监控系统在高层建筑动力特性检测中的应用研究

梁世料

（浙江创龙建设有限公司，浙江 温州 325802）

建筑结构抗震技术，主要是通过增加结构的强度、刚度和延性来抵抗地震的作用，这是当前工程结构抗震减灾的主要型式。然而，对难以预见的强烈地震作用或复杂的建筑结构，要想通过抗震技术做到万无一失必须另辟途径加以有效地解决。随着新型材料的出现，允许较少部分的地震能量传递到上部建筑结构的隔震技术、在结构上附加特殊设施以消耗地震能量或改善结构地震反应特性的消能减震技术应运而生。

1 监控系统用于高层建筑动力特性检测

对于建筑物、构筑物的动力特性进行检测，监控系统成为整个实验系统的一部分，在各个控制节点布设高灵敏度传感器，每个传感器的运行状况，由相应的监控摄像头进行监控，以减少人为近距离观察对传感器实测数据的影响。依据监控系统反馈的各点实验状态，调整实验测点的布置，随着激励输入源的不同，高层结构反应随之不同，监控记录与传感器数据记录同步进行，为实验各个阶段的传感器数据分析提供影像支持，提高整个结构实验的精度、可靠性和安全性。

2 监控系统在高层建筑动力特性检测中的应用

2.1 阻尼比在历史建筑保护性监测中的应用

阻尼比是建筑物在计算地震反应时的一个基本参数。由于阻尼比无法通过理论计算得到，只有通过现场实测分析才能得到。结构阻尼比的明显变化是判断结构受损的重要依据之一，特别是对历史建筑的保护性监测更具有参考价值。历史建筑从材料本身到建造工艺等都与现代建筑相差较大，由于历史建筑的造型独特、构造复杂以及材料性能退化等，采用有限元软件模拟难度较大，且有限元模拟的材料本构模型与实际模型的差别、假定的边界条件与实际情况的差异、网格划分精度影响等导致单纯的有限元模拟分析一般不具有独立可信性，往往需要相关试验的支撑和佐证。

2.2 高层结构侧移刚度分布

由于实际地震作用的极其复杂性，高层建筑的规则性要求，对于提高建筑结构的抗震安全性是至关重要的。《高层建筑混凝土结构技术规程》 （JGJ3—2010） 第3.5.2 条中，对高层钢筋混凝土建筑结构的竖向规则性有明确规定：沿竖向，结构的侧向刚度变化均匀，本层与相邻上层的侧向刚度比值不宜小于0.7，与相邻上部三层刚度平均值的比值不宜小于0.8。结构的分析模型要力求符合实际，但在结构的地震反应分析中常常将一部分构件作为非结构构件（如某些隔墙、填充墙或围护墙），它们不参与地震力的抗御工作。实际情况并非如此，非结构部件对结构刚度的影响有时不能忽略，有的钢筋混凝土框架中的填充墙大大增加了该层位的刚度，从而改变了振动的模式，这样的层位如在二层以上，而底层没有采取相应的措施，则此房屋成为弱底层结构，地震时底层极易破坏。正是由于建筑结构抗侧移刚度的重要性，以及理论计算的局限性，对于工程结构实际的刚度分布状况，是否达到设计要求、是否符合规范规定，实测的刚度分布数据是科学、客观的判定依据。汶川8 级地震震害表明，竖向不规则的房屋结构，破坏尤为严重。业主方为方便使用，一些结构底层设计成空旷大开间，上部为住宅，结构上刚下柔，下部刚度、强度不足，成为薄弱层，在地震中底层框架柱屈服，破坏严重，造成结构整体倾斜或倒塌。

2.3 频率在结构异常振动检测鉴定中的应用

在生产设备振动造成的结构异常振动的检测鉴定中，动力特性测试是重要的检测手段。有振动设备的楼层在设备运行时的异常振动主要有2 种原因:一种是由于机器(设备) 的激振力频率与结构构件的固有频率接近或一致，导致发生共振;另一种则是由于结构构件本身的刚度不够，导致结构构件在强迫振动情况下的振幅较大。

2.4 结构自振特性分析

1） 基频较高，第一基频为8．88Hz，反映了结构整体刚度大的特点；2） 结构以扭转为主的第一自振基频与平动为主的第一自振基频的比值为0．51 (8．88/17．31），扭转效应对结构的影响不明显，抗扭能力满足要求；3） 水平振型为主，竖向振型表现不明显；4） 考虑到竖向振型对结构响应的影响，真三维模态叠加时程分析方法应该考虑20 阶以上的振型；5） 从结构振型可以得出，建筑结构如果考虑质心、形心、剪心的几何分布，并加入合适的阻尼效应，采用简化三维模型能够得到合理的结果，且高效可靠。

3 结语

本文经过对单自由度和多自由度结构对地基简谐振动输入的动力反应特性的解析分析，得出如下主要结论：1） 在现有多本隔震建筑结构设计论著中，结构绝对位移和相对位移(层间变形） 的概念有所混淆；2） 采用基底隔震技术的建筑，与抗震结构相比，其上部结构的绝对位移均会大幅降低，而并非现有相关论著所述的那样会加大；3） 对基底隔震建筑，增大隔震层阻尼，会降低隔震层的层间变形，但会减弱对上部结构绝对位移和加速度的隔震效果；4） 本文对多自由度结构动力反应的线性分析方法，可供建筑隔震初步设计参考。