几幢高层钢结构建筑动力特性的实测与分析

　　陈志鹏王宗纲（华大学土木系，北京100084）（清华大学土木系，北京100084）提要利用脉动试验的原理与方法，对京广中心、京城大厦、长富宫中心等三幢篼层钢结构建筑，进行了动力特性的实测，得到了各阶的振动频率、振型及阻尼比。对实测结果进行了分析讨论。试验实测得到的建筑物的基本周期与实测经验公式相比，符合较好。用实测经验公式估算在微小振幅下高层钢结构的基本周期具有足够的精度。

　　建筑物简介京广中心的主楼平面呈扇形，地面以上53层，高208m，地下3层。结构采用钢框架一带缝混凝土剪刀墙形式，框架柱网沿扇形平面布置。由38根钢板焊接的箱形柱构成，框架梁为焊接工字形钢板梁，梁柱节点为焊接。楼层为压型钢板一轮组合现绕楼板，内墙采用轻钢龙骨石膏板隔断。

　　京城大厦地面以上52层，高为183.5m，地下4层。主要结构体系为钢框架一RC剪力墙。框架柱地面以上为箱形截面钢柱，梁为乳制工字钢。

　　长富宫中心地面以上26层，框架结构，长48m，宽25.8m.钢柱为箱形截面，钢梁为焊接工字形截面，梁柱节点为焊接，楼板为压型钢板一松组合现浇楼板。

　　京城大厦标准层平面图长富宫中心标准层平面试验量测建筑物的脉动是由于风的作用以及周围环境，诸如车辆运行、机器运转和微小的地震活动等扰动所产生的振动在建筑物上引起的响应。实践证明，它又可被看做是各态历经的平稳过程。只要记录时间足够长，它的时间域信号的概率分布为正态分布，同时，也可保证随机信号的处理有一定的精度。由于建筑物的脉动信号输入是由环境激励引起的，很难确定那点信号作为建筑物的输入信号，所以，在信号分析中，是回避输入信号，而只利用输出的响应信号。从系统辨识的角度说，就是输入未知，仅是利用输出来辨识系统。由于假设了脉动源的频谱是较平坦的，可以把它近似作为有限白噪声，所以，由谱的峰值就可以得到结构物的固有频率。对于振型，是用相对测点之间传递函数的幅值与相位来近似地确定，即相对测点之间互谱与自谱的比，包括幅值的大小和正负号。利用半功率点带宽确定阻尼比。由于建筑物的阻尼比比较小，前几阶的频率分得比较开，因此可以比较方便地确定其频率，振型及阻尼比。

　　由于建筑物在进行振动量测的时候，没有用其他的激振源，仅仅是利用风及环境振动作为激励，因而振动幅值很小。加上超高层钢结构的自振频率又很低，因此采用一般的量测设备就不能满足要求。我们采用了篼灵敏度的V401R型伺服加速度传感器（灵敏度5V/g，频率范围DCMOOHz，分辨率5X10、），获得了满意的结果。

　　试验量测了建筑物沿主轴X、Y两个方向平移振动的频率及扭转振动的频率。传感器沿建筑物高度物自上至下大致等间隔地布置。在量测平移振动的时候，测点尽量布置在建筑物的中心，以减小扭转振动的影响。在量测扭转振动的时候，测点尽量靠近两侧端部，以突出扭转振动信号。每次量测的测点一般布置10个左右。

　　实测数据的分析结果表1列出了建筑物各阶的振动频率；表2画出了京城大厦X方向前8阶频率的振型；表3列出了建筑物一阶振型的阻尼比。

　　表1建筑物各阶的振动频率京广中心（Hz）京城大厦（Hz）长富宫中心（Hz）X方向Y方向扭转X方向Y方向扭转X方向Y方向扭转表3建筑物一阶振型的阻尼比振动方向京广中心京城大厦长富宫中心扭转实测基本周期与设计计算及经验公式的对比表4基本周期的对比建筑物名称京广中心京城大厦长富宫中心振动方向X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向秒实测数据T0实测经验公式设计计算T，注：丨）H-结构檐高；N-地面建筑层数设计计算数据选自建筑物的设汁资料实测经验公式，选自方鄂华等“高层钢结构基本周期的经验公式”

　　期，1993年4月结语现场试验实测得到的建筑物的基本周期，与实测经验公式相比，符合较好，用实测经验公式估算在微小振幅下高层钢结构的基本周期具有足够的精度。

　　实测基本周期与计算周期相比，实测周期较短。这是因为脉动试验时，得到的基本周期，是结构处于微小振幅下的周期。另外，由于计算时数学模型的简化，有些对周期有影响部分在计算中被忽略了。加上计算时采用的*大荷载，通常也大于实际重量，所以实测基本周期与计算相比，实测周期较短。由于高层钢结构一般采用轻质隔断，对结构的刚度影响较小，与钢筋混凝土结构相比，其实测周期与计算周期比较接近。用实测数据验证计算结果，有其实际意义。

　　京城大厦从平面上看，基本上是一个长短边相等且对称性较好的结构，因此，X、Y方向的振动频率十分接近。

　　长富宫中心短边与长边长度相差较大，实测得到的X、Y两个方向的周期也差别较大。

　　而实测经验公式是按照大多数钢结构长短边长度差别不大而得到的统一的经验公式，因此，X、Y两个方向的实测值与经验公式相比也有一定的差异。

　　从实测结果分析，这几幢高层钢结构基本频率的阻尼比约为12%左右。

　　上述几幢高层钢结构建筑物从平面上看，对称性较好。但由于多种因素的影响，结构仍存在着扭转振动现象。根据以往大量的实测数据表明，即使对称性较好的钢筋混凝土结构也或考或少地存在着扭转振动影响。因此，建筑物的扭转振动要在设计中予以足够的考虑。

　　定期对重要的建筑物进行安全性评估是一项重要的工作，目前的发展趋势是建立检测数据库，储存大量测试数据。首先，把建筑物建成以后完好状态下量测得到的试验数据，作为技术档案保存。当建筑物一旦遭受自然灾害及使用了一定的年限以后，再进行量测，从结构刚度变化引起结构自身固有特性的变化，来识别建筑物的损伤，从而进行安全性评估，提出处理对策。这是国际上正在兴起的损伤识别的一种科学的方法。建议我国一些高层及重要的建筑物都应进行这一工作。