北京市防震減災中心結構地震反應觀測及振動特性識別1

王 飛 劉英華 任志林 田宇明

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北京市防震減災中心結構地震反應觀測及振動特性識別1

王 飛1,2）劉英華2）任志林2）田宇明3）

1）中國地震局地球物理研究所，北京 100081?2）北京市地震局，北京 100080?3）北京優賽科技有限公司，北京 100043

以北京市防震減災中心結構為例，進行了結構的地震反應觀測及振動特性識別研究?；诎牍β蕩挿▽Y構脈動測試數據進行了分析，計算出了結構自振周期和振型以及相應的阻尼比。各振型都具有較大幅值的樓層分別位于3、6和8層，據此設計并建成了結構地震反應觀測臺陣。分析臺陣地震記錄識別出了結構的自振特性，同時功率譜曲線顯示，井下數據存在高頻特性，初步判定其來自鋼套管振動。開展結構的數值模擬分析，利用觀測樓層上地震記錄的卓越頻率不斷修正結構數值模型，直至結構反應與地震記錄的頻率值相符，且與脈動測試數據基本一致，相對位移對比分析發現，在該模型基礎上相對位移反應與相對位移記錄基本吻合。結構地震反應觀測和數值模擬分析較好地實現了結構地震反應觀測臺陣的觀測目的。

脈動測試 地震反應觀測 卓越頻率 相對位移

引言

結構地震反應觀測是強震動觀測技術的重要分支，旨在了解和掌握結構體系在強地震作用下的反應性狀（謝禮立等，1982）。一旦獲得了某結構的強震記錄，相當于對該結構進行了一次原型試驗，大量信息可用來揭示結構的抗震性能，這將有助于提高結構抗震設計的水平，改進抗震設計標準，幫助減輕未來地震災害（李鴻晶等，2003；Mehmet等，1987）。同時，結構強震反應記錄還能通過重建結構地震反應的方式，來檢驗結構地震反應分析中數值模型或試驗模型的可靠性（Mehmet，2001)。

美國是世界上最早開展結構地震觀測的國家，通過實施國家強震動計劃等項目建成了250多個不同結構類型的密集地震觀測臺陣。目前正在實施的項目是“美國老兵醫院的結構地震反應觀測”，可實現在70座醫療建筑上安裝密集地震觀測臺陣的目標（Kalkan等，2012），基于上述項目的實施已經獲取了豐富的結構地震反應記錄和科研成果。而我國大陸地區的結構觀測水平起步較晚，近幾年才逐漸開始建設結構地震反應觀測臺陣（周正華等，2004；金星等，2007）。

為充分發揮結構地震反應觀測臺陣的應用價值，選擇適合的臺陣布設方法并獲取結構振動記錄用以開展結構反應和振動特性的識別，目前已經越來越受到地震工程專家的重視。本文以北京市防震減災中心結構為例，通過結構脈動觀測識別得到了結構的自振特性，并基于自振特性分析結果構建了結構地震反應觀測臺陣，獲得的臺陣記錄可用于定量地分析結構振動特性和反應水平。

1 結構概況

北京市防震減災中心主樓是基礎隔震框架-剪力墻結構，該結構地上8層，地下2層，高度為33.0m，結構的平面布置如圖1所示。在地下室頂板梁柱之間總共設置了37個橡膠支座，其中鉛芯橡膠支座17個，普通橡膠支座20個。本研究將在該結構上建成完整的地震反應觀測系統，開展結構振動觀測。如果該臺陣能記錄到較大的地震，可將這些數據用于識別和驗證基礎隔震結構抗震性能的優越性，為提高此類結構的抗震性能和改進其抗震設計提供參考（金星等，2007；2009）。若觀測系統只記錄到小震或脈動數據，那么結構基礎隔震作用還有待進一步驗證（魏陸順等，2007），但利用這些記錄開展結構振動特性的識別，對結構地震反應觀測也具有重要意義。

2 振動觀測

2.1脈動測試

為使結構地震反應觀測臺陣的建設有據可依，并保證設計方案的合理性，結構主體封頂后，采用脈動測試方法對結構的動力特性進行了現場實測（賈洪等，2007）。建筑物動力特性是結構自身的固有特性，不會因脈動激勵信號不同而改變。因此，脈動法以環境激振作為實際建筑物的輸入，通過對結構物脈動響應的觀察，利用工程振動反演方法測定結構的動力特性參數。

測試所用設備為4臺內置三分向加速度計的數字強震儀，主要記錄環境激振作用下樓層加速度反應。先將設備置于8層同一位置，記錄環境振動，截取記錄中噪聲較弱部分約120s的數據開展一致性分析，并以此作為一致性校正的基礎。將設備分別置于1、4、6和8層的幾何中心位置進行測試（王飛等，2011）。

對記錄數據的自功率譜和測點間的互功率譜進行分析，筆者得到了結構和方向的前三階自振周期。同時，利用各測點頻譜圖用半功率帶寬法計算出各測點在前三階周期上的阻尼比。在環境激振作用下，結構自振周期及阻尼比的計算結果如表1所示。以8層測點為輸入，其余測點為輸出，用輸入和輸出測點之間的傳遞函數分析振型。對沒有安裝觀測設備的其他樓層的振型幅值依據經驗振型形狀進行估算，圖2為結構在和方向上的前三階振型。

表1 環境激振作用下的結構振型周期與阻尼比

2.2 結構反應觀測

基于脈動測試得到的和兩個方向的平動振型，各振型中幅值較大的樓層分別位于3層、6層和8層。根據結構地震反應觀測臺陣的布設原則，測點優先選擇布設在上述樓層。同時為記錄結構隔震層上、下的結構反應區別，分別在1層和地下室B2地面上布設相應的測點。每一個樓層的幾何中心和兩端分別布設加速度計，幾何中心的加速度計用于記錄結構沿長軸和短軸兩個方向的平動；結構兩端的加速度計用于計算結構的扭轉。綜合考慮上述因素并結合現場踏勘結果，初步確定結構地震反應觀測臺陣每個測點的具體位置。經協調，在不影響結構使用功能的條件下，確定了該結構地震反應觀測臺陣的建設方案。反應觀測臺陣設置了11個結構觀測點，1個井下觀測點，每個測點布設了三分量MEMS型力平衡式加速度計，其中觀測井深100.0m，這是國內建成的首個設置深井觀測點的結構地震反應觀測臺陣。具體測點布置如圖3所示。臺陣儀器設備主要包括2臺美國REFTEK公司生產的130-MC型18道數據采集器；12只三分量MEMS型力平衡式加速度計。經振動臺試驗測試和現場驗收測試，數據采集器和加速度計均符合中國數字強震動臺網技術規程中有關結構地震反應觀測的技術要求。

上述結構臺陣建成試運行后，記錄到了2012年6月18日發生在天津寶坻區、河北玉田縣交界的4.0級地震和2012年7月24日北京市海淀地區發生的1.4級地震。2次記錄均震相明顯，可用于開展結構振動參數的識別分析。筆者利用Matlab程序代碼分別對上述4.0級地震的東西向和南北向數據進行0.2—10Hz的帶通濾波，并計算相應的功率譜，具體如圖4所示。

通過功率譜分析可發現，記錄的卓越頻率主要集中在1.7Hz左右，而表1中脈動測試識別出的結構第一階振型的周期約為0.6s，二者吻合較好，共同反映出結構的自振特性。功率譜曲線還表明，井下加速度計在2個水平方向的振動具有較明顯的高頻成分，無法較好地反映地層的特性。筆者認為，這是由于井下加速度計放置在鋼套管底端，盡管鋼套管底部與周圍地層實現了較好的耦合，但加速度計直接記錄的主要是鋼套管的剛性振動，該振動具有高頻特性。這是在今后井下加速度計安裝建設中應該引起重視的問題，宜選擇更合適的安裝方式以減小套管本身振動的干擾。

3 數值分析

對比結構的反應和動力分析預測的反應，不管是在頻域的系統特性識別還是時域的反應時程，都能提供豐富的信息來檢驗當前數值模擬方法的有效性，所以利用開源軟件OpenSees（OpenSees，2009）建立北京市防震減災中心結構的三維分析模型。模型中主要包括結構梁、柱、樓板和隔震層。其中，梁柱采用彈塑性梁柱DispBeamColumn單元模擬，方向的外側梁尺寸為0.70m′0.35m，內側梁尺寸為0.60m′0.35m；方向梁尺寸為0.60m′0.35m，1—6層柱截面尺寸為0.70m′0.70m；7和8層的柱截面尺寸為0.60m′0.60m。材料采用雙線性硬化本構關系，其中，彈性模量為2.10′1011N/m2；剪切模量為1.50′1011N/m2；屈服力為3.35′108N/m2；硬化系數取2%。

樓板采用剛性膜RigidDiaphragm單元模擬，以保證每一層上所有節點不產生相對位移。隔震層每個節點采用3個方向的Zerolength單元，其剛度系數分別依據隔震支座的豎向剛度和抗剪剛度確定，取值分別為4.50′109N/m和9.30′109N/m。將地下室2層傳感器的地震記錄作為結構數值分析的地震動輸入，開展結構動力時程反應分析，確定結構的所有樓層地震反應水平。

首先通過記錄的結構卓越頻率來修正結構模型。將和方向1、3、6和8層的臺陣記錄的加速度數據進行傅里葉變換，確定出結構的卓越頻率，然后分析結構加速度反應結果，并使分析結果與頻率達到較高的一致性，傅里葉譜如圖5所示。如果二者一致性較差，可通過修改結構剛度和質量參數來提高一致性，直至滿足要求。對比發現3、6和8層的記錄和分析結果的頻率成分可以實現較高的一致性?？紤]到記錄數據的峰值很小，不容易從噪聲中區分開來，因此在1層上二者匹配不好。對比分析識別出結構方向第一階自振頻率約為1.72Hz，方向自振頻率約為1.65Hz，與前述脈動測試數據基本一致。對比結果表明，所建結構模型與原型結構吻合，因此可以基于該模型開展結構地震反應的對比分析。

其次，根據時程反應分析結果計算結構在不同樓層上的相對位移反應，并將其與地震記錄數據轉換得到的結構相對位移進行對比分析，得到了結構和方向在1、3、6和8層的相對位移標定結果，如圖6所示。對比表明，相對位移計算值與記錄值實現了較好的一致性，再次表明該結構模型的有效性。盡管該臺陣記錄到的這次地震較小，但是依然能夠開展結構地震反應研究，并獲得了結構的振動特性信息。

4 結論

本文以北京市防震減災中心結構為例，進行了結構的振動觀測與結構特性識別研究。利用結構脈動測試技術和數據處理方法，識別出了結構的在兩個軸向的前三階自振周期以及相應的阻尼比，并通過傳遞函數方法勾畫出了結構的前三階振型。自振振型顯示，振型幅值較大部位出現在結構的3、6和8層。根據上述識別結果，按照結構地震反應觀測臺陣的觀測要求，建成了國內首個設置深井觀測點的綜合結構地震反應觀測臺陣。處理了該臺陣建成后的地震記錄，識別出了記錄的卓越頻率約為1.7Hz，這與脈動測試得到的第一階自振周期0.6s一致性較好。臺陣數據的功率分析表明，井下加速度計記錄的數據存在高頻特性，根據該井下加速度計的設置方案，初步分析其成分來自鋼套管的剛性振動。數值模擬結果表明，分析得到的結構加速度反應、臺陣加速度記錄卓越頻率和脈動測試得到的結構一階頻率基本一致，結構相對位移反應時程也能夠實現較好吻合。通過結構的脈動測試數據和小震記錄分析，有效識別出了結構的振動特性，拓寬了結構地震反應觀測臺陣的應用領域，今后一旦獲得中強地震記錄，可開展結構抗震性能分析等更深入的研究。

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Structural Seismic Vibration Observation and Identification for the Building of Disaster Reduction Center in Beijing

Wang Fei1, 2), Liu Yinghua2), Ren Zhilin1, 2)and Tian Yuming3)

1) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China?2) Earthquake Administration of Beijing Municipality, Beijing 100080, China?3) Beijing Eusci Technology Co. Ltd., Beijing 100043, China

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.

Ambient testing; Seismic response observation; Predominant frequency; Relativedisplacements

中國地震局青年科技骨干人才項目（201204190030）

2014-06-04

王飛，男，生于1979年。副研究員。主要研究領域：地震工程。E-mail：wangfei@bjseis.gov.cn