利通廣場臺風特性與風致振動分析

吳玖榮， 潘旭光， 傅繼陽， 徐 安

(1.廣州大學 土木工程學院，廣州 510006；2. 廣州大學 淡江大學工程結構災害與控制聯合研究中心，廣州 51006)

隨著科學技術進步，以及施工技術發展，城市的高層建筑正朝著越來越高，越來越柔方向發展。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，結構風敏感性也越來越大。我國高層建筑規程規定：對于超過一定高度及特殊體型的高層建筑結構，其風荷載必須經過風洞試驗確定。雖然風洞試驗已經廣泛用于高層建筑結構的風荷載和風響應估計，但是由于模型的尺寸效應和邊界層風場模擬的限制，風洞實驗結果有時并不一定能完全準確地模擬結構的風效應。但是可以用現場實測來彌補風洞實驗不足。高層建筑風場實測和風致結構振動實測主要為了獲得高層建筑在臺風作用下橫風向和順風向湍流特性和結構動力特性，為高層建筑結構抗風設計提供寶貴的資料。

在80年代，國內高層建筑風場實測幾乎為空白，到了90年代，Xu等[1]對深圳地王大廈在臺風York作用下的風場特征和風致振動進行了現場實測。近年來，Li等[2]在高層建筑的風效應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、風場觀測、風致響應實測及實測中測點的優化布置等方面進行了許多研究。李國強等[3]對于上海金茂大廈的自振特性進行了原型實測研究。Fu等[4-5]也對廣州西塔頂部風場特性和風致結構振動進行過相關測試。另外近年來GPS技術有了很大的發展，葛茂榮等[6]將GPS技術應用于高層建筑和橋梁的原型實測進行了研究，重點研究了對于結構位移的測試方法。上述實測工作的開展，有益地促進了高層建筑抗風相關方面的認識和研究。但由于實測的案例相對于近年來蓬勃發展的高層建筑建設浪潮而言還較為缺乏，因此有必要進一步繼續和深化此方面的研究工作[7]。

1 工程概況與臺風簡介

利通廣場位于廣州市天河區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，結構體系采用鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構，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行長期連續監測，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速儀圖(3a)和GPS接收機(圖4)，分別用來監測結構在強風作用下的加速度、位移、風速大小和風向。為防止由于屋面處氣流產生的漩渦擾動對風速儀測試數據造成誤差，風速儀安裝高度需超出屋面最高位置有一定的距離，本項目風速儀離屋頂最高位置約3m，如圖(3b)所示。GPS接收機則安裝在屋頂頂面空曠無遮擋處，以便接受衛星傳過來的相關信號。本工程GPS接收機安裝在屋頂角部最高位置處，可方便無遮擋地接收衛星信號。加速度傳感器盒子內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，以獲取整體結構兩個主軸方向(南北和東西兩個方向上)的加速度響應。頂部安裝了超聲風速儀和螺旋槳風速儀用于測試三維和兩維風速和風向。將加速度傳感器和風速儀的數據連接線連接至位于45層的弱電房內，該方案的設置為利通廣場的長期連續監測數據采集提供了便利。

2012年第8號臺風“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力13級，達到40米/秒。“韋森特”強度強，影響范圍廣，風雨影響重，廣州也在此次臺風影響的范圍內。利用前述的監測系統。當臺風“韋森特”影響廣州地區時，我們對廣州利通廣場實現了風特性與風振結構響應的同步監測，記錄了長達16 h風場數據及加速度響應數據。本文主要對其風場特性,結構風致振動以及響應結構動力特性辨識進行了一些分析和研究。

圖1 利通廣場效果圖

圖5 實測風速時程

2 風場特性分析

2.1 實測風速和風向

圖5～圖8分別為實測部分時段的風速和風向,風攻角及根據風向角、風攻角求出的豎向風速時程圖。

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

2.2 湍流強度和陣風因子

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

2.3 脈動風速功率譜密度

脈動風速功率譜密度函數可以用來描述脈動風的特性，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。根據以往的實測及風洞實驗測試結果，Von Karman譜認為可以比較真實反應脈動風速的統計特征，其相應表達式為：

(1)

3 結構動力特性及振動監測

3.1 結構頂部風致加速度

圖12為利通廣場58層頂部東西(X)、南北(Y)方向，受臺風“韋森特”影響時，長達16個小時的風致加速度連續監測結果。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,該次監測中最大加速度均在居住者難以感覺的范圍之內,符合國家相關技術規程要求，滿足舒適度要求。

圖8 豎向風速時程

圖11 脈動風速功率譜

3.2 風致加速度功率譜及其振型分析

本次采集數據由于受到通道限制，只在利通廣場的58、52、44、38層的風致加速度響應進行了采集，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的相位關系，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都很好，表明用采樣數據的傳遞函數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 自振頻率識別結果

表2 各測點對參考點相干系數

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

阻尼是結構模態參數中一種重要的動力特性。在獲得結構加速度響應數據的情況下，隨機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構振動的一個或是多個實測樣本函數中獲取自由振動反映的數據，再進行模態識別[8]。在隨機減量法中，選取信號的閾值直接關系到截取的信號數量，針對臺風過程中監測的結構頂部加速度響應信號，選用一系列的振幅閾值，計算結構阻尼比，可以得到結構阻尼比隨振動幅值的變化規律[9-10]。相關研究表明：建筑結構的阻尼會隨結構振動的幅值發生變化。以58層兩個方向的實測風致加速度分析信號，采用隨機減量法，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規律及擬合曲線，如圖17所示。

圖17 第一振型阻尼比

從上述圖中可以看出結構阻尼比依賴于結構振動加速度振幅，而且隨著結構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位移、速度和加速度進行測試，但對于受平均風速引起的靜態平均位移無法進行測量。而GPS測量系統則可以較好地彌補此方面的缺點。本文除對利通廣場進行過加速度振動測試外，在此之前還曾對利通廣場進行過僅受外界環境脈動影響下的GPS頂部位移測試，以便把GPS位移數據的頻譜分析結果進一步與加速度分析結果加以對比分析。從風致加速度和GPS位移測試兩方面，補充和驗證此超高層建筑物的動力特征。GPS數據測試采樣時間為2011年3月30日～4月1日，采集時現場基本無風，可以看成是本建筑物在脈動狀態下的自身振動。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多路徑效應分析

在進行多路徑效應分析時, 從總時程數據選取了前后連續兩天相同時間段數據進行相干性分析。如下圖20所示為GPS所測頂部位移在X和Y方向的該時段數據變化曲線，以及各信號在后一天同一時間段數據之間的相關性系數。

圖20 GPS多路徑效應

圖21 多路徑效應消除后的GPS信號自功率譜

從圖20得知，各信號在前后連續兩天同一時間段數據之間的相關性系數，在時間為240s左右時達到最大。這與衛星周期相符合，表明利通廣場頂部GPS信號受到周圍環境的影響，形成多路徑效應，制約著定位精度。根據文獻[11-12]的相關EMD算法，對GPS信號進行多路徑效應消除處理后，提取出GPS測試信號中與結構振動相關的分量。由此得出兩個方向振動位移分量的自功率譜及識別的結構自振頻率，如圖21所示。

5 實測動力特征結果與有限元分析對比

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

表3 實測結果與有限元分析對比

根據表3分析，通過加速度信號識別的自振頻率與有限元分析結果較為接近，而通過GPS測量的位移信號所識別的結果與有限元分析結果有一定的差距。從表中可以看到，現場實測的結果在X和Y方向第一、第二階振型對應的頻率均大于有限元的分析結果。其中主要的原因有2個：①非結構構件在實際結構中已參與工作，增加了整體結構的剛度，而在有限元分析常予以忽略此部分對整體結構剛度的貢獻。②結構設計活荷載并沒有滿負荷，同時風致加速度測試時，利通廣場主體結構已施工完，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。因此由風致加速度和GPS位移測試數據，所識別的結構自振頻率均比有限元理論分析結果要大。而GPS實測位移信號所得到的結果要更大些。由此證明實測分析結果與當時的實際結構布置狀況相符合，利用風致加速度響應和GPS技術均能有效識別實際結構的自振頻率。

6 結 論

在臺風“韋森特”影響下，對超高層建筑利通廣場頂部風特性和風致加速度響應進行了同步監測，結合GPS樓頂位移和有限元對比分析，得出了如下相關結果：

(1)經過分析實測數據得出了結構頂部的平均風速、風向、湍流強度、陣風因子隨時間的變化歷程，并驗證了湍流強度隨平均風增大而減小的規律，陣風因子隨著平均風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城市高空風場的脈動風速譜特征。

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

(3)根據實測風致加速度和GPS樓頂位移測試，對其自振頻率辨識結果，結合實測當時建筑物結構布置的實際狀況，同有限元理論分析結果進行了對比分析。進一步證明了利用風致加速度響應和GPS技術均能有效識別實際結構的自振頻率。

參 考 文 獻

[1]Xu Y L, Zhan S. Field measurements of Di Wang Tower during Typhoon York [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001,89(1):73-93.

[2]Li Q S, Fang J Q, Jeary A P,et al. Evaluation of wind effects on a super tall building based on full scale measurements[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,2000,29(2):1845-1862.

[3]李國強, 陳素文, 李 杰，等. 上海金茂大廈結構動力特性測試[J].土木工程學報, 2000,33(2):35-39.

LI Guo-qiang, CHEN Su-wen, LI Jie，et al. Dynamic characterstic test on Shanghai JinMao Tower[J]. Journal of Civil Engineering, 2000,33(2):35-39.

[4]Fu J Y, Wu J R, Xu A，et al. Full-scale measurements of wind effects on Guangzhou West Tower[J]. Enginering Structures, 2012, 35：120-139.

[5]陳 麗，李秋勝，吳玖榮，等.中信廣場風場特性及風致結構振動的同步監測 [J].自然災害學報，2006,15(3):169-174.

CHEN Li, LI Qiu-sheng, WU Jiu-rong et al. Simultaneous monitoring of wind characteristic and wind-induced vibration of main tower in CITIC Plaza [J]. Journal of Natural Disasters, 2006, 15(3):169-174.

[6]葛茂榮, 過靜君, 葛勝杰. GPS工程結構監測系統的建立及應用[J]. 解放軍測繪學院學報.1999,16(2):79-82.

GE Mao-rong, GUO Jing-jun, GE Sheng-jie. The establishment and application of GPS engineering structure monitoring system[J]. Journal of Geomatics Science and Technology, 1999,16(2):79-82.

[7]李中付,宋漢文,華宏星，等.基于環境激勵的模態參數識別方法綜述[J].振動工程學報, 2000,13(s):578-582.

LI Zhong-fu, SONG Han-wen,HUA Hong-xing，et al. Review of modal identification method based on ambient excitation[J]. Journal of Vibration Engineering, 2000,13(s):578-582.

[8]孟慶豐，何正嘉. 隨機減量技術中周期激勵的影響及消除方法[J].振動與沖擊,2003,22(1):100-102.

MENG Qing-feng, HE Zheng-jia. The effect of periodic excitation and its removing method in random decrement technique[J]. Journal of Shock and Vibration, 2003,22(1):100-102.

[9]Lia Q S, Wua J R,Lianga S G et al. Full-scale measurements and numerical evaluation of wind-induced vibration of a 63-story reinforced concrete super tall building[J]. Engineering Structures,2004, 26:1779-1794.

[10]陳德成，姜節勝. 隨機減量技術的方法與理論[J].振動與沖擊,1984,3(4):31-39.

CHEN De-cheng, JIANG Jie-sheng. The method and theory of random decrement technique[J]. Journal of Shock and Vibration, 1984,3(4):31-39.

[11]戴吾蛟，丁曉利，朱建軍. GPS動態變形測量中的多路徑效應特征研究[J]. 大地測量與地球動力學，2008,28(1):65-71.

DAI Wu-jiao, DING Xiao-li, ZHU Jian-jun. Study on multipath effect in structure health monitoring using GPS[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics,2008,28(1):65-71.

[12]戴吾蛟，丁曉利，朱建軍，等. 基于經驗模式分解濾波去噪法及其在GPS多路徑效應中的應用[J]. 測繪學報，2006,35(4)：321-327.

DAI Wu-jiao, DING Xiao-li, ZHU Jian-jun et al.EMD filter method and its application in GPS multipath[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2006,35(4)：321-327.