吳玖榮， 潘旭光， 傅繼陽， 徐 安

(1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣州 510006；2. 廣州大學(xué) 淡江大學(xué)工程結(jié)構(gòu)災(zāi)害與控制聯(lián)合研究中心，廣州 51006)

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，以及施工技術(shù)發(fā)展，城市的高層建筑正朝著越來越高，越來越柔方向發(fā)展。這些超高層建筑基本自振周期越來越長、自身阻尼越來越小，結(jié)構(gòu)風(fēng)敏感性也越來越大。我國高層建筑規(guī)程規(guī)定：對于超過一定高度及特殊體型的高層建筑結(jié)構(gòu)，其風(fēng)荷載必須經(jīng)過風(fēng)洞試驗確定。雖然風(fēng)洞試驗已經(jīng)廣泛用于高層建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和風(fēng)響應(yīng)估計，但是由于模型的尺寸效應(yīng)和邊界層風(fēng)場模擬的限制，風(fēng)洞實驗結(jié)果有時并不一定能完全準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)的風(fēng)效應(yīng)。但是可以用現(xiàn)場實測來彌補(bǔ)風(fēng)洞實驗不足。高層建筑風(fēng)場實測和風(fēng)致結(jié)構(gòu)振動實測主要為了獲得高層建筑在臺風(fēng)作用下橫風(fēng)向和順風(fēng)向湍流特性和結(jié)構(gòu)動力特性，為高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提供寶貴的資料。

在80年代，國內(nèi)高層建筑風(fēng)場實測幾乎為空白，到了90年代，Xu等[1]對深圳地王大廈在臺風(fēng)York作用下的風(fēng)場特征和風(fēng)致振動進(jìn)行了現(xiàn)場實測。近年來，Li等[2]在高層建筑的風(fēng)效應(yīng)實測方面開展了一系列的工作，特別是在高層建筑的阻尼問題、風(fēng)場觀測、風(fēng)致響應(yīng)實測及實測中測點的優(yōu)化布置等方面進(jìn)行了許多研究。李國強(qiáng)等[3]對于上海金茂大廈的自振特性進(jìn)行了原型實測研究。Fu等[4-5]也對廣州西塔頂部風(fēng)場特性和風(fēng)致結(jié)構(gòu)振動進(jìn)行過相關(guān)測試。另外近年來GPS技術(shù)有了很大的發(fā)展，葛茂榮等[6]將GPS技術(shù)應(yīng)用于高層建筑和橋梁的原型實測進(jìn)行了研究，重點研究了對于結(jié)構(gòu)位移的測試方法。上述實測工作的開展，有益地促進(jìn)了高層建筑抗風(fēng)相關(guān)方面的認(rèn)識和研究。但由于實測的案例相對于近年來蓬勃發(fā)展的高層建筑建設(shè)浪潮而言還較為缺乏，因此有必要進(jìn)一步繼續(xù)和深化此方面的研究工作[7]。

1 工程概況與臺風(fēng)簡介

利通廣場位于廣州市天河區(qū)黃埔大道與珠江大道東交匯處，總高度302.90 m，共64層，最高樓層264.60 m，結(jié)構(gòu)體系采用鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，地下5層，建筑面積為159 500 m2，圖1為利通廣場效果圖。

為了便于對利通廣場進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測，分別在利通廣場的17層、29層、38層、44層、52層和58層頂部安裝了加速度傳感器(圖2)，在利通廣場頂部安裝了風(fēng)速儀圖(3a)和GPS接收機(jī)(圖4)，分別用來監(jiān)測結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)作用下的加速度、位移、風(fēng)速大小和風(fēng)向。為防止由于屋面處氣流產(chǎn)生的漩渦擾動對風(fēng)速儀測試數(shù)據(jù)造成誤差，風(fēng)速儀安裝高度需超出屋面最高位置有一定的距離，本項目風(fēng)速儀離屋頂最高位置約3m，如圖(3b)所示。GPS接收機(jī)則安裝在屋頂頂面空曠無遮擋處，以便接受衛(wèi)星傳過來的相關(guān)信號。本工程GPS接收機(jī)安裝在屋頂角部最高位置處，可方便無遮擋地接收衛(wèi)星信號。加速度傳感器盒子內(nèi)安裝了兩個加速度傳感器，兩傳感器相互垂直放置，將盒子固定在上述六層頂部中心位置處，以獲取整體結(jié)構(gòu)兩個主軸方向(南北和東西兩個方向上)的加速度響應(yīng)。頂部安裝了超聲風(fēng)速儀和螺旋槳風(fēng)速儀用于測試三維和兩維風(fēng)速和風(fēng)向。將加速度傳感器和風(fēng)速儀的數(shù)據(jù)連接線連接至位于45層的弱電房內(nèi)，該方案的設(shè)置為利通廣場的長期連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集提供了便利。

2012年第8號臺風(fēng)“韋森特”與7月24日4時在廣東臺山市登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力13級，達(dá)到40米/秒?！绊f森特”強(qiáng)度強(qiáng)，影響范圍廣，風(fēng)雨影響重，廣州也在此次臺風(fēng)影響的范圍內(nèi)。利用前述的監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)臺風(fēng)“韋森特”影響廣州地區(qū)時，我們對廣州利通廣場實現(xiàn)了風(fēng)特性與風(fēng)振結(jié)構(gòu)響應(yīng)的同步監(jiān)測，記錄了長達(dá)16 h風(fēng)場數(shù)據(jù)及加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。本文主要對其風(fēng)場特性,結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動以及響應(yīng)結(jié)構(gòu)動力特性辨識進(jìn)行了一些分析和研究。

圖1 利通廣場效果圖

圖5 實測風(fēng)速時程

2 風(fēng)場特性分析

2.1 實測風(fēng)速和風(fēng)向

圖5～圖8分別為實測部分時段的風(fēng)速和風(fēng)向,風(fēng)攻角及根據(jù)風(fēng)向角、風(fēng)攻角求出的豎向風(fēng)速時程圖。

從上圖中可知風(fēng)向角為85°至100°之間變化，表明利通廣場此階段主要受到來自東風(fēng)的影響，總風(fēng)速在5 m/s～17 m/s之間波動，大部分時間總風(fēng)速大于11 m/s，豎向風(fēng)速在2 m/s～7 m/s之間變化。

2.2 湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子

如圖9、圖10所示,以3分鐘為平均時距取得的平均風(fēng)速和縱向湍流強(qiáng)度的關(guān)系，陣風(fēng)因子和平均風(fēng)速的關(guān)系，從上述圖中清楚地表明了湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)增大而減小，陣風(fēng)因子隨著平均風(fēng)速的增大而減小的趨勢。

2.3 脈動風(fēng)速功率譜密度

脈動風(fēng)速功率譜密度函數(shù)可以用來描述脈動風(fēng)的特性，其在頻域上的分布可以描述湍流動能在不同尺度水平上的能量分布比例。根據(jù)以往的實測及風(fēng)洞實驗測試結(jié)果，Von Karman譜認(rèn)為可以比較真實反應(yīng)脈動風(fēng)速的統(tǒng)計特征，其相應(yīng)表達(dá)式為：

(1)

3 結(jié)構(gòu)動力特性及振動監(jiān)測

3.1 結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)致加速度

圖12為利通廣場58層頂部東西(X)、南北(Y)方向，受臺風(fēng)“韋森特”影響時，長達(dá)16個小時的風(fēng)致加速度連續(xù)監(jiān)測結(jié)果。在X方向加速度最大值為：0.016 3 m/s2，Y方向加速度最大值 0.008 6 m/s2,該次監(jiān)測中最大加速度均在居住者難以感覺的范圍之內(nèi),符合國家相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求，滿足舒適度要求。

圖8 豎向風(fēng)速時程

圖11 脈動風(fēng)速功率譜

3.2 風(fēng)致加速度功率譜及其振型分析

本次采集數(shù)據(jù)由于受到通道限制，只在利通廣場的58、52、44、38層的風(fēng)致加速度響應(yīng)進(jìn)行了采集，圖13為58層兩個方向上加速度信號的功率譜情況，各方向功率譜中頻率點幅值尖峰非常明顯，極易分辨。以58樓為參考點，分別分析出其他樓層加速度信號與58層加速度信號的互譜密度和相干性以及相應(yīng)的相位關(guān)系，表1為各樓層加速度信號自功率譜識別得到的建筑物兩個主軸方向各階振型振動頻率值。表2為各層加速度信號與同方向58層加速度信號的相干性，從表中可以看出除個別較差外，其余各測點相干系數(shù)都很好，表明用采樣數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)法分析振型時具有良好的可靠性。圖14為58層加速度信號和52層加速度信號互功率譜，相干性和相位示意圖。

表1 自振頻率識別結(jié)果

表2 各測點對參考點相干系數(shù)

通過幅值譜和相干性分析，識別得到建筑物東西向和南北向的各階振型如下圖15、圖16所示。

3.3 阻尼比分析

阻尼是結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)中一種重要的動力特性。在獲得結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)的情況下，隨機(jī)減量法是一種具有良好精度的方法。其基本原理是從線性結(jié)構(gòu)振動的一個或是多個實測樣本函數(shù)中獲取自由振動反映的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行模態(tài)識別[8]。在隨機(jī)減量法中，選取信號的閾值直接關(guān)系到截取的信號數(shù)量，針對臺風(fēng)過程中監(jiān)測的結(jié)構(gòu)頂部加速度響應(yīng)信號，選用一系列的振幅閾值，計算結(jié)構(gòu)阻尼比，可以得到結(jié)構(gòu)阻尼比隨振動幅值的變化規(guī)律[9-10]。相關(guān)研究表明：建筑結(jié)構(gòu)的阻尼會隨結(jié)構(gòu)振動的幅值發(fā)生變化。以58層兩個方向的實測風(fēng)致加速度分析信號，采用隨機(jī)減量法，得出利通廣場兩個方向上第一階振型阻尼比隨振幅變化的相關(guān)規(guī)律及擬合曲線，如圖17所示。

圖17 第一振型阻尼比

從上述圖中可以看出結(jié)構(gòu)阻尼比依賴于結(jié)構(gòu)振動加速度振幅，而且隨著結(jié)構(gòu)振動振幅增大而增大的趨勢。本次實測的阻尼比在0.5%～2%之間變化。

4 GPS實測樓頂位移分析

4.1 實測樓頂位移時程

眾所周知，加速度傳感器通過和配套的積分放大器連接，可以對建筑物的動態(tài)位移、速度和加速度進(jìn)行測試，但對于受平均風(fēng)速引起的靜態(tài)平均位移無法進(jìn)行測量。而GPS測量系統(tǒng)則可以較好地彌補(bǔ)此方面的缺點。本文除對利通廣場進(jìn)行過加速度振動測試外，在此之前還曾對利通廣場進(jìn)行過僅受外界環(huán)境脈動影響下的GPS頂部位移測試，以便把GPS位移數(shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果進(jìn)一步與加速度分析結(jié)果加以對比分析。從風(fēng)致加速度和GPS位移測試兩方面，補(bǔ)充和驗證此超高層建筑物的動力特征。GPS數(shù)據(jù)測試采樣時間為2011年3月30日～4月1日，采集時現(xiàn)場基本無風(fēng)，可以看成是本建筑物在脈動狀態(tài)下的自身振動。圖18～19為將GPS樓頂位移分解至建筑物東西向(Y)和南北向(X)的變化歷程，測試時間約為連續(xù)48小時。

圖18 東西(X)向GPS位移變化曲線

圖19 南北(Y)向GPS位移變化曲線

4.2 GPS多路徑效應(yīng)分析

在進(jìn)行多路徑效應(yīng)分析時, 從總時程數(shù)據(jù)選取了前后連續(xù)兩天相同時間段數(shù)據(jù)進(jìn)行相干性分析。如下圖20所示為GPS所測頂部位移在X和Y方向的該時段數(shù)據(jù)變化曲線，以及各信號在后一天同一時間段數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性系數(shù)。

圖20 GPS多路徑效應(yīng)

圖21 多路徑效應(yīng)消除后的GPS信號自功率譜

從圖20得知，各信號在前后連續(xù)兩天同一時間段數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性系數(shù)，在時間為240s左右時達(dá)到最大。這與衛(wèi)星周期相符合，表明利通廣場頂部GPS信號受到周圍環(huán)境的影響，形成多路徑效應(yīng)，制約著定位精度。根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]的相關(guān)EMD算法，對GPS信號進(jìn)行多路徑效應(yīng)消除處理后，提取出GPS測試信號中與結(jié)構(gòu)振動相關(guān)的分量。由此得出兩個方向振動位移分量的自功率譜及識別的結(jié)構(gòu)自振頻率，如圖21所示。

5 實測動力特征結(jié)果與有限元分析對比

為驗證實測位移和風(fēng)致加速度的合理及有效性，本文將實測的GPS位移信號及樓層風(fēng)致加速度信號識別出的結(jié)構(gòu)自振頻率和有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對比分析，如表3所示。

表3 實測結(jié)果與有限元分析對比

根據(jù)表3分析，通過加速度信號識別的自振頻率與有限元分析結(jié)果較為接近，而通過GPS測量的位移信號所識別的結(jié)果與有限元分析結(jié)果有一定的差距。從表中可以看到，現(xiàn)場實測的結(jié)果在X和Y方向第一、第二階振型對應(yīng)的頻率均大于有限元的分析結(jié)果。其中主要的原因有2個：①非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在實際結(jié)構(gòu)中已參與工作，增加了整體結(jié)構(gòu)的剛度，而在有限元分析常予以忽略此部分對整體結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)。②結(jié)構(gòu)設(shè)計活荷載并沒有滿負(fù)荷，同時風(fēng)致加速度測試時，利通廣場主體結(jié)構(gòu)已施工完，但部分房間仍然處在裝修階段；而采用GPS測試頂部脈動位移時，利通廣場仍在頂部主體框架施工階段，各樓層均未進(jìn)入裝修階段，GPS測試時建筑的實際荷重更小于有限元分析考慮的總荷重。因此由風(fēng)致加速度和GPS位移測試數(shù)據(jù)，所識別的結(jié)構(gòu)自振頻率均比有限元理論分析結(jié)果要大。而GPS實測位移信號所得到的結(jié)果要更大些。由此證明實測分析結(jié)果與當(dāng)時的實際結(jié)構(gòu)布置狀況相符合，利用風(fēng)致加速度響應(yīng)和GPS技術(shù)均能有效識別實際結(jié)構(gòu)的自振頻率。

6 結(jié) 論

在臺風(fēng)“韋森特”影響下，對超高層建筑利通廣場頂部風(fēng)特性和風(fēng)致加速度響應(yīng)進(jìn)行了同步監(jiān)測，結(jié)合GPS樓頂位移和有限元對比分析，得出了如下相關(guān)結(jié)果：

(1)經(jīng)過分析實測數(shù)據(jù)得出了結(jié)構(gòu)頂部的平均風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子隨時間的變化歷程，并驗證了湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)增大而減小的規(guī)律，陣風(fēng)因子隨著平均風(fēng)速的增大而減小的趨勢。且Von Karman譜能夠很好地描述此超高層建筑頂部約300 m城市高空風(fēng)場的脈動風(fēng)速譜特征。

(2)根據(jù)本次臺風(fēng)沿建筑物四個樓層兩個主軸方向的實測風(fēng)致加速度，對此超高層建筑的自振頻率，振型和阻尼比進(jìn)行了參數(shù)辨識，所得結(jié)果能夠較為真實地反映此建筑物的動力特征。所識別的結(jié)構(gòu)阻尼比依賴于結(jié)構(gòu)振動加速度振幅，本次實測的阻尼比在0.5%～2%之間變化。

(3)根據(jù)實測風(fēng)致加速度和GPS樓頂位移測試，對其自振頻率辨識結(jié)果，結(jié)合實測當(dāng)時建筑物結(jié)構(gòu)布置的實際狀況，同有限元理論分析結(jié)果進(jìn)行了對比分析。進(jìn)一步證明了利用風(fēng)致加速度響應(yīng)和GPS技術(shù)均能有效識別實際結(jié)構(gòu)的自振頻率。

參 考 文 獻(xiàn)

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