結構強震觀測與評估研究現狀與展望

單伽锃，王律己，余 樺，蘇金蓉

(1. 同濟大學結構防災減災工程系，上海 200092；2. 同濟大學上海智能科學與技術研究院，上海 200092；3. 四川地震局，四川 610041)

我國地處環太平洋地震帶及亞歐地震帶，是遭受地震災害最為嚴重的國家之一。我國《防震減災規劃(2016 年-2020 年)》指出我國仍處于破壞性地震多發時期。與此同時，伴隨全球矚目的城鎮化進程，我國建成了規模巨大的城市建筑群，帶來社會人口、財富和功能的聚集效應。目前，一半以上的國內城市位于地震設防烈度7 度及7 度以上地區，而近年來的國內外城市震害經驗表明，地震具有災害破壞性強、波及范圍廣、救災難度大等特點，在較長時間內對受災城市的社會功能造成嚴重負面影響。因此，如何有效做好震前防備，震中抵御、震后評估與恢復，是我國防震減災面臨的重大挑戰。

我國現行抗震設計理念與方法是在唐山地震、汶川地震、玉樹地震等歷史震害的經驗與教訓中學習與提出，在持續的理論分析、數值模擬與試驗研究中發展與完善，并在后續地震事件中得到有效性的驗證[1-2]。事實上，服役工程結構在地震作用下的抗震行為及損傷特征尚未被學術界與工程界充分認知，例如遠場長周期地震動[3]、扭轉耦合效應[4]、土-結構相互作用[5]等。顯然，若不能量測結構真實地震響應，將無法更深入地挖掘結構抗震行為并評估其影響，也無法充分地驗證現有的結構設計理論與假定、前期單因素結構模型試驗等研究結果。因此，需要在地震動觀測系統的基礎上，發展結構強震觀測系統，提供實時的結構地震響應數據，全面評估不同類型工程結構在小震、中震、大震下的抗震性能與動力行為，為震后結構損傷評估與安全鑒定提供必要且有價值的數據，促進震損結構安全評定的準確性與魯棒性的持續提升。

1 結構強震觀測系統

考慮不同的觀測對象，強震觀測系統可以劃分為對場地地震動和結構地震響應監測。其中結構強震觀測系統通常劃分為4 個子系統：傳感器子系統、數據采集與處理子系統、信息通信與傳輸子系統、信息分析與監控子系統[6]。以不同位置處布置的加速度計為主要監測設備，多通道傳感器子系統將強震下的結構響應數據傳輸至數據采集與處理子系統，并在該子系統內進行觀測數據的初步預處理與標準化存儲，再通過專用通信線路、Internet 等構成的信息通訊與傳輸子系統，將初步處理后的信號數據傳至信息分析與監控子系統，并由該子系統來對被測結構的抗震性態進行評估。傳感器子系統是結構強震觀測系統的數據信息獲取來源，它監測到的信號數據品質、數量及種類是影響后續對結構性態評估的關鍵因素。

作為最早進行強震觀測的國家之一，美國成功記錄到了1933 年加利福尼亞長灘(Long Beach)地震的一系列強震記錄[7]，在此之后逐漸發展和完善了一套從災害監測、預警信息發布到危險性與風險評估流程系統。美國加州強震動觀測計劃(California Strong Motion Instrumentation Program,CSMIP)和美國地質調查局(United States Geological Survey, USGS)運營著世界上最大的兩個結構強震觀測項目[8]，覆蓋了建筑、橋梁、水壩等不同類型工程結構與基礎設施，包含了一系列城市地標性建筑，例如美西海岸最高的洛杉磯Wilshire Grand大廈(CSMIP 編號24660)，舊金山最高的Salesforce塔(CSMIP 編號58680)。在這類結構強震觀測項目長達數十年的運行期內，大量的工程結構地震響應被記錄下來，提供給學術界和工程界研究與挖掘。例如，美國Van Nuys 酒店(CSMIP 編號24386)、加州理工學院Millikan 圖書館等結構對象，被認為是近年來全球學者研究最深入與頻繁的真實工程結構，獲得了一系列地震工程領域有益的結論[9]。

隨著國民經濟的發展，我國近年來高度重視結構強震觀測。國家《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)強制條文要求：抗震設防烈度為7 度、8 度、9 度時，高度分別超過160 m、120 m、80 m 的大型公共建筑，應按規定設置建筑結構的地震反應觀測系統，建筑設計應留有觀測儀器和線路的位置?！督ㄖc橋梁結構監測技術規范》(GB 50982-2014)也規定對于高層與高聳結構，其使用期間應監測結構地震響應。我國第一個完整的結構地震反應臺陣布置于中國地震局防災大樓，它的建成為后續結構強震觀測系統設置累積寶貴的經驗[10]。

表1 統計了國內外成功應用于建筑結構的典型結構強震觀測系統案例，并對比了監測數據類型、通道數及監測層數等基本信息。觀察表1 可以看到：

表1 國內外建筑結構強震觀測實例Table 1 Case study of strong seismic monitoring of structure in the world

1)中國、美國和日本是全球主要的進行結構強震觀測的國家，且基本都以結構加速度觀測為主要手段，只有少數如上海環球金融中心、SIT building 等項目結合結構健康監測系統進行速度甚至位移響應監測。加速度數據測量品質相對較高，可以提供穩定的模態識別結果和結構地震加速度放大效應，但當運用結構加速度積分估計結構位移時程時，存在一定的不確定性且無法得到結構彈塑性位移[11]，因此僅憑加速度響應監測方式尚不能充分滿足震損結構安全評估需求。

2)在監測響應種類的基礎上，監測數量也呈現一定的變化規律。若定義監測豐富度指標為監測樓層數與結構樓層數相除之比，則此指標在多層結構上可以達到0.4 以上甚至實現全樓層監測，但是在面對樓層數多余10 層的高層結構時，此指標往往低于0.2，說明只有不到五分之一的樓層數可以獲得其結構加速度響應信息。傳感器布置的密集程度將直接影響獲取的結構地震響應信息的豐富性，稀疏的傳感器陣列以獲取結構整體模態特征為主要目標，尚無法揭示結構的局部運動特征[12]，無法實現局部損傷的準確定位。

因此，從表1 展示的內容看，目前的結構強震觀測存在監測數據種類單一和監測數據不完備的問題與約束：一方面，受制于當前的技術發展水平，以位移監測為例，振動臺試驗可以以固定地面布置穩定的參考系，但實際強震觀測中，往往缺乏可靠的相對參考系，限制了試驗中位移量測技術在真實工程中的應用；另一方面，受制于監測數據的不完備，大部分在豐富的振動臺試驗數據中得到應用與驗證的結構健康監測與系統識別算法，尚且較難用于真實場景下的結構強震觀測數據分析，繼而對基于監測數據驅動的震損結構抗震行為與損傷評估帶來一定的問題與挑戰。

2 服役結構抗震性能評估

不同于機械、航空等工業領域，建筑結構具有非標準構件多、單次建造、足尺試驗難等特點，導致缺少可靠、有效的先驗樣本或基準性態數據，對其抗震行為與性能演化認知仍存在局限性。服役結構的抗震性能，從概念上是一類結構動力行為的評估對象，因此可基于結構強震觀測開展相關的識別、模擬、評估與預測?？傮w上，結構強震觀測及其數據深度挖掘，可有效支持以下結構抗震性能評估目的：1)識別地震作用下結構真實動力行為；2)驗證結構抗震設計理論與假定；3)構建小震下結構完好狀態的物理模型；4)評估結構損傷、安全性與可靠性；5)支撐震損結構性能恢復的高效決策。其中，震損結構安全性評估是重要任務，是確定受損結構可否重新使用的關鍵，是災后救援中決策者最需要掌握的信息。

目前，震損結構安全性評估的主要任務是根據建筑物的損壞程度對建筑物進行評價與分類。中國《建筑震后應急評估和修復技術規程》(JGJ/T415-2017)、美國《Procedures for Post-Earthquake Safety Evaluation of Buildings》(ATC-20)等國內外標準規范均提供了震后目視檢查與評價的指導方針，專家基于相應的規范條規，迅速開展震后調查與結構評估。然而，條文中由單一評價指標所確定的結構整體安全性評定結果易存在較強的不確定性，信息不完備易導致偏于保守的鑒定結果，進而造成不必要的經濟損失[40]。因此，結構強震觀測在給出定性結論的同時建議包含定量的依據，即通過監測結構響應數據識別、分析和挖掘所需的評價信息。具體的技術途徑可以包括識別建筑物的損傷狀態、預測震損結構剩余承載能力、量化結構地震損傷與結構剩余承載能力之間的映射關系、減小判別時的不確定性從而減少安全與加固決策的潛在偏差。

為了更好地論述和探討結構強震觀測與評估的研究現狀與水平，從單次地震事件和單個工程結構的角度，本文選擇了相應的典型案例進行進一步探討：1)東日本9.0 級大地震是近年來影響人類社會最嚴重的地震事件之一，考慮日本擁有豐富的高層結構和新型減隔震技術的應用，且日本擁有成熟的結構強震觀測系統，無論從工程對象還是觀測數據的豐富程度出發，這均是一個較好的研究案例；2)美國加州Van Nuys 酒店坐落于地震活躍區域，擁有長達半個世紀的結構強震觀測歷史并積累了豐富的監測數據，伴隨了“建成、輕微損傷、局部加固、嚴重損傷、整體加固、再次使用”的完整狀態變化歷程，作為基準模型校驗和改善了結構抗震分析與性能評價各類成果[9]。

2.1 典型地震作用下不同結構強震觀測案例對比

表2 統計了2011 年東日本大地震后不同強震監測結構的數據分析與挖掘結果。豐富的長周期頻譜成分是該次地震一個特點，盡管其強度水平小于預期，但對柔性建筑造成的損失仍較大[41]。柔性結構主要包含傳統的高層抗震結構以及在不同樓層添加隔震層的隔震結構，因為兩者自振周期較長，易與這次地震動中的長周期成分發生共振。事實上，對不同強震監測結構進行模態識別時，均顯示了一定程度的基礎模態頻率變化，這些模態基頻的變化可歸因于：非結構構件的變化[36]、隔震支座的非線性行為[36]以及抗側構件的永久非線性損傷[44-46]。附加阻尼裝置[36]以及主動控制AMD[42]在本次地震中顯示出良好的控制效果，顯著減小了結構與非結構構件的地震損傷與疲勞程度，顯示出相關技術用于減震控制的有效性。

表2 2011 年東日本大地震后結構強震觀測及性能評估成果綜述Table 2 Review of seismic monitoring and results of performance assessment during the Tohoku earthquake

2.2 持續地震作用下典型結構的強震觀測案例

美國加州Van Nuys 酒店(CSMIP 編號24386)是世界上較為成功的服役結構強震觀測工程之一。酒店始建于1966 年，是一幢以鋼筋混凝土框架為主要抗側體系的多層建筑。結構強震觀測系統在建成初期布置了9 個通道，并在1980 年升級到了16 個通道的強震觀測臺陣，相應的結構響應觀測物理量均為加速度，實現對結構水平向和扭轉地震反應的監測。

圖1 所示為Van Nuys 酒店在半個世紀服役期內的結構狀態變化歷程。對比后可以看到，Van Nuys 酒店經歷了1971 年San Fernando 地震的結構可見損傷破壞、1980 年結構強震觀測系統升級、1994 年Northridge 地震的結構嚴重破壞及建筑功能喪失、1994 年結構臨時加固和余震下損傷持續累積、1994 年-1999 年間結構新增剪力墻加固等一系列物理損傷、自然災害和人類活動?？梢哉f，服役結構抗震性能評估面對的物理對象處于地震災害、人類決策耦合作用下工程結構狀態的動態變化過程。

表3 列舉了CSMIP 開源的Van Nuys 酒店結構地震觀測事件及基本信息。1971 年San Fernando地震、1994 年Northridge 強地震及其數年內的余震序列、半世紀內豐富的小震激勵，為研究界和工程界提供了豐富的結構地震響應觀測資料。大量學者依托此結構的地震響應觀測數據，進行數據分析、模態識別、安全診斷、性能評估等研究工作。特別是1994 年Northridge 地震的監測數據，為震損結構安全評估提供了高價值的響應數據資源，并建立了以1988 年-1992 年間Landers、Big Bear 等非破壞性地震下監測數據識別結構相對健康狀態、以1994 年Northridge 強破壞性地震下監測數據評估結構損傷狀態的典型強震觀測研究與應用場景[47]。針對上述研究進展，表3 進一步梳理了基于Van Nuys 酒店強震觀測數據的國內外結構服役狀態與性能評估典型代表性研究成果。從表4 中可以看到，成功應用于Van Nuys 酒店的結構識別與損傷評估方法主要分為信號特征分析、模型參數識別、波動理論三類[48]：

表3 Van Nuys 酒店結構地震觀測時間及基本信息Table 3 Seismic events and basic information for Van Nuys

表4 Van Nuys 酒店50 年性能評估匯總Table 4 Summary of performance assessments of Van Nuys hotel during last 50 years

1)傳統信號特征分析方法主要依賴頻域、時域和時頻域方法，其中頻域方法包含傅里葉變換[49-50]、功率譜[50]、傳遞函數[48]等，基于時域的方法有自回歸滑動平均模型[51]、拓展卡爾曼濾波[52]等，基于時頻域的分析方法包括小波變換[53]、Hilbert-Huang 變換(HHT)[51]等。這些信號特征分析方法通過檢測數值參數或模態參數的變化，實現對結構損傷是否存在的定性判斷。其中，傅里葉變換是頻響函數、傳遞函數以及功率譜等常用分析指標的計算基礎[54]，但該變換建立于穩態激勵的假定上，而結構強震響應的特征往往是非平穩隨機過程，并且僅經頻域分析得出的結果難以與時域建立聯系；以自回歸族類為主的基于統計學信號分析方法，通過識別其模型參數的變化，作為損傷指標，但其線性時不變系統的基本假定，一定程度上限制了該方法在強震事件中的應用。小波變換通過伸縮、平移變換將信號進行多尺度細化分析，識別信號中的突發信號和穩定信號成分，但在面對結構地震響應這類非平穩信號時，可能會出現能量泄露、邊界扭曲等問題[55]。不同于前述幾種信號處理方法，HHT 變換適合處理非平穩激勵的結構響應分析，通過HHT 邊際譜即可識別結構的自振頻率。需要注意的是，對于強震激勵下的結構狀態識別，過度依賴結構模態識別存在一定的概念缺陷，一般上只有線性系統才具有概念意義上的模態頻率和振型[56]。

2)第二類基于模型的損傷識別方法能夠實現對損傷的定位與量化，這種方法本質上解決的是結構動力學上的反演問題，通過直接修正或迭代更新數值矩陣、力學模型參數，使得模型計算的響應吻合傳感器測量的響應[47,59,61,64]。監測系統在服役結構正常運維中積累和分析響應數據，定期修正模型參數并追蹤其的變化過程。這類方法中的關鍵步驟在于選取修正參數、構建目標函數以及計算靈敏度矩陣。然而，大型復雜工程結構對應的模型自由度較多，參考模型的選擇需要權衡計算效率和精度等問題，大型復雜結構下的精細的有限元模型在進行參數更新時，靈敏度矩陣往往趨于病態，使得模型修正的結果不唯一[71]，并且對修正參數的選擇具有一定的主觀性。

3)與前兩類分析方法不同，基于波動理論的分析方法依據波在傳感器間的傳播時間來定位損傷部位[69]，其空間分辨率取決于傳感器的數量，而密集的傳感器陣列將有效提高損傷定位的準確性。該方法無需儲備震前的基準數據，不受土-結構相互作用等因素的影響，對與破壞無關的結構永久性或臨時性變化也不敏感。但在現有傳感器技術水平及該方法需求的傳感器密度要求下，其潛在的高成本屬性一定程度上制約了相關技術在實際工程中的應用與發展。

4)在結構模態識別與模型參數識別等的基礎上，國內外有部分學者嘗試基于監測數據進行結構抗震性能評估。例如，利用修正的有限元模型，模擬分析計算相應的工程需求參數(EDP)，如層間位移角[57]、層間剪力[63]等，并根據EDP 進行易損性曲線分析，從概率角度考慮地震風險等不確定性因素，確定結構在面臨特定的地震災害時的性能水平概率[62]。但是這些易損性分析未將監測數據、識別結果映射到結構的不同性能階段，并且損傷的界定不能提供結構的剩余承載能力信息。

3 結構強震觀測發展展望

3.1 現有強震觀測數據挖掘方法

針對震損結構安全評估與性能修復，結構地震損傷識別、評估與診斷是其核心的內容與目標。及時且準確的結構損傷識別與評估將有效加速結構性能評估的進程，并減小評估時的不確定性。在強震觀測和數據驅動分析中，監測結構對象的模態信息是一類可行的選擇以作為損傷特征評價指標，大量學者利用模態頻率和振型的變化(例如MAC 值)用于結構損傷定性、定量和定位評價。然而，根據已有的公開文獻和實際案例研究，將識別模態特性用于非線性損傷程度量化評估的研究尚待發展與豐富。經2.2 節梳理的Van Nuys酒店相關研究表明，可以將數據驅動與模型驅動的兩類理論與方法融合，并進一步考慮基于概率的數據挖掘與評估決策，來解決或補償地震損傷的非線性物理本質、振動模態不確定性和監測數據不完備的問題或約束，推動結構損傷識別方法從實驗室驗證擴展到實際結構強震監測。

其次如圖2 所示，力學或計算模型的選擇需考慮模型可識別性、模型精細度和建模差異三者的耦合問題[72]。第一類模型即剪切梁模型僅考慮結構側向水平自由度，無法描述高層結構等高價值監測對象的彎剪耦合行為，從而帶來較大的建模誤差，但其的最大優勢在于自由度少，容易進行模型參數識別，因此被大量學者采用與應用。第二類模型有限元模型對監測物理對象有最好的行為描述，可通過直接或迭代的方式修正模態矩陣或物理性質從而實現動力模型的更新，但其擁有大量的自由度與模型參數，在現有監測數據不完備的條件下，其更新過程中參數的選擇仍具有一定的主觀性，并且模態特性的不確定性甚至使識別過程復雜化。第三類模型彎剪梁模型介于前兩類模型之間，采用剪切和彎曲彈簧的組合或鐵木辛柯梁單元考慮上述變形模式的耦合，相較于剪切梁模型具有更好的行為保真度，可通過消除由旋轉引起的無害層間位移，避免對上層響應的過高估計，同時，相較于有限元模型具有更好的參數識別穩定性，降低過度擬合優化的風險。

3.2 地震損傷結構的安全評估

損傷結構的安全性評估可分為應急評估和詳細評估。地震現場建筑的安全性是由場地環境、預期地震作用和結構損傷狀況三個因素決定的[73]。考慮前述震損結構安全性評估的主要任務以及現行規范指導方針的局限性，基于強震觀測系統的數據支撐：一方面考察目標建筑的環境狀況、余震風險分析給出的預期地震風險，利用監測數據推算應急評估時所需的工程需求參數并大體判別結構當前的性能狀態，加速震損結構的安全應急評估；另一方面，應對大型復雜、難以進行應急評估的結構，在場地條件和預期地震作用滿足規范要求時，考慮前述的監測識別結果，結合使用儲備的健康狀態參考模型、易損性曲線來評估構件或結構系統的損傷狀態[74]，在修正預備的物理或計算參考模型后，結合數據驅動與模型驅動的方式[75]，以多源數據融合的形式驅動對震損結構安全性量化的詳細評估，為制定科學的災后決策提供依據。

3.3 工程結構強震觀測未來展望

綜合現有國內外研究現狀與發展趨勢，未來對工程結構強震觀測數據的分析挖掘與安全評估，可考慮在以下方面進一步開展工作：

1)監測數據類型的多元化。受限于監測數據的種類與數量，結構加速度響應已無法進一步滿足結構評估理論的發展要求。需要以工程實際可應用為目標，發展基于物聯感知、計算機視覺、5G 通信等的高性價比監測技術，用于關鍵結構評估參數(樓層層間位移角、結構/構件轉動自由度等)的監測與識別。

2)結構非線性行為的模擬與預測。結構地震損傷本質上是非線性的，基于非線性概念與模型的評價指標可有效地進行損傷評估和預測結構剩余壽命[76-77]。近年來，基于機器學習并結合長短期記憶網絡(LSTM)的算法被證實能夠魯棒的模擬和預測結構非線性行為[78]，并有效克服卷積神經網絡和遞歸神經網絡中不適宜預測較大塑性變形和梯度消失等困難[79-80]。此類算法一定程度上突破了對高度非線性行為模擬困難的瓶頸，為損傷評估和結構剩余壽命的預測提供技術手段。

3)工程結構抗震韌性評估?？拐痦g性是當前地震工程領域的重要研究方向，其中，可恢復性評估是韌性評價體系的重要內容，它為應急管理的科學決策提供了重要依據。目前絕大多數對結構系統的抗震韌性研究以對功能評估為主，抗震韌性評估需明確結構的災變過程及恢復機理。強震觀測技術通過對結構進行監測，識別結構損傷，追蹤量化恢復過程，最終建立韌性恢復評價方法[81]。基于強震觀測數據的評價方法顯著降低該評價過程中的不確定性，提高評價結果的可靠性，并為制定科學的災后決策提供依據。

4 結論

本文從我國的地震風險性、歷史震害啟示中得出我國推廣布設結構強震觀測系統的必要性及意義。統計了國內外成功應用于建筑結構的典型結構強震觀測系統案例，并根據這些典型工程案例強震觀測設置情況發現，受制于技術手段的發展水平，目前的結構強震觀測系統存在監測數據種類單一和監測數據不完備等問題與約束。

本文闡述了從結構強震觀測數據挖掘到結構性能評估之間的內在邏輯，在此基礎上，描述了Van Nuys 酒店長期服役期內的結構狀態變化過程，由此表明服役結構抗震性能評估面對的物理對象是地震災害、人類決策耦合作用下工程結構狀態的動態變化過程。通過對Van Nuys 酒店以及東日本大地震下不同強震觀測結構性能評估研究中的相關數據挖掘方法、評估指標進行梳理，深入分析了當前數據研究與評估方法存在的問題，并揭示將數據驅動與模型驅動的兩類理論與方法融合的發展前景。根據現有研究現狀與發展趨勢，對未來強震觀測研究從三個方面進行展望：

(1)監測數據多元化；

(2)結構非線性模擬與預測；

(3)工程結構抗震韌性評估。