北京市防震減災(zāi)中心結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測及振動特性識別1

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)觀測及振動特性識別1

王 飛1,2）劉英華2）任志林2）田宇明3）

1）中國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，進行了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)觀測及振動特性識別研究。基于半功率帶寬法對結(jié)構(gòu)脈動測試數(shù)據(jù)進行了分析，計算出了結(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)計并建成了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺陣。分析臺陣地震記錄識別出了結(jié)構(gòu)的自振特性，同時功率譜曲線顯示，井下數(shù)據(jù)存在高頻特性，初步判定其來自鋼套管振動。開展結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析，利用觀測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，且與脈動測試數(shù)據(jù)基本一致，相對位移對比分析發(fā)現(xiàn)，在該模型基礎(chǔ)上相對位移反應(yīng)與相對位移記錄基本吻合。結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測和數(shù)值模擬分析較好地實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺陣的觀測目的。

脈動測試 地震反應(yīng)觀測 卓越頻率 相對位移

引言

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

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

為充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺陣的應(yīng)用價值，選擇適合的臺陣布設(shè)方法并獲取結(jié)構(gòu)振動記錄用以開展結(jié)構(gòu)反應(yīng)和振動特性的識別，目前已經(jīng)越來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)脈動觀測識別得到了結(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)觀測臺陣，獲得的臺陣記錄可用于定量地分析結(jié)構(gòu)振動特性和反應(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個橡膠支座，其中鉛芯橡膠支座17個，普通橡膠支座20個。本研究將在該結(jié)構(gòu)上建成完整的地震反應(yīng)觀測系統(tǒng)，開展結(jié)構(gòu)振動觀測。如果該臺陣能記錄到較大的地震，可將這些數(shù)據(jù)用于識別和驗證基礎(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)的抗震性能和改進其抗震設(shè)計提供參考（金星等，2007；2009）。若觀測系統(tǒng)只記錄到小震或脈動數(shù)據(jù)，那么結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震作用還有待進一步驗證（魏陸順等，2007），但利用這些記錄開展結(jié)構(gòu)振動特性的識別，對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測也具有重要意義。

2 振動觀測

2.1脈動測試

為使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺陣的建設(shè)有據(jù)可依，并保證設(shè)計方案的合理性，結(jié)構(gòu)主體封頂后，采用脈動測試方法對結(jié)構(gòu)的動力特性進行了現(xiàn)場實測（賈洪等，2007）。建筑物動力特性是結(jié)構(gòu)自身的固有特性，不會因脈動激勵信號不同而改變。因此，脈動法以環(huán)境激振作為實際建筑物的輸入，通過對結(jié)構(gòu)物脈動響應(yīng)的觀察，利用工程振動反演方法測定結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)。

測試所用設(shè)備為4臺內(nèi)置三分向加速度計的數(shù)字強震儀，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，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行測試（王飛等，2011）。

對記錄數(shù)據(jù)的自功率譜和測點間的互功率譜進行分析，筆者得到了結(jié)構(gòu)和方向的前三階自振周期。同時，利用各測點頻譜圖用半功率帶寬法計算出各測點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算結(jié)果如表1所示。以8層測點為輸入，其余測點為輸出，用輸入和輸出測點之間的傳遞函數(shù)分析振型。對沒有安裝觀測設(shè)備的其他樓層的振型幅值依據(jù)經(jīng)驗振型形狀進行估算，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

基于脈動測試得到的和兩個方向的平動振型，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)觀測臺陣的布設(shè)原則，測點優(yōu)先選擇布設(shè)在上述樓層。同時為記錄結(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)的測點。每一個樓層的幾何中心和兩端分別布設(shè)加速度計，幾何中心的加速度計用于記錄結(jié)構(gòu)沿長軸和短軸兩個方向的平動；結(jié)構(gòu)兩端的加速度計用于計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。綜合考慮上述因素并結(jié)合現(xiàn)場踏勘結(jié)果，初步確定結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺陣每個測點的具體位置。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)觀測臺陣的建設(shè)方案。反應(yīng)觀測臺陣設(shè)置了11個結(jié)構(gòu)觀測點，1個井下觀測點，每個測點布設(shè)了三分量MEMS型力平衡式加速度計，其中觀測井深100.0m，這是國內(nèi)建成的首個設(shè)置深井觀測點的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺陣。具體測點布置如圖3所示。臺陣儀器設(shè)備主要包括2臺美國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。經(jīng)振動臺試驗測試和現(xiàn)場驗收測試，數(shù)據(jù)采集器和加速度計均符合中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)技術(shù)規(guī)程中有關(guān)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測的技術(shù)要求。

上述結(jié)構(gòu)臺陣建成試運行后，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級地震和2012年7月24日北京市海淀地區(qū)發(fā)生的1.4級地震。2次記錄均震相明顯，可用于開展結(jié)構(gòu)振動參數(shù)的識別分析。筆者利用Matlab程序代碼分別對上述4.0級地震的東西向和南北向數(shù)據(jù)進行0.2—10Hz的帶通濾波，并計算相應(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中脈動測試識別出的結(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，井下加速度計在2個水平方向的振動具有較明顯的高頻成分，無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放置在鋼套管底端，盡管鋼套管底部與周圍地層實現(xiàn)了較好的耦合，但加速度計直接記錄的主要是鋼套管的剛性振動，該振動具有高頻特性。這是在今后井下加速度計安裝建設(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的干擾。

3 數(shù)值分析

對比結(jié)構(gòu)的反應(yīng)和動力分析預(yù)測的反應(yīng)，不管是在頻域的系統(tǒng)特性識別還是時域的反應(yīng)時程，都能提供豐富的信息來檢驗當(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)點不產(chǎn)生相對位移。隔震層每個節(jié)點采用3個方向的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)值分析的地震動輸入，開展結(jié)構(gòu)動力時程反應(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)卓越頻率來修正結(jié)構(gòu)模型。將和方向1、3、6和8層的臺陣記錄的加速度數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，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)來提高一致性，直至滿足要求。對比發(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現(xiàn)較高的一致性?？紤]到記錄數(shù)據(jù)的峰值很小，不容易從噪聲中區(qū)分開來，因此在1層上二者匹配不好。對比分析識別出結(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，與前述脈動測試數(shù)據(jù)基本一致。對比結(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)的對比分析。

其次，根據(jù)時程反應(yīng)分析結(jié)果計算結(jié)構(gòu)在不同樓層上的相對位移反應(yīng)，并將其與地震記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到的結(jié)構(gòu)相對位移進行對比分析，得到了結(jié)構(gòu)和方向在1、3、6和8層的相對位移標(biāo)定結(jié)果，如圖6所示。對比表明，相對位移計算值與記錄值實現(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，進行了結(jié)構(gòu)的振動觀測與結(jié)構(gòu)特性識別研究。利用結(jié)構(gòu)脈動測試技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，識別出了結(jié)構(gòu)的在兩個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)上述識別結(jié)果，按照結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺陣的觀測要求，建成了國內(nèi)首個設(shè)置深井觀測點的綜合結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺陣。處理了該臺陣建成后的地震記錄，識別出了記錄的卓越頻率約為1.7Hz，這與脈動測試得到的第一階自振周期0.6s一致性較好。臺陣數(shù)據(jù)的功率分析表明，井下加速度計記錄的數(shù)據(jù)存在高頻特性，根據(jù)該井下加速度計的設(shè)置方案，初步分析其成分來自鋼套管的剛性振動。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)、臺陣加速度記錄卓越頻率和脈動測試得到的結(jié)構(gòu)一階頻率基本一致，結(jié)構(gòu)相對位移反應(yīng)時程也能夠?qū)崿F(xiàn)較好吻合。通過結(jié)構(gòu)的脈動測試數(shù)據(jù)和小震記錄分析，有效識別出了結(jié)構(gòu)的振動特性，拓寬了結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺陣的應(yīng)用領(lǐng)域，今后一旦獲得中強地震記錄，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

中國地震局青年科技骨干人才項目（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