基于希尔伯特—黄变换的超高层建筑模态参数识别

基于改进的希尔伯特-黄变换(HHT)即结合随机减量技术(RDT)的HHT对7～9级风力作用下,超高层建筑--上海金茂大厦的加速度响应现场实测数据进行分析与处理,以识别出上海金茂大厦东西和南北方向的第1、2阶自振频率及相应的阻尼比.在识别中,为了避免结构模态的混叠现象,本文引入了巴特沃斯带通滤波器来对加速度实测数据实行滤波处理.识别结果显示:上海金茂大厦东西方向和南北方向的第1阶自振频率近似相等,但是东西方向和南北方向的第2阶自振频率相差较大;结构东西和南北方向的阻尼比皆小于结构材料的阻尼比,而且随着模态阶数的增大识别出的阻尼比标准差呈现增大的趋势.这些研究结果对未来超高层建筑的设计具有借鉴意义.同时,识别结果也表明,HHT+RDT+巴特沃斯带通滤波器方法可以有效地识别出超高层建筑的模态参数.     

台北101大楼风致响应实测及分析

台北101大楼主塔楼总高508m共101层,在台风"马莎"和"泰利"影响下,对其风致响应实测资料进行统计分析,评估了典型超高层建筑的风致振动特性。结果表明两次测试的结构模态参数基本吻合,有限元分析的自振频率小于实测结果,计算的振型与测试结果符合较好,利用随机减量方法识别的结构阻尼比与振幅之间呈现非线性关系,并不同程度的表现出随振幅增大而增大的特性,实测的结构一阶阻尼比大于同类超高层建筑物的测试结果,两次台风作用下89层、101层的加速度峰值和均方根均小于规范相应限值,满足舒适度的要求。测试结果为超高层建筑设计及相关研究提供有用的资料及依据。     

厦门沿海某超高层建筑结构风致振动动力特性研究

现场实测是获得结构风致振动动力特性参数的一种较为可靠的手段和方法。通过对厦门沿海某超高层建筑在台风登陆时进行现场原型实测,得到了该建筑结构的第10层、18层、23层、28层、33层和36层的加速度响应时程数据和固有频率及振型等结构的动力特性。根据实测加速度数据,利用随机减量法提取结构两方向的前3阶固有频率对应的阻尼比,结果表明：由于实测时台风风速较大,导致结构风致响应较为显著,因此结构两个方向第1阶阻尼比值在7%左右,明显大于另外两阶阻尼比;两方向第1阶阻尼比与加速度呈非线性关系,阻尼比随加速度的增大而增大。采用ANSYS软件建立该超高层建筑的3D有限元分析模型并进行模态分析,提取该模型的前3阶固有频率和振型,与实测结果进行对比分析,结果较为吻合,由此说明所建立的3D有限元分析模型正确可靠。     

台风激励下海口市某高层建筑模态参数识别

对2014—2017年期间一栋由4根巨柱支撑、高108m的32层塔楼在台风影响下的楼顶风场和动力响应进行同步监测，获得台风“威马逊”、“海鸥”、“彩虹”、“莎莉嘉”和“卡努”影响下该楼顶部的风速、风向和不同楼层沿长、短轴向的加速度响应时程，分析了加速度响应的时域和频域特性，采用ERA-NExT、RDT、有限元法识别了实测高层建筑的模态参数，研究了与加速度幅值相关的模态频率和阻尼比。统计结果表明：强风作用下高层建筑模态频率低于静风状态下的模态频率，当加速度均方根小于10mm/s²时，顺、横风向前三阶模态频率随加速度幅值增大而减小，顺风向前三阶模态阻尼比随加速度幅值增大而增大；当加速度均方根大于10mm/s²时，顺、横风向前三阶模态频率减小速率逐步减小，顺风向前三阶模态阻尼比未出现明显增大。当峰值加速度达到最大时，沿长、短轴向一阶模态阻尼比约为2.0%、1.9%，相比静风状态下前三阶模态频率下降了约11%、12%、10%，并提出了考虑相对加速度幅值(加速度均方根与测点离地高度比值)参数影响的高层建筑基频预测公式，为台风多发区域高层建筑基频的估算提供参考。     

超强台风“山竹”过境期间珠三角地区超高层建筑的风效应实测研究

对超强台风“山竹”侵袭时珠三角地区数栋超高层建筑的风致响应实测结果进行分析和总结,开展内伶仃岛缩尺模型风洞试验,获取该岛对气象站点风速的影响系数,并依此对观测风速进行订正,结合实测和风洞试验分析和评价深圳湾壹号7号塔楼(T7)的抗风性能。结果表明：不同高度、平立面外形的超高层建筑实测风致最大峰值加速度均超过10 cm/s²,且超高层建筑风振响应和建筑高度不存在相关性;在所有被测的建筑中加速度响应最小的建筑为高度342 m的T7,其最大峰值加速度仅为13.2 cm/s²;参数识别得到T7的模态频率和阻尼比显示均具有明显的时变特征,最大风速时段识别的模态频率整体上较有限元数据模拟结果增大21%,前两阶模态阻尼比分别为2.1%和1.7%;优化的气动外形和合理的朝向是T7抗风性能优良的主要原因,对于一般矩形平面的超高层建筑应避免使其窄边面向所在地的强风主导风向;采用订正后的风速值和参数识别结果对风洞数据进行重分析,结果显示计算值和实测值吻合较好,验证了前期风洞试验的可靠性。     

Study on full-scale measurements of wind effect on super high-rise buildings in Pearl River Delta region during super Typhoon Mangkhut

对超强台风“山竹”侵袭时珠三角地区数栋超高层建筑的风致响应实测结果进行分析和总结，开展内伶仃岛缩尺模型风洞试验，获取该岛对气象站点风速的影响系数，并依此对观测风速进行订正，结合实测和风洞试验分析和评价深圳湾壹号7号塔楼(T7)的抗风性能。结果表明：不同高度、平立面外形的超高层建筑实测风致最大峰值加速度均超过10 cm/s2，且超高层建筑风振响应和建筑高度不存在相关性；在所有被测的建筑中加速度响应最小的建筑为高度342 m的T7，其最大峰值加速度仅为13.2 cm/s2；参数识别得到T7的模态频率和阻尼比显示均具有明显的时变特征，最大风速时段识别的模态频率整体上较有限元数据模拟结果增大21%，前两阶模态阻尼比分别为2.1%和1.7%；优化的气动外形和合理的朝向是T7抗风性能优良的主要原因，对于一般矩形平面的超高层建筑应避免使其窄边面向所在地的强风主导风向；采用订正后的风速值和参数识别结果对风洞数据进行重分析，结果显示计算值和实测值吻合较好，验证了前期风洞试验的可靠性。     

超强台风“山竹”期间珠三角地区超高层建筑的风效应实测研究

对超强台风“山竹”侵袭时珠三角地区数栋超高层建筑的风致响应实测结果进行分析和总结,开展内伶仃岛缩尺模型风洞试验,获取该岛对气象站点风速的影响系数,并依此对观测风速进行订正,结合实测和风洞试验分析和评价深圳湾壹号7号塔楼(T7)的抗风性能。结果表明：不同高度、平立面外形的超高层建筑实测风致最大峰值加速度均超过10 cm/s2,且超高层建筑风振响应和建筑高度不存在相关性;在所有被测的建筑中加速度响应最小的建筑为高度342 m的T7,其最大峰值加速度仅为13.2 cm/s2;参数识别得到T7的模态频率和阻尼比显示均具有明显的时变特征,最大风速时段识别的模态频率整体上较有限元数据模拟结果增大21%,前两阶模态阻尼比分别为2.1%和1.7%;优化的气动外形和合理的朝向是T7抗风性能优良的主要原因,对于一般矩形平面的超高层建筑应避免使其窄边面向所在地的强风主导风向;采用订正后的风速值和参数识别结果对风洞数据进行重分析,结果显示计算值和实测值吻合较好,验证了前期风洞试验的可靠性。     

强台风作用下深圳卓越世纪中心的实测研究

超高层建筑的结构动力特性是影响结构风效应评估精度的重要因素,实测是获取实际结构动力特性参数的唯一方法并已有很多研究,但实测研究中出现较大振幅的情况仍极为少见。文章采用自主研发的无线加速度传感器,对高度280m的深圳卓越世纪中心北塔(ZCC)进行连续长期监测,得到10年来多次台风作用下ZCC结构顶部加速度响应时程信号。采用不同参数识别方法分别对ZCC在5次具有代表性的台风作用下的结构顶部加速度响应时程数据进行详细分析,并将台风“山竹”的实测结果和风洞试验的结果进行对比。结果显示：不同方法识别得到的结构模态频率一致性较好,模态阻尼比则存在一定差别;结构模态频率有随振幅增大而减少的趋势,顺风向的结构模态阻尼比随加速度的增大有增大的趋势,横风向的结构阻尼比则呈现较大的离散性,和加速度振幅的相关性不明显;现场实测得到的ZCC在台风“山竹”作用下的结构顶部峰值加速度和风洞试验结果具有较好的一致性,且在连续10年中测到的最大峰值加速度为23.91cm/s²,表明该建筑能够满足舒适度要求。     

大跨度U形钢-混凝土组合空腹夹层板楼盖舒适度实测分析

以贵州省博物馆红军长征馆为例,利用环境激励,采用频域法模态拟合方法对该大跨度U形钢-混凝土组合空腹夹层板楼盖进行了现场竖向振动模态测试和人员作用下的舒适度分析,得到了该楼盖结构前6阶竖向自振频率、振型、竖向加速度时程曲线以及实测加速度的最大值,采用有限元分析方法对实测自振频率和振型进行了对比分析。分析结果表明:模态分析中楼盖竖向第1阶自振频率的有限元分析结果和实测结果均满足现行规范要求;舒适度分析中楼盖竖向峰值加速度实测结果满足规范小于0.005g的要求,不会引起人员不适;由于隔墙和约束的原因导致有限元分析结果与实测结果不一样,但是相差大小在正常范围内。     

台风边缘区风场特性及其作用下高耸桅杆结构风效应实测研究

以深圳356 m气象梯度塔记录的风速时程数据为基础，分析了台风“圆规”边缘区风场平均风速、湍流度及风谱特性，并进一步探讨了台风作用下梯度塔的风致响应特征。结果表明：台风边缘区域大风时段风剖面指数均值为0.243,高度40 m以下湍流强度介于GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中C类与D类场地之间，高度320 m处湍流强度则接近C类场地的；von Karman谱与高度320 m处实测风谱吻合较好，但与低空实测谱存在一定差异；台风激励下梯度塔以横风向振动为主，且风振多模态参与特征明显，纤绳振动不可忽略；结构加速度响应幅值对梯度塔的模态频率和阻尼存在一定影响；结构x向和y向前三阶模态频率整体呈现随加速度响应增大而减小的趋势；阻尼比的识别结果较为离散，y向的前三阶和x向的一阶模态阻尼比随结构加速度响应增大而增大，而x向的二阶和三阶模态阻尼比则随响应增大呈减小的趋势。     

环境激励下某轻型木结构校舍动力特性研究

通过对汶川地震后重建的中国第一所轻型木结构校舍进行跟踪测试,获取结构在环境激励下的加速度响应,分析得到结构的模态参数(自振频率、振型、阻尼比)。汶川地震十周年之际,再次进行测试,利用频域分解法对采集的加速度响应进行分析,得到了宿舍楼、教学楼、食堂的前两阶模态,并将结果与九年前该结构刚投入使用时测得的动力特性进行比较。结果表明:三栋单体结构在使用过程中基本自振频率均略有降低,渗水较为严重的宿舍楼自振频率下降最多,下降了15%,且第二阶振型由原横向振动变为扭转;由抗震缝分隔开的教学楼三个区域的振动之间存在较弱的相互影响;此次测试较首次测试增加了测点数量,识别到了更低的模态;实测得到的阻尼比均小于5%。     

Shaking table test of super high-rise structure on liquefied ground

为了研究液化地基上超高层结构在地震作用下的动力特性和动力响应,设计了液化场地超高层结构模型,并对其进行振动台试验。分析了超高层结构的自振频率、阻尼比、振型、加速度响应、位移反应、结构顶层加速度响应组成和地基孔隙水压力。结果表明：随着加速度峰值的增大,结构的自振频率下降,阻尼比增大;由于结构刚度变化不大,结构振型曲线的形状变化不明显;结构的动力响应不仅与输入地震波的加速度峰值有关,还与地震波的频谱特性有关;结构顶层的加速度反应主要由结构弹塑性变形加速度分量组成,其次是基础转动引起的摆动加速度分量和平动加速度分量;当地震波加速度到达第1个峰值时,砂土层的超孔隙水压力存在负值。     

液化地基上超高层结构模型振动台试验研究

为了研究液化地基上超高层结构在地震作用下的动力特性和动力响应,设计了液化场地超高层结构模型,并对其进行振动台试验。分析了超高层结构的自振频率、阻尼比、振型、加速度响应、位移反应、结构顶层加速度响应组成和地基孔隙水压力。结果表明:随着加速度峰值的增大,结构的自振频率下降,阻尼比增大;由于结构刚度变化不大,结构振型曲线的形状变化不明显;结构的动力响应不仅与输入地震波的加速度峰值有关,还与地震波的频谱特性有关;结构顶层的加速度反应主要由结构弹塑性变形加速度分量组成,其次是基础转动引起的摆动加速度分量和平动加速度分量;当地震波加速度到达第1个峰值时,砂土层的超孔隙水压力存在负值。     

深圳京基100风致响应实测研究

采用自主研发的LAC-I无线加速度传感器,对高度441.8 m的深圳京基100(KK100)的加速度响应进行了为期5年的连续监测。选取了2011年至2015年间的4次主要台风(纳沙、杜苏芮、维森特和天兔)经过时的加速度观测数据以及常态弱风和环境激励下的加速度数据,进行结构动力参数识别以及验证与风洞试验结果的一致性。结果表明:各工况下自振频率的识别结果具有很好的一致性,与其在设计阶段对结构进行有限元分析得到的相应结果约大21%;阻尼比的识别结果表现出一定的离散性,x、y两个方向的阻尼比分别在0.6%~0.9%和0.33%~0.71%之间变化,但阻尼比与振幅并不存在明显的相关性;在风场条件基本一致的情况下,实测结果与风洞试验结果具有良好的一致性;在振幅较大的横风向,实测和风洞试验得到的结构顶部峰值加速度响应相差4.2%,说明了风洞试验的可靠性。同时近5年来的连续观测遇到了与深圳地区10年重现期风压相当的最大风速,测得的瞬时峰值加速度仅为0.123 m/s2,表明该建筑的舒适度能够满足要求。     

深圳平安金融中心施工阶段竖向变形实测与计算分析

以在施工的深圳平安金融中心为研究对象,在结构关键楼层布设光纤光栅应变传感器,实现对整个塔楼高度范围内竖向变形的全面监控。根据8种施工工况下的实测应变,采用线性插值法计算了塔楼各层的竖向变形,并采用有限元法进行了施工过程仿真分析,提出了结合实测数据和有限元模拟的同比例法验证了线性插值法的可靠性。结果表明,用于深圳平安金融中心的竖向变形监测方案可以对该结构竖向变形提供有效的监控,也可为其他超高层建筑竖向变形监测提供参考。     

消能减震建筑结构的附加有效阻尼比估计

为估计一栋实际消能减震建筑结构在地震作用下的附加有效阻尼比,提出了一种基于有限元模型修正技术的阻尼比估计和验证方法。考虑到结构初始有限元模型存在较大模型误差,采用基于结构振动模态参数的直接模型更新方法修正初始有限元模型,其中,对于实测振型不完整问题,利用振型扩阶方法补充完整振型。基于模态应变能概念,利用整体结构模态参数识别值,推导了油阻尼器支撑系统附加给结构的有效阻尼比和有效频率的计算公式,并估计了主体结构的频率和阻尼比。以一组实际地震动监测数据为例,采用建议方法估计有效阻尼比和有效频率,通过对比修正模型的预测响应与实际监测数据,验证了建议方法的有效性。     

网架模型结构模态分析的试验研究

实验模态分析是综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号处理和参数识别等手段,进行系统识别的过程。模态分析是有效的结构检测和安全评估的方法之一,它是根据测量模态参数(固有频率、阻尼比、振型、模态刚度、模态质量)相对于正常值产生的变化,并通过相关分析与识别来判断结构安全程度的一种先进方法。本文通过对网架模型结构进行试验模态分析,研究了试验模态技术在实际运用中的试验方法,识别系统的模态参数并与有限元分析进行比较,有限元结果与实测频率有一定的不同,但前四阶模态频率的差值百分比均在9%以内,说明实测的结果与有限元分析是比较吻合的。     

某居民楼结构的模态识别与仿真研究

运用振动测试仪器对某高层居民楼的动力特性进行了现场实测,通过模态识别技术对该结构的自振频率和阻尼比进行了参数识别,并在此基础上,采用有限元软件建立三维有限元模型,同时对其动力特性进行了数值仿真。     

Study on full-scale measurements of wind-induced response of the Shenzhen Kingkey 100 Tower

采用自主研发的LAC-I无线加速度传感器，对高度441.8m的深圳京基100 (KK100)的加速度响应进行了为期5年的连续监测。选取了2011年至2015年间的4次主要台风（纳沙、杜苏芮、维森特和天兔）经过时的加速度观测数据以及常态弱风和环境激励下的加速度数据，进行结构动力参数识别以及验证与风洞试验结果的一致性。结果表明：各工况下自振频率的识别结果具有很好的一致性，与其在设计阶段对结构进行有限元分析得到的相应结果约大21%；阻尼比的识别结果表现出一定的离散性，x、y 两个方向的阻尼比分别在0.6%~0.9%和0.33%~0.71%之间变化，但阻尼比与振幅并不存在明显的相关性；在风场条件基本一致的情况下，实测结果与风洞试验结果具有良好的一致性；在振幅较大的横风向，实测和风洞试验得到的结构顶部峰值加速度响应相差4.2%，说明了风洞试验的可靠性。同时近5年来的连续观测遇到了与深圳地区10年重现期风压相当的最大风速，测得的瞬时峰值加速度仅为0.123 m/s²，表明该建筑的舒适度能够满足要求。     

基于随机子空间法的系杆拱桥模态测试分析

通过对某座采用顶推法施工的大跨径钢管混凝土系杆拱桥进行模态测试,基于随机子空间法进行模态分析,得到了桥梁结构前6阶振动模态参数;采用桥梁结构分析软件MIDAS建立有限元模型并对桥梁进行模态分析,提取了与实测前6阶模态振型相对应的模态参数。经过比较发现,桥梁实测模态振型、自振频率与理论分析结果相吻合,实测系杆拱桥的动力特性满足要求,同时验证了随机子空间法是桥梁结构模态分析的一种有效方法。