìn)行測(cè)試（王飛等，2011）。

對(duì)記錄數(shù)據(jù)的自功率譜和測(cè)點(diǎn)間的互功率譜進(jìn)行分析，筆者得到了結(jié)構(gòu)和方向的前三階自振周期。同時(shí)，利用各測(cè)點(diǎn)頻譜圖用半功率帶寬法計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)在前三階周期上的阻尼比。在環(huán)境激振作用下，結(jié)構(gòu)自振周期及阻尼比的計(jì)算結(jié)果如表1所示。以8層測(cè)點(diǎn)為輸入，其余測(cè)點(diǎn)為輸出，用輸入和輸出測(cè)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)分析振型。對(duì)沒有安裝觀測(cè)設(shè)備的其他樓層的振型幅值依據(jù)經(jīng)驗(yàn)振型形狀進(jìn)行估算，圖2為結(jié)構(gòu)在和方向上的前三階振型。

表1 環(huán)境激振作用下的結(jié)構(gòu)振型周期與阻尼比

2.2 結(jié)構(gòu)反應(yīng)觀測(cè)

基于脈動(dòng)測(cè)試得到的和兩個(gè)方向的平動(dòng)振型，各振型中幅值較大的樓層分別位于3層、6層和8層。根據(jù)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣的布設(shè)原則，測(cè)點(diǎn)優(yōu)先選擇布設(shè)在上述樓層。同時(shí)為記錄結(jié)構(gòu)隔震層上、下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)別，分別在1層和地下室B2地面上布設(shè)相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)。每一個(gè)樓層的幾何中心和兩端分別布設(shè)加速度計(jì)，幾何中心的加速度計(jì)用于記錄結(jié)構(gòu)沿長(zhǎng)軸和短軸兩個(gè)方向的平動(dòng)；結(jié)構(gòu)兩端的加速度計(jì)用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。綜合考慮上述因素并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果，初步確定結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣每個(gè)測(cè)點(diǎn)的具體位置。經(jīng)協(xié)調(diào)，在不影響結(jié)構(gòu)使用功能的條件下，確定了該結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣的建設(shè)方案。反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣設(shè)置了11個(gè)結(jié)構(gòu)觀測(cè)點(diǎn)，1個(gè)井下觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)了三分量MEMS型力平衡式加速度計(jì)，其中觀測(cè)井深100.0m，這是國(guó)內(nèi)建成的首個(gè)設(shè)置深井觀測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。臺(tái)陣儀器設(shè)備主要包括2臺(tái)美國(guó)REFTEK公司生產(chǎn)的130-MC型18道數(shù)據(jù)采集器；12只三分量MEMS型力平衡式加速度計(jì)。經(jīng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收測(cè)試，數(shù)據(jù)采集器和加速度計(jì)均符合中國(guó)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)技術(shù)規(guī)程中有關(guān)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)的技術(shù)要求。

上述結(jié)構(gòu)臺(tái)陣建成試運(yùn)行后，記錄到了2012年6月18日發(fā)生在天津?qū)氎鎱^(qū)、河北玉田縣交界的4.0級(jí)地震和2012年7月24日北京市海淀地區(qū)發(fā)生的1.4級(jí)地震。2次記錄均震相明顯，可用于開展結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)的識(shí)別分析。筆者利用Matlab程序代碼分別對(duì)上述4.0級(jí)地震的東西向和南北向數(shù)據(jù)進(jìn)行0.2—10Hz的帶通濾波，并計(jì)算相應(yīng)的功率譜，具體如圖4所示。

通過功率譜分析可發(fā)現(xiàn)，記錄的卓越頻率主要集中在1.7Hz左右，而表1中脈動(dòng)測(cè)試識(shí)別出的結(jié)構(gòu)第一階振型的周期約為0.6s，二者吻合較好，共同反映出結(jié)構(gòu)的自振特性。功率譜曲線還表明，井下加速度計(jì)在2個(gè)水平方向的振動(dòng)具有較明顯的高頻成分，無(wú)法較好地反映地層的特性。筆者認(rèn)為，這是由于井下加速度計(jì)放置在鋼套管底端，盡管鋼套管底部與周圍地層實(shí)現(xiàn)了較好的耦合，但加速度計(jì)直接記錄的主要是鋼套管的剛性振動(dòng)，該振動(dòng)具有高頻特性。這是在今后井下加速度計(jì)安裝建設(shè)中應(yīng)該引起重視的問題，宜選擇更合適的安裝方式以減小套管本身振動(dòng)的干擾。

3 數(shù)值分析

對(duì)比結(jié)構(gòu)的反應(yīng)和動(dòng)力分析預(yù)測(cè)的反應(yīng)，不管是在頻域的系統(tǒng)特性識(shí)別還是時(shí)域的反應(yīng)時(shí)程，都能提供豐富的信息來(lái)檢驗(yàn)當(dāng)前數(shù)值模擬方法的有效性，所以利用開源軟件OpenSees（OpenSees，2009）建立北京市防震減災(zāi)中心結(jié)構(gòu)的三維分析模型。模型中主要包括結(jié)構(gòu)梁、柱、樓板和隔震層。其中，梁柱采用彈塑性梁柱DispBeamColumn單元模擬，方向的外側(cè)梁尺寸為0.70m′0.35m，內(nèi)側(cè)梁尺寸為0.60m′0.35m；方向梁尺寸為0.60m′0.35m，1—6層柱截面尺寸為0.70m′0.70m；7和8層的柱截面尺寸為0.60m′0.60m。材料采用雙線性硬化本構(gòu)關(guān)系，其中，彈性模量為2.10′1011N/m2；剪切模量為1.50′1011N/m2；屈服力為3.35′108N/m2；硬化系數(shù)取2%。

樓板采用剛性膜RigidDiaphragm單元模擬，以保證每一層上所有節(jié)點(diǎn)不產(chǎn)生相對(duì)位移。隔震層每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用3個(gè)方向的Zerolength單元，其剛度系數(shù)分別依據(jù)隔震支座的豎向剛度和抗剪剛度確定，取值分別為4.50′109N/m和9.30′109N/m。將地下室2層傳感器的地震記錄作為結(jié)構(gòu)數(shù)值分析的地震動(dòng)輸入，開展結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程反應(yīng)分析，確定結(jié)構(gòu)的所有樓層地震反應(yīng)水平。

首先通過記錄的結(jié)構(gòu)卓越頻率來(lái)修正結(jié)構(gòu)模型。將和方向1、3、6和8層的臺(tái)陣記錄的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，確定出結(jié)構(gòu)的卓越頻率，然后分析結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)結(jié)果，并使分析結(jié)果與頻率達(dá)到較高的一致性，傅里葉譜如圖5所示。如果二者一致性較差，可通過修改結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量參數(shù)來(lái)提高一致性，直至滿足要求。對(duì)比發(fā)現(xiàn)3、6和8層的記錄和分析結(jié)果的頻率成分可以實(shí)現(xiàn)較高的一致性。考慮到記錄數(shù)據(jù)的峰值很小，不容易從噪聲中區(qū)分開來(lái)，因此在1層上二者匹配不好。對(duì)比分析識(shí)別出結(jié)構(gòu)方向第一階自振頻率約為1.72Hz，方向自振頻率約為1.65Hz，與前述脈動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致。對(duì)比結(jié)果表明，所建結(jié)構(gòu)模型與原型結(jié)構(gòu)吻合，因此可以基于該模型開展結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的對(duì)比分析。

其次，根據(jù)時(shí)程反應(yīng)分析結(jié)果計(jì)算結(jié)構(gòu)在不同樓層上的相對(duì)位移反應(yīng)，并將其與地震記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到的結(jié)構(gòu)相對(duì)位移進(jìn)行對(duì)比分析，得到了結(jié)構(gòu)和方向在1、3、6和8層的相對(duì)位移標(biāo)定結(jié)果，如圖6所示。對(duì)比表明，相對(duì)位移計(jì)算值與記錄值實(shí)現(xiàn)了較好的一致性，再次表明該結(jié)構(gòu)模型的有效性。盡管該臺(tái)陣記錄到的這次地震較小，但是依然能夠開展結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究，并獲得了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性信息。

4 結(jié)論

本文以北京市防震減災(zāi)中心結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)觀測(cè)與結(jié)構(gòu)特性識(shí)別研究。利用結(jié)構(gòu)脈動(dòng)測(cè)試技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，識(shí)別出了結(jié)構(gòu)的在兩個(gè)軸向的前三階自振周期以及相應(yīng)的阻尼比，并通過傳遞函數(shù)方法勾畫出了結(jié)構(gòu)的前三階振型。自振振型顯示，振型幅值較大部位出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的3、6和8層。根據(jù)上述識(shí)別結(jié)果，按照結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣的觀測(cè)要求，建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)設(shè)置深井觀測(cè)點(diǎn)的綜合結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣。處理了該臺(tái)陣建成后的地震記錄，識(shí)別出了記錄的卓越頻率約為1.7Hz，這與脈動(dòng)測(cè)試得到的第一階自振周期0.6s一致性較好。臺(tái)陣數(shù)據(jù)的功率分析表明，井下加速度計(jì)記錄的數(shù)據(jù)存在高頻特性，根據(jù)該井下加速度計(jì)的設(shè)置方案，初步分析其成分來(lái)自鋼套管的剛性振動(dòng)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，分析得到的結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)、臺(tái)陣加速度記錄卓越頻率和脈動(dòng)測(cè)試得到的結(jié)構(gòu)一階頻率基本一致，結(jié)構(gòu)相對(duì)位移反應(yīng)時(shí)程也能夠?qū)崿F(xiàn)較好吻合。通過結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)和小震記錄分析，有效識(shí)別出了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，拓寬了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣的應(yīng)用領(lǐng)域，今后一旦獲得中強(qiáng)地震記錄，可開展結(jié)構(gòu)抗震性能分析等更深入的研究。

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Structural Seismic Vibration Observation and Identification for the Building of Disaster Reduction Center in Beijing

Wang Fei1, 2), Liu Yinghua2), Ren Zhilin1, 2)and Tian Yuming3)

1) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China?2) Earthquake Administration of Beijing Municipality, Beijing 100080, China?3) Beijing Eusci Technology Co. Ltd., Beijing 100043, China

The building of Disaster Reduction Center in Beijing is selected as an example for vibration observation and characteristics identification. Natural structural periods with their modes and damping ratio were calculated from ambient testing data in the building. Vibration modes suggest the amplitudes are distinct on the 3rd, 6th and 8th floors, based on the seismic observation array which was built in the building. Structural vibration characteristics are identified with the earthquake recordings in the array. High frequency component are notable in power spectrum of the borehole signal and analysis attributes it to the rigid vibration of the steel sleeve. Numerical simulation analysis that indicates the structural predominant frequency has a good match with measurements in combination with the ambient frequency. The relative displacements are likewise identical to the measurements on the observed floors. Structural vibration observation and numerical simulation analysis enable to the better observation significance for the structural seismic response observation array.

Ambient testing; Seismic response observation; Predominant frequency; Relativedisplacements

中國(guó)地震局青年科技骨干人才項(xiàng)目（201204190030）

2014-06-04

王飛，男，生于1979年。副研究員。主要研究領(lǐng)域：地震工程。E-mail：wangfei@bjseis.gov.cn