上海金茂大厦结构动力特性测试李国强.pdf

第 3 3卷第 2 期 0 0 02 年 4月 土木 工 程 学报 CH IN AC V IELNGD硬犯刊ING OURN A L V o l 33 n rA o N 2 么X刃 上海金茂大厦结构动力特性测试 李国强陈素文李 同济大学 杰陆 雪平 中国上海对外贸易中心 股份有限公司 摘要介绍了采用专门研制的低频宽带振 动测试 系统 进行 上海金茂大厦结构脉动反 应测试 的工作以及 模态分 析过程 将高层建筑安全性 检测理论应用于实际典型工程 关健词 金茂大厦 振动测试 模态分析 1 前言 3 动力特性测试方案 近年来 随着高层建筑的迅猛发展 高层建筑的 安全性检测已成为工程界和学术界的热门课题 安全 性检测不仅是已建建筑物的需要 对于新建建筑物也 是必要的 众所周 知 由于设计 施工等因素的影 响 实际新建建筑物 与原设计建筑物有一定的差 异 为了把握新建建筑物的实际结构状态 需对建成后 的 建筑物进行实测 我们采用专门研制的低频宽带振动测试系统 I测 取建筑物在环境激振下 的脉动反应 结合功率谱和相 位谱确定结构的 固有频率 并根据测点之间 的互谱与 自谱的比值获得结构的振型 z 3 1 测试目的 测量结构的地 脉动反应 求得结构的动 力特性 频率与振型 与计算结果比较 2 工程概况6 传感 上海金茂大厦是一座集办公 宾馆和商业于一体 的综合性大楼 分主楼和裙房两部分 主楼高42 m 9 2层 为 国内目前最高的建筑 金茂大厦是内筒外 框结构体系 中间为由电梯 楼梯和建筑设备管道井 组成的钢筋混凝土核心筒 外框有八个钢骨混凝土巨 型组合柱 并且在2 4层至2 6层 5 1层 至5 3层和 8 5 层至 8 7层三个部位设置了两 层楼高的钢析架 使得 中央钢筋混凝土核心筒与外围八个钢骨混凝土巨型柱 连接在一起 形成主要的抵抗风荷载和地震作用 的抗 侧力体系 结构的标准层平面 图 和剖面 图如图 1所 不 黍黍黍黍黍黍黍黍黍黍 刀刀l l ll l l l门 门日日门门I l l l l l l l l l l l l l l l尸尸同同日日日日日 l l l l l l l l l l l l l l 口口曰曰l l l l l l 气气气 l l l l l l l l l l l l ll l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l 2 2 2034 5 5 5 例 x旧门 门 4 4 4 9 0 0 0 a 标准层平面图 昌昌昌昌 薰薰 l l li i i 州 甲 甲 湘湘渊渊触触霭霭 U U U哎l口 妞1 i i i r 口 粗飞飞 襄襄襄 鬓鬓 尸尸 i i i i i i i 髯髯髯撇撇靡靡 到到到 用用用 撇撇葬 葬月月 b 剖面图 图 1 收稿日期 l男8 一1任 1 3 本文为国家攀登 B计划资助课题 参加现场侧试工作的还有李炳生 范佩芳 陈隽 楼国彪 蔡又川 宫海 陆烨 张其云 江建华等 华东建筑设计研究院江大绥总工程师提供该院的计算结果 3 2 测试仪器 采用专门研制的低频宽带振 动测试系统进行测 试 该系统包括 l 高灵敏度超低频的压电加 速度传感器 4只 电压灵敏度为2 0w g土 o r 频率范围 0 1 一 印z H 土 3d B 2 匹配的3通道滤波放大器1台 3 S R 一 1 6 1 6K振动测试分析仪 l 台 DOI 10 15951 j tm gcxb 2000 02 007 36 土木工程 学 报 2 11 年 4 l的m 长导线5根 5 对讲机 4 台 3 3 传感器的定位与安装 本次测试主要测量结构的东西 向水平脉动反 应 金 茂大厦的结构是关于X Y 轴对称的 根据结构的 实际情况 将传感器定位在正 西 向 如图 1所示 传 感器以胶结方式安装 3 4 规一化验证 为了减少传感器的精度对测试结果 的影响 在进 行正式测试之前 先对四个传感器进行规一化验证 规一化的测点和 测 站均设在9 2 层 图2即为规一化 所得的 三个通道 的时程反应曲线 由图可知三个通 道 的规一性较好 三个通道的反应 是同方位的 只是在 幅值上有所差异 这将被用 于调 整测试所 得 的各层加 速度反应曲线 对初始测试数据进行灵敏度及放大倍数的调整 可得 相应的加速 度反应曲线 图3即 为第一 测 组 8 7 85 8 0 的一个加速度反应曲线样本 r月 的 任 二 20 0 0 0 10 0 0 0 一 M洲 O 一20砚 K l l l l l 二 丹丹 1人 川 1 日 流讥粉 诚 1 办 训 绷绷湘 喃喃 l油切 从 矽甲训 护 侧 钩 讹知 知 阶明 明 1 1 1 1 1 如如 一一一 时间 s a 第 8 7层的加速度反应曲线 洁 20 0 0 0 100 00 0 10 0 0 0 一2 00 用 一3 0叹 洲 0 l l l l l 卫卫 一已 争盏 内 户 气 巨巨 直 山山如 阳1 六 日日认 彻计钧罕 亡L产 产互 互犷 八诀粼气 洲认扩 扩 侧侧 钻 尸 尸 丫 U 争 争 时间 s b 第8 5 层的加速度反应 曲线 胡胡枷腼确似姗仙啊脚咕 咕 即即 一 r 甘甘甘 时间 s l l l 1 1 1 葬葬 纽纽 l 典爪 卜 牛 卜勺八 卜 叹 缪缪曰岭产七丰一土君乌赞坐 坐 l l l a 一通道 的加速度反应曲线 时间 s c 第 即层的加速度反应曲线 二 低低阁砌咖佩脚助啊脚啾 l l l I l I 图3 时间 s 4 模态识别结果 b 二通道的加速度反应曲线 震 这 200 00 10 0O 0 一 1 叹洲扣 一 20 0 C 二二 删删咖 溯 晒晒阳 阳六杨峥 丫丫 J J J 尸尸尸 一 时间 s c 三通道的加速度反应曲线 图2 3 5 测试概要 对于地 脉 动测试 触 动方 式 为 直接 稳态触 发 STB 选 取结构 的第五 阶 频率 兀 二 2 5玩为截止频 率 采样间隔取2侧X旧娜 记录长度为 4 K 因为金 茂 大厦的总高度限制 测试分成三段进行 设置 三个测 站 共分成 9个测组 3 6 测试结果 每一 测组可以得到相应三层的加速度反应曲线 4 1 识别原理 因为测试是在环境激励 风脉动和 或地脉动 的条件下进行的 输人不 易确定 本文采用文献 2 3 提供的方法 在输人信号未知的情况下直接利用 脉动响应识别得到结构的模态 其中频率的识别通 过 功率 谱的峰值和 相位谱 在 频率点 处相应 为J或 180 0 来确定 振型用 下式计算 笋 k 笋 p s 沐 s即 l 式中人 汽 分 别为k测点和p测点的i阶振型 坐标 值 s 沐为 k测点和p测点的互功率谱 s 为 p 测点 的自功率谱 本文采用半功率法计算结构的 阻尼比 4 2 识别结果 根据上述方法 利用自编 的程序 识别得出结构 的前五阶频率 振型 阻尼比和前四阶振型 图4给出 了分析所得的第一测组的自功率谱 互功率谱以及相 应的相位谱 由该图可以清楚地得出结构的前几阶频 第3 3卷 第2期 李国强等 上海金茂大厦结构动力特性测试37 1 1 1 1一 I I I l l l 1 1 1 1山 山田田标飞 奋 赫刮 刮i i i 1 1 日日 1 门门 匪匪l l l胭 胭 几几 习习 陌陌剧 山山J J J 翻翻翻翻 班班班 了了 纬纬 解解偷偷 1 1 1 L L Ll l l l l ll l l澎澎骼骼1 1 1例例脚脚 口口口吓吓 l 竺 竺匹 匹飞 飞 门 1 盯11 1 1下下 刁刁冈尸 尸 侧援 率 识别结果及其与计算结果 的比较如表 1所示 前 四阶振型如图5所示 采用半功率法算得结构的前五 阶振型 阻尼比示 于表o 2 l l l l l l l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l l l1 11 1 1 1 1 111 凡 介 1 的 口口 r r r 一 升升 颇率 Z H 频率 Z H a 第8 7层的 自功率谱 e 第s o层与8 7层的相位谱 图4 3乃 OE 18 2乃 OE 18 200E 18 回 1 50 E 18 理 1 00 E 18 5乃OE 17 0刀OE 0 一5 OOE 17 I I I I l ll l l l l l l l 二 1 1 1 1 I I I 二二 频率 l住 4 3 识别结果与设计计算结果的对比 表 3所列为振型识别结果与计算结果 的误差比 较 其中计算结果是华东建筑设计院采用 图 1所示计 算模型 运 用D队BS程序计算所 得 混凝土 核 芯筒 部分采用 墙单元 框架梁与柱 采用 梁单元 共计算了 前 6阶频率和2 阶振型 b 第8 5层与8 7层的互功率谱 表 1 频率识别结果与计算结果的比较 l l l l l l l l 一一 l 二 1 1 1 1 月月 认 实测结果计算结果 相对差异 000 9 4 2 月了 气 4 0飞 内 飞 一 4 0 1 0 158 7 0 6 22 6 1 3 18 4 频率 11 2 第一频率 Z H 第二频率 Z H 第三频率 Z H 第四频率 Z H 第五频率 z H I24 612 3 0 1533 0 59 62 1 29 23 2 田51 2 62朋 22 c 第 s o层与 8 7层的互功率谱 表2 阻尼比识别结 果 侧 暇 J 1 l 话话 中中炳椰椰 1 1 1 i i i百 一 11盈叹l l l 日日快烟州州州咐咐人人 I I I 1 I 团团 1 泞 l 分 2 芍3 乳 万5 颇率 H z 0 润名0 0 3 30 加77 0 田3 5 0 田37 d 第8 5层与 8 7 层的相位谱 表 3 振型识别结果与计算结果的比较 层号 识别结果 第一振型 计算结果 第二振型 相对差异 识别结果计算结果 相对差异 9 4 2 5 9 2 4 姗 4 4 j 月 盆月 皿 1 拟 0 9 714 0 明X刃 0 83 47 0 76 32 0 6 7 3 6 0 以X泌 0 s lm 0 肠7 5 0 4 3 5 9 0 375 7 0 326 8 0 2 7 3 6 0 2 232 1 仪曰 0 9 731 0 9 18 2 0 8日 1 0 即21 0 72 82 0 6183 0 州月4 05 475 0 519 2 0 4 51 1 0 3 79 4 0 3 10 2 0 2 47 3 0 XXX 一0 174 7 一 1 2卫y 7 一 2 9 531 一 4 今妇8 一 7 小刀9 一 1 9公拓 一 8 肠 76 一 109 5 8 9 一 12 1918 一 16 7 14 7 一 13 别讲 一 11 7 98 8 一9 74 52 1 叉乃 0 8以 1 0 65 67 0 月叫 O 四对 0 碗治肠 一0 犯月 4 一0 337 2 一0 4 8 又 一 0 58 85 一 0 7 532 一 0 8公拍 一 0 汐铭5 一0 7 535 1 峨洲l 0 9 251 0 738 2 0 5313 0 3 14 1 0 0 5 71 一 0 la 72 一 0 34 43 一0 4 9 1 1 一0 义52 一0 6 516 一0 717 5 一0 738 2 一0 714 6 0 1众 一4 段抖3 一 1 1 冲卫 一7 胆伪 一 6 驯 肠 5 1 肠38 一2 1 2日叼 一2 肠22 一 1 1印7 7 l5 男18 4 43 6 8 78 57 5 5 07 06 5印5 5 5 2 印 4 54 03 53 0 38 土木工 程 学 报 2 X X 年 续表 层号 第一振型 识别结果计算结果 相对差异 识别结果 第二振型 计算结果相对差异 2 5 2 O 巧 0l 0 172 6 0 12 8 1 0 朋 18 0 0 516 0 0 X 洲 0 1侧M 014 3 0 的26 0 0 52 5 0 仪又 一 9 季铭7 一 8 的57 一4 58 一 1 7143 0 义 又 叉 一0 58 兜 一0 4 12 7 一0 2侧犯 一0 1618 0 瓦众 一0 6 57 2 一 0 又刃2 一 0 一4 37 1 一0 邓7 4 0 创刀 一 10 叼翻 一 2 7 今辫7 一 32 仪刀9 一4 3 7工2 0 0 0 R工 声 4 0 5 03 02 0 8 0 7 06 05 04 0 3 0 2 01 0 簇仁 0 5 振型位移 一l一0乃 00石 振型位移 a 第一振型识别结果 b 第二振型识别结果 4 4 分析和讨论 从以上实测识别结果与设计计算结果的比较可以 看出 前五阶频率的相对差异都在 5 以内 金茂大 厦建成后 的实际结构状态与设计基本一致 相对而言 结构的实测与计算振型的差别较大 并随着模态阶数的提高而增加 由表3可 知 结 构第一 阶振型 阻尼比为 0以8 0 钢筋混凝土结构第一振型阻 尼比的经验系数为 0 0 5 这主要 因为金茂大厦是以钢筋混凝土核心筒以及外框 的八个巨型钢骨混凝土柱 为主 要抗测力构件 从而体 现了钢筋混凝土结构的特性 8 0 尸尸 70 5 结束语 1 嘿仪 辈 多 本文采用低频宽带振动测试系统测试了上海金茂 大厦在环境激振 风和 或地 脉动 下 的结构脉动 反 应 并进行了模 态分析 分析结果表 明 低频宽带振 动测试系统能够较好地测取高层建筑的动力特性 从 而对建成后高层建筑的实际结构形态是否与设计一致 加以检验 4 0 3 0 2 0 n Uon 八 U 4 j 4 l 一0 5005 振型位移 一 0乃0Oj 振型位移 c 第三振型识别结果 d 第四振型识别结果 参考 文献 八U 八 U八U 八 UO 咤4 气 8 07 06 05 04 0 3 0 2 0 簇护 0石1 0 振型位移 一 10 一0 50 0 0 51 0 振型位移 e 第一振型计 算结果 f 第二振型计算结果 图5 邵志常 李国强 李炳生 陈素文 低频宽带振 动测试系 统研制 国家攀登B计划课题研究报告之十三 1卯7 李国强 结构模态参 数识别方法 工 一频域法 国家攀 登 B计划课题研究报告之一 1卯5 宝志雯 陈志鹏 从建筑物的脉动响应 确定其动力 特性 深圳大学学报 理工版 198 6 l 宝志雯 来晋炎 陈志鹏 建筑 物的脉动试验及其数据处 理的方法 振动与冲击 19 87 2 方远翔 陈安宁等 振动模态分析技术 北 京 国防工业 出版社 l卯3 李亚明 上海金茂 大厦设 计简介 两岸高层建 筑之 规范 设计与施工研讨会 台北和高雄 1卯8 第 3 3卷 第2期 李国强等 上海金茂大厦结构动力特性测试93 OFD 丫协幼叮 C 几及明如 ng 汉于n s n 几 cJi T l lo 幻1 U n i ev oi ty RPOPERT皿污OFSHANG R红刀叫侧叭0 刻A NS K四 玩 万i 即 nig Chi na hS na gh iFa o er i T d L e C e咖 Co t L d Al sta r ct By s u e o fh t e s e详 eia l lydv e e 1 OI 以1 1 角泪 u eney i wd e 卿 lgeviba r t io n a m e s u e m e r nt s s r tem h e t a c eele a r tio n hist oy r e r so plls e o f h e t 51 1田l h g ai jim a o n Ma n sion w a s m e a s u获妇u d n er e n vio r m e n nt e x c ia t tio n h T e m e a s u nt p e s s a nd h e t a na l ysis o w政 o fh t e da a t a e r p td e in h tis pae p r h T e o f 泪 u ec n ie s dy n a u I T c mo de s a nd da m i Pg n c o ei f fi ce n s t ha ve b犯nide nt讯司 仆 e s a t i sf a c o ty r c o mpa n s o n b e tw e e n h e t i Ie nti i f e d e s r 沮s t a nd h t ec o n lpu e d te s r tds t d e l o n s n i a t t e that h e t s 加 etu l a l m记el emPloye d f o r h e t de sig no f h e t J M a s n io n 1 5 e rlia ble 价y w on如 iJ Ma s n io n v iba r tio na l 一 n t m仪Ia l 翻司ysis 李国强 陈素文 李 杰 陆雪平 教授 博士生导师 主持完成国家攀登计划 国家 自然科学基金等资助 的科研项目 o r 多项 从事钢结构分析 与设 计理论 高层 建筑结构分析 与检测理论等方面的研究 通讯地址 ZJI 珍2 上海同济大学建筑工程系 博士生 从事 高层建筑结构 分析与检测理论 结构 一桩一土 的相互作用等方面 的学习研究 教授 博士生导师 从事混凝土结构抗震与非线性分析等方面的研究 从事结构设计 施工和管 理工作 小洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 曰 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 洲 卜 国际软土 工程学术会议 Sha ng h a i 2X l 近年来 我国沿海软土地区大规模的经济建设带动了软土工程学科 的迅速发展 取得了许多创造性的成果和成功 经验 引 起了世界同行的关注 国 际土力学 与 岩土工程协会 1骆MG E 主席日本 东京 大学K lshih a 口教授 与1骆M