建筑结构 建筑结构 Building Structure ISSN 1002-848X CN 11-2833/TU 《建筑结构》网络首发论文 题目： 某高层钢结构建筑时变动力特性的实测分析 作者： 孙佳琦，陈隽，王鹏程，赵昕 DOI: 10.19701/j.jzjg.20230667 网络首发日期： 2024-04-02 引用格式： 孙佳琦，陈隽，王鹏程，赵昕，某高层钢结构建筑时变动力特性的实测分析 [J/OL].建筑结构].doi.org/10.19701/jzjg.20230667 nKi中国扣例 网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶 段.
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，陈隽！
，王鹏程！
，赵昕2 （1同济大学土木工程学院，上海200092：2同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092) 摘要：基于一栋高244.75m的高层钢结构建筑上的结构监测系统，对长时段的风振响应和环境振动响应数据进行了分析，采 用快速傅里叶变换和随机减量技术识别结构的一阶自振频率和阻尼比，并与设计模型结果作比较.
结果表明，该高层建筑的 一阶自振频率和阻尼比的实测结果均表现出明显的时变特征，且与设计阶段的估算结果存在一定差距.
不同时段中自振频率 的离散程度很小，阻尼比的离散性则十分显著，且一阶自振频率随结构的振动程度增大而减小.
关键词：现场实测：高层钢结构：结构监测系统：自振频率：阻尼比 中图分类号：TU973.2 文献标志码：A 第一作者：孙佳琦.
硕士研究生，从事结构工程研究，Email：2132302@tongi.edu.cn 通信作者：陈隽，博士，教授，博导，从事工程结构防灾、土木工程大数据方面的研究，Email：cejchen@tongiedu.cn Field monitoring and analysis on time-varying dynamie charaeteristies of a high-rise steel strueture building SUN Jiaqil CHEN Jun′ WANG Pengcheng' ZHAO Xin? 1 College of Civil Engineering Tngji Uiversity Shanghai 00092 Chin; 2 Tongji Architectural Design (Group) Co. Lid. Shanghai 200092 China) Abstract: Bsd ntruture mnitoring sytm istalld inhighrie ste sttre with aheight f 44.m lgtm tf vibration response caused by wind load and environmental excitation were analyzed. The first order natural frequency and damping ratio were identified using FFT and RDT. The results were pared with the finite element analysis results at the design stage. The results show that the measured results ofthe first order atural vibratio frequency and damping ratio of the high-rise building present obvious time-varying features. There exist some differencesbetween the measured value and the pevious estimated value The degree of dispersion of the natural frequeney in different periods is very low but the discreteness of the damping ratio is very serious and the first order natural frequcency deereases with the increase of the vibration of the sructure. Keywords: field measurement: high-rise steel structure: structure monitoring system: natural frequency: damping ratio 0引言 一种以层数为主导因素的具有置信区间的多因素 相较于中低层建筑，高层建筑的柔度更大，同 周期预测模型.
陈隽等旧提出一种基于机器学习 时高层钢结构建筑的自振频率和阻尼比相较于钢 的多因素基本周期预测模型.
筋混凝土结构的普遍更小，使得高层钢结构建筑 此外，由于机理复杂、影响因素众多，阻尼比 在风振和环境激励下往往产生更大的振动响应.
这一指标很难得到准确的预估.
《组合结构设计 因此，在高层建筑的设计过程中，自振频率（周期） 规范》（JGJ138一2016)中指出，“抗震设计时， 和阻尼比均是十分重要的结构参数，这两者取值 钢结构的阻尼比可取为0.02，钢筋混凝土结构的 的精准与否很大程度上影响了结构响应和内力的 阻尼比可取为0.05，组合结构的阻尼比一般取为 计算等动力分析的可靠性.
0.04：房屋高度超过200m的超高层建筑的阻尼比 对于结构一阶自振频率，即基本周期这一动 宜适当降低”.
可见，对于不同情况、不同高度的 力特性指标，国内外许多学者已经提出过相应的 建筑结构推荐固定阻尼比取值的方法，是在实测 经验公式或估计方法.
《建筑结构荷载规范》（GB 数据较少情况下依靠经验的取值方法.
50009-2012）[（简称荷载规范）中的高层建筑 现有的对于自振频率和阻尼比的预估或取值 结构基本自振周期的经验公式，仅考虑了结构的 对于新建高层建筑是否适用，结构的实际动力特 高宽与层数对基本周期的影响.
施卫星等2提出 性与设计过程中的估计值是否吻合，以上问题有
待于解决.
对已建成的高层建筑的动力响应实测 该结构底部方钢管混凝土柱尺寸为2500× 是验证现有的自振频率和阻尼比估计方法的重要 1500×60，柱的钢管壁厚从底层60mm逐渐减小 手段，也是丰富和扩充高层建筑动力响应数据的 到高区30mm，内部灌注C70混凝土，柱的具体 主要途径之一.
本文基于长时段的结构风振响应 位置详见图1.在建筑的中部楼梯间和电梯间的周 和环境振动响应实测数据，分析了超高层钢结构 边布置有组合钢板剪力墙，具体位置为图1中的 建筑的一阶自振频率和阻尼比的时变特性，与该 “SW”标注处.
墙厚从底层700mm逐渐减小至 结构设计阶段的有限元分析结果进行比较.
高区300mm.此外，为了满足刚度的需求，该结 1工程概况 构同时采用防屈曲支撑和普通钢支撑，布置在结 1.1场地条件 构的22、43、59三个设备层中，且这三层中除剪 本文的主要研究对象为一栋钢结构超高层住 力墙所在位置外的其他框架间X、Y向均有布 宅建筑，位于滨海城市，地面粗糙度为A类，该 置.
普通钢支撑采用Q345B钢材，防屈曲支撑的 建筑所在场地的基本风压见表1.
该建筑位于群集 芯板钢材采用屈服强度为100MPa和225MPa的 的超高层建筑之中，周边四栋塔楼的高度均在 低屈服点普通低碳钢.
图2为结构的三维模型示 250m左右，设计中考虑风力相互干扰的群体效应 意图.
时，相互干扰系数取1.1.该建筑所在场地的抗震 基本烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g， 设计地震分组为第二组，场地类别为IⅢI类，特征 周期为0.55s，地震峰值加速度见表2.
表1场地基本风压 重现期年 10 50 100 风压/ (kN/m*) 0.50 0.80 0.95 表2地震峰值加速度 烈度 多退 设防 罕遇 加速度 (m/s²) 0.55 1.47 3.10 1.2结构概况 该结构地上66层，地下3层，建筑顶点高度 图2结构三维模型示意图 256.55m，是一栋矩形钢管混凝土柱框架-钢支撑 1.3结构监测系统 结构，核心筒由组合钢板剪力墙组成，楼盖采用 超高层钢结构建筑中安装的结构监测系统可 型钢梁和钢筋混凝土现浇板组合楼板.
结构首层 以提供长时段的连续数据，包括环境风速风向数 平面尺寸及结构X、Y轴方向定义见图1.
据和多个楼层的振动加速度数据.
一台超声风速仪和一台机械式风速仪被安装 在结构屋顶，采样频率为20Hz，可以记录屋顶处 风速与风向信息，安装形式见图3，图4为一段连 续24h的风速时程记录示例.
DOUS 3 ② SR 6100 90 9400. 8 C D E 图1结构首层平面布置图
图5加速度计安装示意图 图3风速仪安装示意图 004 0.06 时间 1012141618202224 图643层加速度时程信息 ()结构X向风速时整曲线 时间/h 2数据分析与参数识别方法 2.1风速转换方法 该结构屋面处安装的风速仪包括超声风速仪 和机械式风速仪，两种风速仪记录风速的方法有 所不同.
超声风速仪按照空间中三轴方向记录风速信 (b)结构Y向风速时程曲线 时间h 息，即正东正西向（U向）、正南正北向（V向） 图4风速时程信息 和竖直向（W向），且分别将东风（u）、北风 在12、20、27、35、43、58、64层每层各安 （v）和上升气流（w）定义为正风向，风速仪 装有一组加速度计，每组加速度计包含两个低频 的坐标方向与结构X、Y方向的关系见图7. 压电式加速度传感器，分别测量该层沿结构主轴 w X、Y向的楼层加速度，其采样频率为100Hz.
传 感器的详细动态指标见表3，其安装形式见图5， 可以满足结构在低频风振等环境振动下的测量要 求，测试数据具有可靠性.
图6为一段连续24h 的楼层振动加速度时程曲线.
表3加速度传感器动态指标 指标 参数 轴向灵敏度 图7风速仪坐标方向与结构方向 (23±5) 1000mV/ms²* (9800mV/g) 机械式风速仪采用极坐标系，仅记录水平面 量程 ±0.5g 内的风速绝对值ws和相应的风向wd，且将正北 原率响应(±10%) 0.21000z 风定义为0°，角度以顺时针方向为正（正东风为 分辨率 0.00001g 90.0°). 安装谐振频率 >4kHz 经过观察长时间的风速风向变化，发现竖向 气流相较于水平风速十分微小，故本文按照机械 式风速仪的极坐标系方式统一两种风速仪的记录 方法，暂且忽略竖向气流的影响，处理数据后得 到每10min的平均风速和风向角.
图8为一段连 续24h的平均风速和平均风向变化曲线.
2 据中识别出的结构X向一阶阻尼比为=1.27%.
1.04 102 (a)平均风速变化曲线 润/h 199 机板风通尔 10 []/min 15 20 25 (a)43层X向层加速度时程曲线 (b)平均风向角变化曲线 BRJk 图8风速时程信息 图8结果表明，安装的超声风速仪和机械式 风速仪的测量结果相近，可以较为可靠地描述结 构所在场地的风速风向变化.
2.2频率、阻尼比识别方法 时间s 40 5) 对结构在环境振动下的响应数据进行基于快 (b)自由报动度减通线 速傅里叶变换（FastFourier Transform，FFT)的频谱 图9加速度时程及提取出的自由振动衰减曲线 分析以是识别结构固有频率的常用方法，本文通 结果分析 过这一方法识别结构X、Y向的一阶自振频率.
另 3.1楼层加速度监测结果 外，本文通过随机减量技术提取结构的自由振 基于安装在结构中的7个不同楼层上的加速 动衰减曲线，再经过Hilbert变换、最小二乘拟 度计获得的长时段的楼层振动加速度数据，对该 合识别结构x、Y向的一阶阻尼比.
下面对阻尼比 结构在环境激励下的振动情况进行分析.
的识别过程进行简单的阐述.
经过对长时段加速度数据的对比，发现该结 随机减量技术由Cole在1968年首先提出， 构在环境激励下的X向振动明显强于Y向振动， 自此便获得了广泛的研究与应用.
如果将线性系 其主要原因是结构临街且仅有X向平行于城市道 统在平稳随机振动下的响应视为随机信号与确定 路行车方向，交通荷载引起的X向振动强于Y向 性的自由振动衰减信号的叠加，基于平稳随机过 振动.
以一段连续24h的振动响应数据为例，图 程的均值为零这一原理，随机减量技术可以通过 10是安装有加速度计的各层的X、Y向加速度比 对多个样本的子段取均值，从响应信号中去除随 较，可见日间交通荷载对结构振动的影响比夜间 机的部分，从而提取出确定性的自由振动衰减曲 更显著.
线.
0.06 对于包括超高层建筑在内的现代大型建筑结 0.04 州122:20:次日630) 0.02 MA 构，进行人工激振是十分困难的，针对这一间题， 随机减量技术便显示出其优点，仅需要测量并处 理结构在接近于白噪声的环境激励下的响应数据， -0.04 05 时间 1618202224 即可求得结构的自由振动衰减曲线，并进一步求 ()12层切速度 得结构的阻尼比.
0.06 图9(a）是一段结构43层的x向振动加速度时 0.02 0.04 程，对这段数据进行巴特沃斯低通滤波滤除高 0.0 阶模态和噪声后，利用随机减量技术从其中提取 出图9(b)所示的自由振动衰减曲线，采用Hilbert -0.06 1012141618202224 变换获得该衰减时程的包络线幅值，最后采用最 (b)20层加速度 时间h 小二乘拟合得到结构的一阶阻尼比.
从这一段数
