第２２卷第２期。
００６年４月。
高层建筑结构动力特性测试实例分析。李。斌。
卢文胜。沈剑浩。
李检保。同济大学，上海２００
提要高层建筑的动力特性是其自身固有的特性，一般是指其自振频率、振型及阻尼比。通过现场测。
试得到高层建筑的动力特性具有重要意义，既可以验证理论计算，又可以为建筑物的安全性评估及损伤。
识别积累基本技术资料。而在获取高层建筑动力特性过程中，现场测试方法至关重要，现场测试数据的精确程度决定了后续工作的成果。本文对高层建筑结构动力特性的现场测试方法进行了概括、比较与分析，并以两个实例加以论证。
关键词高层建筑，振动测试，现场检测。
概述２测试特点及设备要求。
高层建筑结构的动力特性测试，目前主要采根据高层建筑的特点，在选择振动测试系统。
用脉动测试的方法。建筑物的脉动是一种微小的时也有较高的要求，主要体现在以下几方面。振动，脉动源来自地壳运动引起的微小振动，地面车辆运动、机器运转所引起的微小振动，以及风振。
．１较低的下限频率。
引起的建筑物的微小振动等。该方法利用高灵敏。
当今国内高层建筑的高度已经超过４００这。
度的传感器、放大器及记录设备，借助于随机信号些建筑物的自振频率低，即自振周期长，因此要求数据处理的技术，量测环境激励结构物的响应，分传感器及放大器的下限频率低，甚至是从零ｈｚ析确定结构物的动力特性。它可以不利用任何激开始，才能满足测试要求。振设备，对建筑物没有损伤，也不影响建筑物内部正常工作，是一种有效而简便的方法。
．２较高的灵敏度。
本文结合两个工程实例，对采用低频测试系振动测试系统中最重要的是传感器系统，包。
统进行脉动测试的仪器选择和实测方法进行了介括加速度传感器、速度传感器、位移传感器以及应绍，并对测试中应注意的问题进行了分析。
变传感器等。在对高层建筑进行现场测试时，可以根据需要选择一种或者几种不同类型的传感。
器。如果是采用环境随机激振，即不采用强迫激型是信噪比高的测点，对。
三、四振型不一定高。因此，对于不同的振型有时还需选用不同测点作比较。振型的动画显示是模态分析技术中最广泛、最基本的应用，通过计算机屏幕动态的显示振型，使人们可以直观地观察到结构在各阶模态下的振动形态。
要进行结构的动画显示，必须求出结构振动瞬态振型图序列。将不同时刻的瞬态振型连续反复地在屏幕上不断显示与擦除，即可观察到动画振型效果。
．３ 阻尼比的求取。
振器激振，则因振动信号微弱，要求传感器有较高的灵敏度，放大器有足够的增益。
．３足够数量的传感器及相应的放大记录设备。
由于被测高层建筑高度越来越高，跨度越来。
越大，量测时需要的传感器数量也越来越多，尽可能一次完成量测与记录工作，对试验结果的分析处理会带来很大的方便。但是如果传感器数量不足，可以分若干次进行布测与记录，可以选择若干。
个楼层作为基准层，其他楼层的测试结果可以与它们进行比较分析。分次量测时，连接点的选择很重要，连接点选得好，得到的振型就逼真；反之，振型就会失真。
脉动测试数据分析处理方法。
．１自振频率的估计。
般来说，自振频率的峰点将出现在所有的。
谱上或者出现在大多数的记录信号中。无论是一。
个测点信号的自谱或者两个测点信号的互谱，在结构自振频率峰值的位置都会出现陡峭的峰。异常输入或局部干扰也会带来一些峰值。因此，主要问题是从谱**现的所有峰值中，分辨出自振频率来。
如果建筑物各部位在同一频率处的相位和振幅符合振型规律，那么就可以确定此频率为建筑物的自振频率。而且，在自振频率处，两测点输出信号之间的相干函数接近ｌ。３振型的识别。
对于各个模态频率分得比较开，阻尼比较小的多自由度结构，在任意随机激励下，在自振频率。
处响应信号的互谱与自谱的峰值之比即可近似为。
振型之比。如下式：
式中，——测点和ｂ测点的阶振型的坐。
标；ｂ｜—测点和ｂ测点的互功率谱；ｇ岫——ｂ测点的自功率谱。
振型坐标的正负号可以根据互谱在处相位来确定。当然，这里选用来做相对比较的自谱是。
某个信噪比较好的测点信号，但常常对。
一、二阶振。
可以用半功率方法求取阻尼比，即由半功率点幅值ｈ（∞确定半功率带宽△∞＝一∞。，由此可得第ｋ阶阻尼比为。
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叫。式中ｈ（ｔ阶自振频率处共振峰的幅值；
频率；在本文中，由于篇幅有限，在实例中只给出结。
构的自振频率和振型阶序。
ｌｇ北京大厦（东塔）现场动力测试。
．１结构概况。
ｇ北京大厦位于北京市朝阳区东长安街。
建国ｆ－ｌ大街）南侧，处于二环和三环之间。该大厦由两座塔楼（东塔和西塔）及附属裙房组成，占地面积约１００总规划建筑面积ｌ５万ｍ 。大厦地下４层，地上裙房５层，塔楼３ｌ层，地面以。
上结构总高度１４１塔楼标准层平面近似椭圆，长轴方向长约４４．短轴方向长约４１．塔楼高宽比约为３．４见图１。
图１ｌｇ北京大厦效果图。
试验研究·．６结构工程师第２２卷第２期。
该大厦塔楼结构平面布置较规则，结构竖向无转换层或加强层，除核心筒，剪力墙从ｌ７层部分取消，以及为满足建筑造型需要，结构立面从２４层起逐层收进之外，结构竖向构件基本连续，抗侧刚度无明显突变之处。４．测试仪器设备。
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此次测试所需仪器设备有：高灵敏度超低频加速度传感器８只（ｖｓ一９９型），频响为根低噪声导线（长动态信号测试系统，为上海东昊测试技。
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术****生产；笔记本电脑一台；通讯及照明设备。
．３测试方法。
在结构的不同楼层布置振动测试传感器，测试结构环境随机振动（脉动），分析可得结构动力特性。为测试结构的扭转频率，在结构顶部和。
中部的某些楼层平面中与平动测点对称的位置处布置扭转测点。且底部测点保持方向不变，作为其他测点的参照点。测点布置的楼层包括ｂ４
层、１层、４层、８层、ｌ２层、ｌ６层、２０层、２４层和。
０层，测点一般布置在各楼层近外缘梁处，参见图２、图３（图中的 ，ｌ方向定义与计算方向一。
致）。测试时，每一工况振动采集记录时间不少于。
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了。图２楼层测点平面位置示意图。
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图３测点沿楼层高度分布示意图。
注：“▲表示传感器．括号内数字表示该测点所属测量次数。
．４测试结果。
现场动力测试所得部分楼层测点的传递函数曲线见图４、图５。建筑结构自振频率见表ｌ。
表１ｌｇ北京大厦现场动力测试结果。
振型序号１２３方。向。
脉动频率振型序号７８９方。向。
脉动频率。注：表中ｘｉ表示方向ｉ阶频率．ｔｌ表示扭转振动ｉ阶频率．余。
类推。脉动频率单位为ｈｚ。
图４ ３层ｂｘ向传递函数曲线。
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图５ ３层ｂｙ向传递函数曲线。
同济大学医学院大楼现场动力测试。
为各楼层的测点。
．１概况。图８测点沿楼层高度分布示意图。
同济大学医学院大楼为钢筋混凝土框架结构，原设计为１２层，后改为１３层；建筑平面呈矩５．４测试结果。
形，立面有巨大入口。测试时整体结构已经完工，并已部分投入使用，见图６。
图６同济大学医学大楼。
．２测试仪器设备。
此次测试所需仪器设备有ｃｄ一７型速度传感器，频响为０．５其他设备同上例。５．测点布置和过程。
建筑平面近中间位置有楼梯和电梯间。在楼。
梯间布置测振传感器，主要位于ｌ４层（屋顶）、ｌ
层、１０层、８层、６层、４层、２层和一１层（地下室底。
板）。其中，一１层布置参照测点，在测试过程中。
不移动，其余测点依次移动测量。每测点均按 、ｌ方向分别进行测试；为测试结构扭转特性，在ｌ２
层沿走廊的一侧（正立面左侧）布置测点，参见图７、图８。各测点测试记录时间约５ｍｉ一。一。
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图７楼层测点平面位置示意图。
现场动力测试所得部分楼层测点的传递函数曲线见图９、图１０。建筑结构自振频率见表２。
图９ １层向传递函数曲线。
图ｌ０ 层ｙ向传递函数曲线。
表２ 同济大学医学大楼现场动力测试结果。
振型序号。方向。
脉动频率注：表中ｘｌ表示方向１阶频率，ｔ１表示扭转振动１阶频率。余类推。脉动频率单位为ｈｚ。
结语。本文采用脉动法对两幢高层建筑进行现场测。
试，获得结构的动力特性。以上两实例中，相同之。
处有：①考虑到尽量找中心位置布置平移振动测点以及布置测点方便，测点都是沿楼梯间布置；②为测结构的扭转频率及振型，都设有一定的测扭。
转测点；③由于高层建筑体形庞大，传感器数量不。
足，在分次进行测量时，选择基准层的测点位置在整个测试过程中保持不变。
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主边跨异向竖向一阶振型频率主边跨同向竖向一阶振型频率。
边跨一阶扭转振型频率主跨一阶扭转振型频率。
图７江阴五星桥结构动力特性实测曲线。
增量约为０．０建议保持桥面平整避免因冲击产。
总结。生的不利影响；
５）用环境随机激励振动法测得五星桥前竖。
１）恒载作用下全桥斜拉索的实测索力值上。
下游索力误差一般都在４－５之内，索力比较均匀，索力值分布与设计值接近；（２主梁梁顶沥青桥面整体线形比较和顺，总体误差较小；
３）静载试验跨中加载时，实测的主梁挠度。
向２阶竖向振动和扭转的频率和振型与理论计算。
值相比，有较好的符合，说明结构整体刚度与设计值相一致；
６）在设计荷载标准的试验荷载作用下，各控制点的应力、刚度和变形恢复性能能符合设计。
要求，该桥整体结构承载能力达到设计要求。
和挠曲线形状、塔顶水平位移、主梁应力及其分布规律与设计值接近或一致，实测的跨中最大挠度。
约为相应计算值的０．８桥梁刚度较好；同时根据五星桥单索面宽桥面、塔梁墩固接等结构特点，实测应力表明局部应力分布较为不均匀；
４）动载试验的结果表明，在以不同车速和不同方法进行的试验中平均无障碍行车应力动态。
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参考文献。公路桥涵设计规范．北京：人民交通出版社，１９公路旧桥承载能力鉴定方法（试行），北京：人民交通。
出版社，１９
不同之处有：①所采用的传感器不同；②每工况的测试时间长短不同，后者的测试时间偏短，信噪比稍差，振型阶序也不连续。为了获得较好的测试效果，每工况的时间在２０～以上为宜。
综上所述，高层建筑结构动力特性现场测试应选择合理的测试系统，现场动力特性测试应有的放矢，针对结构特点采取最优的测试手段。现场动力特性测试还有待于进一步发展，如利用无线通信、网络技术等，直至实现长期监测、自动采。
集。参考文献。
徐。建．建筑振动工程手册．北京：中国建筑工业出。
版社，２０李国强，李杰，李炳生．高层建筑检测方法、研究与。
应用．振动、测试与诊断，１９
曹树谦，张文德，萧龙翔．振动结构模态分析——理。
论、实验与应用．天津：天津大学出版社，２０