監(jiān)控系統(tǒng)在高層建筑動力特性檢測中的應(yīng)用研究

梁世料

（浙江創(chuàng)龍建設(shè)有限公司，浙江 溫州 325802）

建筑結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)，主要是通過增加結(jié)構(gòu)的強度、剛度和延性來抵抗地震的作用，這是當(dāng)前工程結(jié)構(gòu)抗震減災(zāi)的主要型式。然而，對難以預(yù)見的強烈地震作用或復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，要想通過抗震技術(shù)做到萬無一失必須另辟途徑加以有效地解決。隨著新型材料的出現(xiàn)，允許較少部分的地震能量傳遞到上部建筑結(jié)構(gòu)的隔震技術(shù)、在結(jié)構(gòu)上附加特殊設(shè)施以消耗地震能量或改善結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性的消能減震技術(shù)應(yīng)運而生。

1 監(jiān)控系統(tǒng)用于高層建筑動力特性檢測

對于建筑物、構(gòu)筑物的動力特性進行檢測，監(jiān)控系統(tǒng)成為整個實驗系統(tǒng)的一部分，在各個控制節(jié)點布設(shè)高靈敏度傳感器，每個傳感器的運行狀況，由相應(yīng)的監(jiān)控攝像頭進行監(jiān)控，以減少人為近距離觀察對傳感器實測數(shù)據(jù)的影響。依據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)反饋的各點實驗狀態(tài)，調(diào)整實驗測點的布置，隨著激勵輸入源的不同，高層結(jié)構(gòu)反應(yīng)隨之不同，監(jiān)控記錄與傳感器數(shù)據(jù)記錄同步進行，為實驗各個階段的傳感器數(shù)據(jù)分析提供影像支持，提高整個結(jié)構(gòu)實驗的精度、可靠性和安全性。

2 監(jiān)控系統(tǒng)在高層建筑動力特性檢測中的應(yīng)用

2.1 阻尼比在歷史建筑保護性監(jiān)測中的應(yīng)用

阻尼比是建筑物在計算地震反應(yīng)時的一個基本參數(shù)。由于阻尼比無法通過理論計算得到，只有通過現(xiàn)場實測分析才能得到。結(jié)構(gòu)阻尼比的明顯變化是判斷結(jié)構(gòu)受損的重要依據(jù)之一，特別是對歷史建筑的保護性監(jiān)測更具有參考價值。歷史建筑從材料本身到建造工藝等都與現(xiàn)代建筑相差較大，由于歷史建筑的造型獨特、構(gòu)造復(fù)雜以及材料性能退化等，采用有限元軟件模擬難度較大，且有限元模擬的材料本構(gòu)模型與實際模型的差別、假定的邊界條件與實際情況的差異、網(wǎng)格劃分精度影響等導(dǎo)致單純的有限元模擬分析一般不具有獨立可信性，往往需要相關(guān)試驗的支撐和佐證。

2.2 高層結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度分布

由于實際地震作用的極其復(fù)雜性，高層建筑的規(guī)則性要求，對于提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震安全性是至關(guān)重要的?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 （JGJ3—2010） 第3.5.2 條中，對高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性有明確規(guī)定：沿豎向，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度變化均勻，本層與相鄰上層的側(cè)向剛度比值不宜小于0.7，與相鄰上部三層剛度平均值的比值不宜小于0.8。結(jié)構(gòu)的分析模型要力求符合實際，但在結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析中常常將一部分構(gòu)件作為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如某些隔墻、填充墻或圍護墻），它們不參與地震力的抗御工作。實際情況并非如此，非結(jié)構(gòu)部件對結(jié)構(gòu)剛度的影響有時不能忽略，有的鋼筋混凝土框架中的填充墻大大增加了該層位的剛度，從而改變了振動的模式，這樣的層位如在二層以上，而底層沒有采取相應(yīng)的措施，則此房屋成為弱底層結(jié)構(gòu)，地震時底層極易破壞。正是由于建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度的重要性，以及理論計算的局限性，對于工程結(jié)構(gòu)實際的剛度分布狀況，是否達到設(shè)計要求、是否符合規(guī)范規(guī)定，實測的剛度分布數(shù)據(jù)是科學(xué)、客觀的判定依據(jù)。汶川8 級地震震害表明，豎向不規(guī)則的房屋結(jié)構(gòu)，破壞尤為嚴(yán)重。業(yè)主方為方便使用，一些結(jié)構(gòu)底層設(shè)計成空曠大開間，上部為住宅，結(jié)構(gòu)上剛下柔，下部剛度、強度不足，成為薄弱層，在地震中底層框架柱屈服，破壞嚴(yán)重，造成結(jié)構(gòu)整體傾斜或倒塌。

2.3 頻率在結(jié)構(gòu)異常振動檢測鑒定中的應(yīng)用

在生產(chǎn)設(shè)備振動造成的結(jié)構(gòu)異常振動的檢測鑒定中，動力特性測試是重要的檢測手段。有振動設(shè)備的樓層在設(shè)備運行時的異常振動主要有2 種原因:一種是由于機器(設(shè)備) 的激振力頻率與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的固有頻率接近或一致，導(dǎo)致發(fā)生共振;另一種則是由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身的剛度不夠，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件在強迫振動情況下的振幅較大。

2.4 結(jié)構(gòu)自振特性分析

1） 基頻較高，第一基頻為8．88Hz，反映了結(jié)構(gòu)整體剛度大的特點；2） 結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振基頻與平動為主的第一自振基頻的比值為0．51 (8．88/17．31），扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響不明顯，抗扭能力滿足要求；3） 水平振型為主，豎向振型表現(xiàn)不明顯；4） 考慮到豎向振型對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，真三維模態(tài)疊加時程分析方法應(yīng)該考慮20 階以上的振型；5） 從結(jié)構(gòu)振型可以得出，建筑結(jié)構(gòu)如果考慮質(zhì)心、形心、剪心的幾何分布，并加入合適的阻尼效應(yīng)，采用簡化三維模型能夠得到合理的結(jié)果，且高效可靠。

3 結(jié)語

本文經(jīng)過對單自由度和多自由度結(jié)構(gòu)對地基簡諧振動輸入的動力反應(yīng)特性的解析分析，得出如下主要結(jié)論：1） 在現(xiàn)有多本隔震建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計論著中，結(jié)構(gòu)絕對位移和相對位移(層間變形） 的概念有所混淆；2） 采用基底隔震技術(shù)的建筑，與抗震結(jié)構(gòu)相比，其上部結(jié)構(gòu)的絕對位移均會大幅降低，而并非現(xiàn)有相關(guān)論著所述的那樣會加大；3） 對基底隔震建筑，增大隔震層阻尼，會降低隔震層的層間變形，但會減弱對上部結(jié)構(gòu)絕對位移和加速度的隔震效果；4） 本文對多自由度結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的線性分析方法，可供建筑隔震初步設(shè)計參考。