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号贾
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1 第 10 卷第 3 期 2015 年 9 月震灾防御技术 Technology for Earthquake Disaster Prevention Vol. 10,No. 3 Sep.,2015 王飞, 刘英华, 任志林, 田宇明,2015. 北京市防震减灾中心结构地震反应观测及振动特性识别. 震灾防御技术,10(3): doi: /zzfy 北京市防震减灾中心结构地震反应观测 1 及振动特性识别王飞 1,2) 刘英华 2) 任志林 2) 田宇明 3) 1) 中国地震局地球物理研究所, 北京 ) 北京市地震局, 北京 ) 北京优赛科技有限公司, 北京摘要以北京市防震减灾中心结构为例, 进行了结构的地震反应观测及振动特性识别研究基于半功率带宽法对结构脉动测试数据进行了分析, 计算出了结构自振周期和振型以及相应的阻尼比各振型都具有较大幅值的楼层分别位于 3 6 和 8 层, 据此设计并建成了结构地震反应观测台阵分析台阵地震记录识别出了结构的自振特性, 同时功率谱曲线显示, 井下数据存在高频特性, 初步判定其来自钢套管振动开展结构的数值模拟分析, 利用观测楼层上地震记录的卓越频率不断修正结构数值模型, 直至结构反应与地震记录的频率值相符, 且与脉动测试数据基本一致, 相对位移对比分析发现, 在该模型基础上相对位移反应与相对位移记录基本吻合结构地震反应观测和数值模拟分析较好地实现了结构地震反应观测台阵的观测目的关键词 : 脉动测试地震反应观测卓越频率相对位移引言结构地震反应观测是强震动观测技术的重要分支, 旨在了解和掌握结构体系在强地震作用下的反应性状 ( 谢礼立等,1982) 一旦获得了某结构的强震记录, 相当于对该结构进行了一次原型试验, 大量信息可用来揭示结构的抗震性能, 这将有助于提高结构抗震设计的水平, 改进抗震设计标准, 帮助减轻未来地震灾害 ( 李鸿晶等,2003;Mehmet 等,1987) 同时, 结构强震反应记录还能通过重建结构地震反应的方式, 来检验结构地震反应分析中数值模型或试验模型的可靠性 (Mehmet,2001) 美国是世界上最早开展结构地震观测的国家, 通过实施国家强震动计划等项目建成了 250 多个不同结构类型的密集地震观测台阵目前正在实施的项目是美国老兵医院的结构地震反应观测, 可实现在 70 座医疗建筑上安装密集地震观测台阵的目标 (Kalkan 等,2012), 基于上述项目的实施已经获取了丰富的结构地震反应记录和科研成果而我国大陆地区的结 1 基金项目中国地震局青年科技骨干人才项目 ( ) [ 收稿日期 ] [ 作者简介 ] 王飞, 男, 生于 1979 年副研究员主要研究领域 : 地震工程 wangfei@bjseis.gov.cn

2 540 震灾防御技术 10 卷构观测水平起步较晚, 近几年才逐渐开始建设结构地震反应观测台阵 ( 周正华等,2004; 金星等,2007) 为充分发挥结构地震反应观测台阵的应用价值, 选择适合的台阵布设方法并获取结构振动记录用以开展结构反应和振动特性的识别, 目前已经越来越受到地震工程专家的重视本文以北京市防震减灾中心结构为例, 通过结构脉动观测识别得到了结构的自振特性, 并基于自振特性分析结果构建了结构地震反应观测台阵, 获得的台阵记录可用于定量地分析结构振动特性和反应水平 1 结构概况北京市防震减灾中心主楼是基础隔震框架 - 剪力墙结构, 该结构地上 8 层, 地下 2 层, 高度为 33.0m, 结构的平面布置如图 1 所示在地下室顶板梁柱之间总共设置了 37 个橡胶支座, 其中铅芯橡胶支座 17 个, 普通橡胶支座 20 个本研究将在该结构上建成完整的地震反应观测系统, 开展结构振动观测如果该台阵能记录到较大的地震, 可将这些数据用于识别和验证基础隔震结构抗震性能的优越性, 为提高此类结构的抗震性能和改进其抗震设计提供参考 ( 金星等,2007;2009) 若观测系统只记录到小震或脉动数据, 那么结构基础隔震作用还有待进一步验证 ( 魏陆顺等,2007), 但利用这些记录开展结构振动特性的识别, 对结构地震反应观测也具有重要意义图 1 结构平面图 ( 单位 :m) Fig. 1 Structure plan view (unit: m) 2 振动观测 2.1 脉动测试为使结构地震反应观测台阵的建设有据可依, 并保证设计方案的合理性, 结构主体封顶后, 采用脉动测试方法对结构的动力特性进行了现场实测 ( 贾洪等,2007) 建筑物动力特性是结构自身的固有特性, 不会因脉动激励信号不同而改变因此, 脉动法以环境激振作为实际建筑物的输入, 通过对结构物脉动响应的观察, 利用工程振动反演方法测定结构的动力特性参数测试所用设备为 4 台内置三分向加速度计的数字强震仪, 主要记录环境激振作用下楼层

3 3 期王飞等 : 北京市防震减灾中心结构地震反应观测及振动特性识别 541 加速度反应先将设备置于 8 层同一位置, 记录环境振动, 截取记录中噪声较弱部分约 120s 的数据开展一致性分析, 并以此作为一致性校正的基础将设备分别置于和 8 层的几何中心位置进行测试 ( 王飞等,2011) 对记录数据的自功率谱和测点间的互功率谱进行分析, 笔者得到了结构 X 和 Y 方向的前三阶自振周期同时, 利用各测点频谱图用半功率带宽法计算出各测点在前三阶周期上的阻尼比在环境激振作用下, 结构自振周期及阻尼比的计算结果如表 1 所示以 8 层测点为输入, 其余测点为输出, 用输入和输出测点之间的传递函数分析振型对没有安装观测设备的其他楼层的振型幅值依据经验振型形状进行估算, 图 2 为结构在 X 和 Y 方向上的前三阶振型表 1 环境激振作用下的结构振型周期与阻尼比 Table 1 The periods and damping ratios for the first three modes under environmental excitation 振型 X 方向 T(s) ξ(%) Y 方向 T(s) ξ(%) Mode I Mode II Mode III Mode I Mode II Mode III X 方向 Y 方向图 2 环境激振下 X 和 Y 方向的前三阶振型 Fig.2 The first three modes in X and Y directions under environmental excitation 2.2 结构反应观测基于脉动测试得到的 X 和 Y 两个方向的平动振型, 各振型中幅值较大的楼层分别位于 3 层 6 层和 8 层根据结构地震反应观测台阵的布设原则, 测点优先选择布设在上述楼层同时为记录结构隔震层上下的结构反应区别, 分别在 1 层和地下室 B2 地面上布设相应的测点每一个楼层的几何中心和两端分别布设加速度计, 几何中心的加速度计用于记录结构沿长轴和短轴两个方向的平动 ; 结构两端的加速度计用于计算结构的扭转综合考虑上述因

4 542 震灾防御技术 10 卷素并结合现场踏勘结果, 初步确定结构地震反应观测台阵每个测点的具体位置经协调, 在不影响结构使用功能的条件下, 确定了该结构地震反应观测台阵的建设方案反应观测台阵设置了 11 个结构观测点,1 个井下观测点, 每个测点布设了三分量 MEMS 型力平衡式加速度计, 其中观测井深 100.0m, 这是国内建成的首个设置深井观测点的结构地震反应观测台阵具体测点布置如图 3 所示台阵仪器设备主要包括 2 台美国 REFTEK 公司生产的 130-MC 型 18 道数据采集器 ;12 只三分量 MEMS 型力平衡式加速度计经振动台试验测试和现场验收测试, 数据采集器和加速度计均符合中国数字强震动台网技术规程中有关结构地震反应观测的技术要求图 3 加速度计位置示意图上述结构台阵建成试运行后, 记录到了 Fig. 3 Sensor layout with a total of 36 sensors 2012 年 6 月 18 日发生在天津宝坻区河北玉田县交界的 4.0 级地震和 2012 年 7 月 24 日北京市海淀地区发生的 1.4 级地震 2 次记录均震相明显, 可用于开展结构振动参数的识别分析笔者利用 Matlab 程序代码分别对上述 4.0 级地震的东西向和南北向数据进行 Hz 的带通滤波, 并计算相应的功率谱, 具体如图 4 所示 X 方向 Y 方向图 4 结构 X 和 Y 方向的地震记录波形及其功率谱 Fig. 4 Waveforms and power spectra in X and Y directions 通过功率谱分析可发现, 记录的卓越频率主要集中在 1.7Hz 左右, 而表 1 中脉动测试识别出的结构第一阶振型的周期约为 0.6s, 二者吻合较好, 共同反映出结构的自振特性功率谱曲线还表明, 井下加速度计在 2 个水平方向的振动具有较明显的高频成分, 无法较好地反映地层的特性笔者认为, 这是由于井下加速度计放置在钢套管底端, 尽管钢套管底部与周围地层实现了较好的耦合, 但加速度计直接记录的主要是钢套管的刚性振动, 该振动具有高频特性这是在今后井下加速度计安装建设中应该引起重视的问题, 宜选择更合适的安装方式以减小套管本身振动的干扰

5 3 期王飞等 : 北京市防震减灾中心结构地震反应观测及振动特性识别数值分析对比结构的反应和动力分析预测的反应, 不管是在频域的系统特性识别还是时域的反应时程, 都能提供丰富的信息来检验当前数值模拟方法的有效性, 所以利用开源软件 OpenSees (OpenSees,2009) 建立北京市防震减灾中心结构的三维分析模型模型中主要包括结构梁柱楼板和隔震层其中, 梁柱采用弹塑性梁柱 DispBeamColumn 单元模拟,X 方向的外侧梁尺寸为 0.70m 0.35m, 内侧梁尺寸为 0.60m 0.35m;Y 方向梁尺寸为 0.60m 0.35m,1 6 层柱截面尺寸为 0.70m 0.70m;7 和 8 层的柱截面尺寸为 0.60m 0.60m 材料采用双线性硬化本构关系, 其中, 弹性模量为 N/m 2 ; 剪切模量为 N/m 2 ; 屈服力为 N/m 2 ; 硬化系数取 2% 楼板采用刚性膜 RigidDiaphragm 单元模拟, 以保证每一层上所有节点不产生相对位移隔震层每个节点采用 3 个方向的 Zerolength 单元, 其刚度系数分别依据隔震支座的竖向刚度和抗剪刚度确定, 取值分别为 N/m 和 N/m 将地下室 2 层传感器的地震记录作为结构数值分析的地震动输入, 开展结构动力时程反应分析, 确定结构的所有楼层地震反应水平首先通过记录的结构卓越频率来修正结构模型将 X 和 Y 方向和 8 层的台阵记录的加速度数据进行傅里叶变换, 确定出结构的卓越频率, 然后分析结构加速度反应结果, 并使分析结果与频率达到较高的一致性, 傅里叶谱如图 5 所示如果二者一致性较差, 可通过修改结构刚度和质量参数来提高一致性, 直至满足要求对比发现 3 6 和 8 层的记录和分析结果的频率成分可以实现较高的一致性考虑到记录数据的峰值很小, 不容易从噪声中区分开来, 因此在 1 层上二者匹配不好对比分析识别出结构 X 方向第一阶自振频率约为 1.72Hz,Y 方向自振频率约为 1.65Hz, 与前述脉动测试数据基本一致对比结果表明, 所建结构模型与原型结构吻合, 因此可以基于该模型开展结构地震反应的对比分析图 5 结构 X 和 Y 方向的傅里叶谱对比 Fig.5 Comparison of the Fourier spectra in X and Y direction

6 544 震灾防御技术 10 卷 X 方向 Y 方向图 6 结构 X 和 Y 方向的相对位移对比 Fig.6 Comparison of the relative displacements in X and Y direction 其次, 根据时程反应分析结果计算结构在不同楼层上的相对位移反应, 并将其与地震记录数据转换得到的结构相对位移进行对比分析, 得到了结构 X 和 Y 方向在和 8 层的相对位移标定结果, 如图 6 所示对比表明, 相对位移计算值与记录值实现了较好的一致性, 再次表明该结构模型的有效性尽管该台阵记录到的这次地震较小, 但是依然能够开展结构地震反应研究, 并获得了结构的振动特性信息 4 结论本文以北京市防震减灾中心结构为例, 进行了结构的振动观测与结构特性识别研究利用结构脉动测试技术和数据处理方法, 识别出了结构的在两个轴向的前三阶自振周期以及相应的阻尼比, 并通过传递函数方法勾画出了结构的前三阶振型自振振型显示, 振型幅值较大部位出现在结构的 3 6 和 8 层根据上述识别结果, 按照结构地震反应观测台阵的观测要求, 建成了国内首个设置深井观测点的综合结构地震反应观测台阵处理了该台阵建成后的地震记录, 识别出了记录的卓越频率约为 1.7Hz, 这与脉动测试得到的第一阶自振周期 0.6s 一致性较好台阵数据的功率分析表明, 井下加速度计记录的数据存在高频特性, 根据该井下加速度计的设置方案, 初步分析其成分来自钢套管的刚性振动数值模拟结果表明, 分析得到的结构加速度反应台阵加速度记录卓越频率和脉动测试得到的结构一阶频率基本一致, 结构相对位移反应时程也能够实现较好吻合通过结构的脉动测试数据和小震记录分析, 有效识别出了结构的振动特性, 拓宽了结构地震反应观测台阵的应用领域, 今后一旦获得中强地震记录, 可开展结构抗震性能分析等更深入的研究

7 3 期王飞等 : 北京市防震减灾中心结构地震反应观测及振动特性识别 545 参考文献贾洪, 徐茂义, 闫维明, 李振宝,2007. 某隔震结构动力特性的理论分析与脉动测试. 震灾防御技术,2(4): 金星, 韦永祥, 陈学良, 康兰池,2007. 隔震建筑结构的强震观测与初步分析. 地震工程与工程振动,27(6): 金星, 韦永祥, 张红才, 李宏宇, 李军,2009. 基于强震观测的隔震结构地震反应分析. 地震工程与工程振动,29(2): 李鸿晶, 朱士云,Mehmet Celebi,2003. 强震观测建筑结构的地震反应分析. 地震工程与工程振动,23(6): 谢礼立, 于双久,1982. 强震观测与分析原理. 北京 : 地震出版社. 周正华, 李铁, 代志勇, 吴惟廉, 任增云,2004. 建筑结构地震反应观测系统. 地球物理学进展,19(4): 王飞, 刘博, 阎婷, 罗桂纯,2011. 某办公楼结构基础隔震分析与脉动测试. 振动与冲击,30(S): 魏陆顺, 周福霖, 陈建秋, 任珉, 夏昌,2007. 隔震结构特性测试研究. 振动与冲击,26(3): Kalkan E., Krishna B.S., Ulusoy H., Fletcher J., Leith W., Blair J., Helping safeguard Veterans Affairs' hospital buildings by advanced earthquake monitoring: U.S. Geological Survey Fact Sheet , available at Mehmet C., Erdal S., Gerald B., Integrated Instrumentation Plan for Assessing the Seismic Response of Structures-A Review of the Current USGS Program. Mehmet C., Current Practice and Guidelines for USGS Instrumentation of Buildings Including Federal Buildings. Prepared for COSMOS (Consortium of Organizations for Strong-Motion Observation Systems) Workshop on Structural Instrumentation Emeryville, Ca. OpenSees, Open Source Finite Element Platform for Earthquake Engineering Simulations, University of California Berkeley, Pacific Earthquake Engineering Center, 2009, Available online at edu/, last accessed on Oct

8 546 震灾防御技术 10 卷 Structural Seismic Vibration Observation and Identification for the Building of Disaster Reduction Center in Beijing Wang Fei 1, 2), Liu Yinghua 2), Ren Zhilin 1, 2) and Tian Yuming 3) 1) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing , China 2) Earthquake Administration of Beijing Municipality, Beijing , China 3) Beijing Eusci Technology Co. Ltd., Beijing , China Abstract 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. Key words: Ambient testing; Seismic response observation; Predominant frequency; Relative displacements

JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION Vol. 31 No. 5 Oct /35 TU3521 P315.

31 5 2011 10 JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION Vol. 31 No. 5 Oct. 2011 1000-1301 2011 05-0075 - 09 510405 1 /35 TU3521 P315. 8 A Earthquake simulation shaking table test and analysis