胡榮攀 汪羽凡 王立新 林健富 劉軍香 趙賢任

（深圳防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究院, 廣東深圳 518000）

引言

由于我國城市化進(jìn)程加快及城市土地資源稀缺，越來越多的超高層建筑拔地而起，這些超高層建筑承擔(dān)著居住、辦公、娛樂、文化等功能，在城市生活中扮演著重要的角色。然而超高層建筑服役期間會(huì)受到強(qiáng)風(fēng)、地震等荷載作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)或過大的位移，從而影響住戶舒適度甚至結(jié)構(gòu)安全。受環(huán)境侵蝕時(shí)，在建筑材料老化、動(dòng)荷載疲勞等因素作用下，超高層建筑結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生抗力退化、損失累積，對(duì)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生巨大威脅。由于超高層建筑結(jié)構(gòu)具有人員密集、使用率高的特點(diǎn)，一旦結(jié)構(gòu)破壞，將對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成不可估量的損失。在超高層建筑結(jié)構(gòu)上安裝健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，追蹤結(jié)構(gòu)全壽命周期的性能變化，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估與預(yù)警，是保障超高層建筑安全運(yùn)營的重要措施。

近年來，超高層建筑健康監(jiān)測研究及工程應(yīng)用均取得了顯著進(jìn)展，大量超高層建筑安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全在線監(jiān)測，包括迪拜哈利法塔（Kijewski-Correa 等，2013）、廣州塔（Ni 等，2009）、金茂大廈（李志強(qiáng)，2007）、上海中心大廈（Su 等，2013；Hu 等，2020）、深圳地王大廈（郭西銳等，2016）等。由于超高層建筑體積龐大、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、構(gòu)件繁多，對(duì)超高層建筑進(jìn)行全面健康監(jiān)測往往需要安裝大量的傳感器，但由于傳統(tǒng)傳感器成本高昂，限制了健康監(jiān)測系統(tǒng)在超高層建筑中的應(yīng)用和推廣。隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）傳感器技術(shù)的發(fā)展，MEMS 型加速度傳感器的準(zhǔn)確性、靈敏度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍有了很大的提升（D'Alessandro 等，2019），相較于傳統(tǒng)的力平衡式加速度傳感器，MEMS 型加速度傳感器具有體積小、功耗低、成本低等特點(diǎn)，使利用MEMS 型加速度傳感器構(gòu)建低成本超高層建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)成為可能。

目前MEMS 型加速度傳感器主要應(yīng)用于地震預(yù)警及震后結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估。Cochran 等（2009）提出了基于MEMS 的新型強(qiáng)震觀測網(wǎng)絡(luò)，并命名為Quake-Catcher Network （QCN），用于為地震災(zāi)害提供預(yù)警。Nof 等（2019）提出使用低成本的MEMS 加速度計(jì)組成迷你陣列，用于改善地震預(yù)警，并部署在加州大學(xué)伯克利分校和洪堡州立大學(xué)進(jìn)行驗(yàn)證。臺(tái)灣大學(xué)的研究人員（Wu 等，2013；Wu，2015）以低成本的MEMS型加速度傳感器建立了高密度地震預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，稱為P-wave-alert-device（P-Alert）。Fu 等（2019）利用2018-2019 年華南地區(qū)實(shí)測地震記錄，評(píng)估了低成本高密度MEMS 強(qiáng)震觀測臺(tái)陣在地震預(yù)警中的效果。除在強(qiáng)震觀測與地震預(yù)警方面的應(yīng)用，不少學(xué)者開展了基于低成本MEMS 型加速度傳感器的建筑物震后損傷評(píng)估研究。Spencer 等（2004）研發(fā)了基于MEMS 的智能傳感器陣列，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估的效果。Pozzi 等（2011）研發(fā)了基于MEMS 的加速度與應(yīng)變傳感器，并將其用于結(jié)構(gòu)震后損傷評(píng)估。Hsu 等（2018）進(jìn)行了一系列鋼結(jié)構(gòu)破壞振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，證實(shí)了P-alert MEMS 型加速度傳感器對(duì)震后建筑安全評(píng)估的有效性。Yin 等（2016）通過開展8 層1/4 跨鋼架結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了MEMS 型加速度傳感器可有效測量結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，且可估計(jì)結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率。Lin 等（2021）利用MEMS 型加速度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)頂部位移及層間位移角，進(jìn)行高層建筑震后安全評(píng)估。Wang 等（2022）將MEMS 型加速度傳感器用于多層建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)測試，并與力平衡式加速度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)中的幅值、信噪比及模態(tài)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

目前MEMS 型加速度傳感器多應(yīng)用于強(qiáng)震觀測及實(shí)驗(yàn)室條件下的結(jié)構(gòu)監(jiān)測，對(duì)于MEMS 型加速度傳感器在超高層建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測中的應(yīng)用研究較少，尤其缺乏基于MEMS 型加速度傳感器的環(huán)境激勵(lì)下超高層建筑振動(dòng)監(jiān)測及結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別研究。此外，對(duì)不同類型、品牌MEMS 型加速度傳感器在超高層建筑監(jiān)測中性能差異的研究較少。為此，本研究針對(duì)不同類型MEMS 型加速度傳感器在超高層建筑振動(dòng)監(jiān)測中的應(yīng)用效果進(jìn)行測試與分析，并與傳統(tǒng)高精度力平衡加速度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)中的時(shí)程、頻譜、結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以分析MEMS 型加速度傳感器的適用性。

1 傳感器與振動(dòng)測試環(huán)境

選用G1B 型力平衡式三軸加速度傳感器、MEMS-I 型三軸加速度傳感器（Hu 等，2021）、Palert-Plus型三軸MEMS 加速度傳感器、AC217 型三軸MEMS 加速度傳感器和Palert-Advance 型三軸MEMS 加速度傳感器（Wu 等，2013）作為監(jiān)測儀器（圖1），以深圳地王大廈為試驗(yàn)場地，進(jìn)行傳感器性能對(duì)比測試。

圖1 不同種類傳感器Fig. 1 Product pictures of different sensors

1.1 傳感器參數(shù)對(duì)比

本試驗(yàn)以G1B 型力平衡式加速度傳感器為基準(zhǔn)設(shè)備，該設(shè)備加速度校準(zhǔn)結(jié)果不確定度為2.0%（k值為2），滿足結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測精度要求。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of parameters of different sensors

1.2 振動(dòng)測試環(huán)境

深圳地王大廈建成于1996 年，地處深圳灣江入?？?，經(jīng)常受強(qiáng)風(fēng)或臺(tái)風(fēng)影響，偶爾受地震影響。主樓結(jié)構(gòu)高度（至天面）為310 m，天面上部連接2 個(gè)直徑為6 m、高度為15 m 的圓柱，上部為2 個(gè)59 m 高桅桿，桅桿頂標(biāo)高為383.95 m。地王大廈地面以上為69 層，加上避難層和設(shè)備層，結(jié)構(gòu)層為81 層。地王大廈主樓采用鋼框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)形式，分別在2、22、41、66 層設(shè)置4 個(gè)加強(qiáng)層，利用高度為2 層樓高的伸臂鋼桁架連接核心筒與外圍框架柱，使外圍框架柱起到抗傾覆作用（郭西銳等，2016）。主樓結(jié)構(gòu)平面由1 個(gè)矩形和2 個(gè)半徑為12.5 m 的半圓組成，短軸x為東西向，寬35.5 m，長軸y為南北向，長68.55 m。

為對(duì)比不同加速度傳感器在超高層建筑振動(dòng)監(jiān)測中的性能差異，將傳感器安裝在地王大廈66 層相同測點(diǎn)，測量方向與結(jié)構(gòu)x、y、z軸保持一致，如圖2（a）所示，測點(diǎn)平面位置如圖2（b）所示，現(xiàn)場安裝照片如圖2（c）所示。所有傳感器采樣頻率均設(shè)置為100 Hz，監(jiān)測數(shù)據(jù)由傳感器內(nèi)置模塊采集，并由4G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳回遠(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)分析。

圖2 地王大廈測點(diǎn)位置Fig. 2 Layout of sensor installation on Diwang building

2 環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比

環(huán)境振動(dòng)下儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)的噪聲水平是衡量傳感器精度的重要指標(biāo)，也是影響結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別精度的重要因素，本文分別從時(shí)域和頻域角度對(duì)比不同傳感器在超高層建筑環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測應(yīng)用中的性能差別。超高層建筑環(huán)境振動(dòng)以水平方向?yàn)橹?，為此僅對(duì)傳感器x、y向環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。因超高層建筑自振頻率低，結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)以低頻為主，因此對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行0.1～10 Hz 帶通濾波，并進(jìn)行去均值處理。

2.1 時(shí)域?qū)Ρ?/h3>

選取測點(diǎn)10 min 的環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，各傳感器雖放置在同一測點(diǎn)，但測得的加速度幅值不同，按加速度幅值由小到大排列，依次為G1B 型、MEMS-I 型、Palert-Plus、AC217 型、Palert-Advance 型加速度傳感器。這是因?yàn)閭鞲衅鞑杉降募铀俣刃盘?hào)主要由結(jié)構(gòu)振動(dòng)和傳感器噪聲疊加構(gòu)成，而不同類型的傳感器儀器噪聲水平不同，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)相同的情況下，儀器噪聲越大，傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)幅值越大。通過計(jì)算環(huán)境激勵(lì)下傳感器加速度時(shí)程的均方根可更直觀地比較各傳感器噪聲幅值，均方根越小，測量噪聲水平相對(duì)越小。

圖3 不同類型加速度傳感器加速度時(shí)程曲線Fig. 3 Acceleration time histories of different sensors in x and y directions

計(jì)算得到不同傳感器x、y向加速度時(shí)程的均方根如表2 所示。由表2 可知，不同傳感器x、y向加速度時(shí)程的均方根基本相同。其中，G1B 型加速度傳感器x、y向加速度時(shí)程的均方根均最小，MEMS-I 型、Palert-Plus 型加速度傳感器x、y向加速度時(shí)程的均方根約為G1B 型加速度傳感器的2.5 倍，AC217 型、Palert-Advance 型加速度傳感器x、y向加速度時(shí)程的均方根約為G1B 型加速度傳感器的3 倍。

表 2 不同傳感器 x 、 y向加速度時(shí)程的均方根Table 2 RMS of acceleration measurement of different sensors in x and y directions

2.2 頻域?qū)Ρ?/h3>

為對(duì)比不同傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻域特性，選取2021 年11 月3 日11:00-12:00 傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到各傳感器x、y向加速度信號(hào)頻譜，如圖4 所示，并提取各傳感器x、y向頻譜中同頻率的四階波峰對(duì)應(yīng)的傅里葉幅值，計(jì)算出與G1B 型加速度傳感器結(jié)果的相對(duì)誤差，如圖5 所示。

由圖4 可知，G1B 型加速度傳感器在0.1～10 Hz 頻率段儀器噪聲水平遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)，結(jié)構(gòu)各階頻率波峰明顯，4 種MEMS 型加速度傳感器儀器噪聲水平較高，環(huán)境激勵(lì)下2 Hz 以上的結(jié)構(gòu)高頻振動(dòng)頻率波峰難以清晰識(shí)別。由0.1～2 Hz 低頻段頻譜對(duì)比結(jié)果可知，MEMS-I 型、 Palert-Plus 型、AC217 型加速度傳感器均可清晰識(shí)別結(jié)構(gòu)低階振動(dòng)模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率波峰，但由圖5 可知，MEMS-I 型加速度傳感器監(jiān)測的結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻譜幅值與G1B 型加速度傳感器結(jié)果的相對(duì)誤差較小，且為正偏離（幅值較大），而Palert-Plus 型、AC217 型加速度傳感器監(jiān)測的結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻譜幅值與G1B 型加速度傳感器結(jié)果有較大差異，且多為負(fù)偏離（幅值較?。?。Palert-Advance 型加速度傳感器由于儀器噪聲過大，無法較好地識(shí)別出結(jié)構(gòu)除第一階以外的頻率波峰，監(jiān)測的結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻譜幅值與G1B 型加速度傳感器結(jié)果的相對(duì)誤差最大，且多為負(fù)偏離（幅值較小）。

圖4 不同傳感器x、y 向加速度傅里葉譜Fig. 4 Fourier spectrum of acceleration measurement of different sensors in x and y directions

圖5 不同傳感器x、y 向加速度傅里葉譜幅值相對(duì)誤差對(duì)比Fig. 5 Relative errors of peak Fourier spectrum amplitudes of different sensors

3 模態(tài)頻率識(shí)別結(jié)果對(duì)比

自振頻率是超高層建筑結(jié)構(gòu)的重要?jiǎng)恿μ卣鳎ㄟ^追蹤結(jié)構(gòu)自振頻率變化，可了解結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，因此基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)對(duì)超高層建筑進(jìn)行模態(tài)識(shí)別是振動(dòng)監(jiān)測的重要目標(biāo)。利用頻域分解法對(duì)不同MEMS 型加速度傳感器記錄的超高層建筑環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)頻率識(shí)別，并對(duì)比識(shí)別效果和精度。

3.1 模態(tài)頻率識(shí)別方法

根據(jù)Brincker 等（2001）的研究，為更好地通過環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率進(jìn)行識(shí)別，降低儀器噪聲的干擾，可對(duì)傳感器x、y向加速度信號(hào)的互功率譜密度矩陣進(jìn)行奇異值分解，繪制分解后的特征值曲線，在靠近結(jié)構(gòu)固有頻率的位置將出現(xiàn)峰值。將奇異值曲線轉(zhuǎn)化為能量譜圖，通過對(duì)比峰值能量與周圍噪聲能量的相對(duì)值，可準(zhǔn)確識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率，算法流程如圖6 所示，具體步驟如下：

圖6 基于頻域分解法的模態(tài)頻率識(shí)別流程Fig. 6 Flowchart of the FDD-based modal frequency identification method

（1）對(duì)某個(gè)時(shí)間長度x、y向?qū)崪y加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到x、y向頻譜。

（4）提取第一階奇異值曲線，并繪制能量譜，不同能量值通過不同顏色表示，能量越高越接近紅色，能量越低越接近藍(lán)色。

（5）取多個(gè)長度相同的時(shí)間段，重復(fù)步驟1～4，得到多條第一階奇異值曲線能量譜，將其組成時(shí)頻能量云圖。

（6）選取云圖中與背景噪聲顏色對(duì)比度明顯的紅色或黃色線條，并將能量條對(duì)應(yīng)的頻率作為結(jié)構(gòu)自振頻率，模態(tài)頻率與背景噪聲對(duì)應(yīng)能量云圖的顏色對(duì)比度越高，頻率識(shí)別精準(zhǔn)度越高。

3.2 模態(tài)頻率識(shí)別結(jié)果

為對(duì)比不同類型加速度傳感器在結(jié)構(gòu)頻率識(shí)別中的效果，選取5 天（2021 年11 月1 日至5 日）環(huán)境振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，利用頻域分解法對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率進(jìn)行識(shí)別，得到不同類型加速度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)頻能量云圖，如圖7 所示。

圖7 不同傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)頻能量云圖Fig. 7 Time-frequency domain color map of the vibration energy of different sensor measurement

由圖7 可知，G1B 型加速度傳感器對(duì)應(yīng)的時(shí)頻能量云圖中，結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的13 條紅色能量帶清晰可見，且與藍(lán)綠色噪聲能量帶形成鮮明對(duì)比，界限清晰可見，因而可精準(zhǔn)識(shí)別結(jié)構(gòu)各階模態(tài)頻率。MEMSI 型、Palert-Plus 型、AC217 型加速度傳感器對(duì)應(yīng)的時(shí)頻能量云圖中，噪聲能量帶為黃綠色或黃紅色，高階模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的紅色能量帶與噪聲能量帶的對(duì)比度不夠明顯，但仍可識(shí)別除1.83 Hz 以外的十二階結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率。另外，Palert-Plus 型加速度傳感器低階噪聲能量較高，會(huì)影響低階模態(tài)頻率的識(shí)別精度。而Palert-Advance 型加速度傳感器對(duì)應(yīng)的時(shí)頻能量云圖中，僅有前六階結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的紅色能量帶較清晰，其他階結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的紅色能量帶與噪聲能量帶顏色接近，影響模態(tài)識(shí)別的精準(zhǔn)度，且在較多時(shí)間段結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量淹沒于噪聲中，導(dǎo)致無法識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率。

為驗(yàn)證本文采用的模態(tài)頻率識(shí)別方法的準(zhǔn)確性和有效性，將基于G1B 型加速度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)識(shí)別的結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率與郭西銳等（2016）、徐楓等（2014）的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3 所示。由表3 可知，G1B型加速度傳感器模態(tài)頻率識(shí)別結(jié)果與郭西銳等（2016）研究結(jié)果的最大誤差≤0.85%，與徐楓等（2014）研究結(jié)果的最大誤差≤0.98%，且可識(shí)別結(jié)構(gòu)前十三階模態(tài)頻率，驗(yàn)證了本文采用的頻率識(shí)別方法的準(zhǔn)確性和有效性，可進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算分析。

表3 G1B 型加速度傳感器實(shí)測自振頻率識(shí)別結(jié)果與已有研究結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of modal frequency identification results between G1B accelerometer and references

計(jì)算基于4 種MEMS 型加速度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)識(shí)別的結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率，并與G1B 型加速度傳感器的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到相對(duì)誤差，如表4 所示。由表4 可知，根據(jù)MEMS-I 型加速度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)識(shí)別的結(jié)構(gòu)各階模態(tài)頻率與G1B 型加速度傳感器得到的結(jié)果相對(duì)誤差最小，大部分模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差≤0.1%，最大相對(duì)誤差僅為0.17%。

表4 不同類型加速度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)的模態(tài)頻率識(shí)別結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of modal frequencies identified from the measurement of different sensors

4 地震響應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比

2022 年3 月14 日2:28:48，廣東省惠州市惠東縣海域（115.04°E，22.51°N）發(fā)生4.1 級(jí)地震，震源深度25 km，震中位置距地王大廈約100 km。G1B 型、MEMS-I 型加速度傳感器完整記錄到了此次地震事件引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。由于Palert-Plus 型、AC217 型、Palert-Advance 型加速度傳感器進(jìn)行了維護(hù)，地震期間未記錄到結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

選取G1B 型、MEMS-I 型加速度傳感器1 min 內(nèi)記錄的結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程曲線進(jìn)行分析，如圖8 所示。由G1B 型加速度傳感器監(jiān)測結(jié)果可知，此次地震引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)以豎向振動(dòng)為主，x、y向振動(dòng)加速度峰值分別為0.473、0.548 cm/s2，z向振動(dòng)加速度峰值約為1.99 cm/s2。MEMS-I 型加速度傳感器測得x、y、z向結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度峰值分別為0.521、0.57、1.99 cm/s2，與G1B 型加速度傳感器監(jiān)測結(jié)果接近，差值＜0.05 cm/s2。截取地震響應(yīng)峰值數(shù)據(jù)（圖8 中18～24 s 的波形）進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9 所示。由圖可知，MEMS-I 型加速度傳感器記錄的x、y、z向結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度波形與G1B 型加速度傳感器記錄結(jié)果較吻合。G1B 型、MEMS-I型加速度傳感器記錄的結(jié)構(gòu)頻譜曲線對(duì)比如圖10 所示，由圖可知，MEMS-I 型加速度傳感器記錄的結(jié)構(gòu)頻譜曲線與G1B 型加速度傳感器記錄結(jié)果較吻合。綜上所述，MEMS-I 型傳感器適用于結(jié)構(gòu)地震監(jiān)測。

圖8 G1B 型、MEMS-I 型加速度傳感器監(jiān)測的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)時(shí)程曲線Fig. 8 Comparison of earthquake-induced structural responses measured by the G1B and MEMS-I accelerometers

圖9 G1B 型、MEMS-I 型加速度傳感器監(jiān)測的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)局部波形Fig. 9 Detailed comparison of earthquake-induced structural responses measured by the G1B and MEMS-I accelerometers

圖10 G1B 型、MEMS-I 型加速度傳感器監(jiān)測的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)頻譜曲線Fig. 10 Comparison of Fourier spectrum of earthquake-induced structural responses measured by the G1B and MEMS-I accelerometers

5 結(jié)語

為研究MEMS 型加速度傳感器在超高層建筑振動(dòng)監(jiān)測中的性能，本研究選取4 種不同類型MEMS 型加速度傳感器，與G1B 型力平衡式加速度傳感器安裝在超高層建筑相同位置進(jìn)行對(duì)比測試試驗(yàn)。

對(duì)不同傳感器在建筑物環(huán)境振動(dòng)下監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可知4 種MEMS 型加速度傳感器儀器噪聲水平高于G1B 型加速度傳感器，在2～10 Hz 的高頻率段，由于結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)微弱，4 種MEMS 型加速度傳感器均無法清晰識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)振動(dòng)；在0.1～2 Hz 低頻段，可從MEMS-I 型、Palert-Plus 型、AC217 型加速度傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)中分辨出結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)應(yīng)的頻率，但Palert-Plus 型、AC217 型加速度傳感器測量的結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的頻譜峰值與G1B 型加速度傳感器存在較大差異。

為對(duì)比不同類型加速度傳感器環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率識(shí)別精準(zhǔn)度，采用頻域分解法對(duì)傳感器x、y向加速度互功率譜進(jìn)行奇異值分解，并繪制時(shí)頻能量云圖，對(duì)比結(jié)果表明基于MEMS-I 型加速度傳感器數(shù)據(jù)的模態(tài)識(shí)別精度優(yōu)于另外3 種MEMS 型加速度傳感器，且與G1B 型加速度傳感器模態(tài)頻率識(shí)別結(jié)果吻合較好。

對(duì)MEMS-I 型、G1B 型加速度傳感器監(jiān)測的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域?qū)Ρ?，證明了MEMS-I型加速度傳感器可較準(zhǔn)確地記錄到結(jié)構(gòu)強(qiáng)振動(dòng)響應(yīng)，適用于超高層建筑日常結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測。