台北101大楼风致响应实测及分析
建筑结构学报Jour nal of Bu ildi ng Structures 第31卷第3期2010年3月
V ol131N o13Mar12010004
文章编号:100026869(2010)0320024208
台北101大楼风致响应实测及分析
李秋胜1,2,郅伦海1,段永定3,高金盛3,苏圣中4
(1.湖南大学土木工程学院,湖南长沙410082;2.香港城市大学建筑系,香港999077;
3.淡江大学土木工程系,台湾淡江25137;
4.台湾气象局,台湾台北10048)
摘要:台北101大楼主塔楼总高508m共101层,在台风/马莎0和/泰利0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。
关键词:超高层建筑;原型实测;风致响应;阻尼比;自振频率;舒适度
中图分类号:TU9731213文献标志码:A
Full2scale measure ments and analysis ofwi nd2i nduced
response ofTai pei101To wer
LIQ i usheng1,2,Z H I Lunhai1,T UAN Yungti ng3,KAO Ch i nsheng3,S U Shengchung4
(1.College ofCivil Engi neeri ng,H unan Universit y,Changsha410082,Ch i na;
2.Depart ment ofBuil d i ng and Constructi on,Cit y Un i versity ofH o ngK o ng,HongK o ng999077,Ch i na;
3.Depart ment ofCi vilEngi neeri ng,TamkangU ni vers i ty,Ta mkang25137,Chi na;
4.Tai w anW eather Bureau,Taipei10048,Ch i na)
Abstract:Ta i pe i101To wer has a he i ght of508m a nd101storeys.Statistics anal ysi s ofw i nd2i nduced response data m easured f ro m Taipei101To wer duri ng the passage ofTyphoonsMasta and Talm i were conducted.The characteri st i cs ofwind2induced vi brati ons of the super tall buildi ng under typhoon condit i ons were i nvestigated f ro m the m easured acceleration data.The measured results revealed that the structural modal para m eters which obta i ned fr o m a direct analysis of the acceleration data during the t wo typhoons are sm i il ar.The m easure d natura l f requenci es of the Ta i pe i 101To wer are lar ger t han those fro m the nu m eri cal anal ysi s.The m easured mode shapes are i n good agree ment with those ca lc ulated f ro m the co m putat i ona l m odel of the buildi ng.The da m pi ng c urves deter m i ned using t he rando m decre m e nt technique based on the fi eld data during t he typhoons clearly de monstrate nonlinear energy dissi pation char acteristics.It is also sho wn that the da mpi ng ratio generall y i ncrease with i ncrease i n vi brat i on a mplitude during the typhoon.The measure d da mp i ng r at i os of t he firstm odes i n t wo orthogonal directions are lar ger than t hosem easured f ro m super tall bu ildi ngsw ith sm i ilar str uctural syste m s.The peak and R MS acce l erati on responsesm easure d f ro m the 89th and101st floor of the buil ding during the t wo typhoons were all bel o w the servi ceability criteri on stipulated i n releva nt wi nd2resistant design codes f or occ upancy co m f ort and it can be concl uded that t he Ta i pei101To wer wou l d appear to satisf actoril ym eet the occupancy co m f ort criterion underm oderate wi nd condit i ons.The prese nte d results i n this paper are valuable f or the desi gn of super tall buildi ngs.
K ey words:super ta ll bu ildi ng;f ull2scale m easure ments;wind2induced responses;da mping ratios;natural f requencies;occupancy co m f ort
基金项目:国家自然科学基金重大研究计划重点项目(90815030)。
作者简介:李秋胜(1962)),男,湖南宁远人,工学博士,教授。E2mai:l bcqsl@i c i ty u1ed u1hk
通讯作者:郅伦海(1979)),男,山东菏泽人,博士研究生。E2ma i:l z h il unhai1979@1631co m
收稿日期:2009年2月
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0引言
现代超高层建筑,由于材料与设计理念的创新,施工技术的进步,正朝越来越高、越来越柔的方向发展。由于这类建筑的自振频率较低,同台风动荷载的主要频率段比较接近,在台风作用下的风致响应比较大,所以其风振问题早已引起人们的重视。原型实测是研究结构风效应最直接和最可靠的手段,我国对于超高层建筑原型实测的研究也取得了一些成果,李秋胜等[124]在超高层建筑的阻尼问题、风场观测、风致响应实测及基于I nter net技术的远程监测等方面进行了系统的研究,李国强等[5]对上海金茂大厦的自振特性进行了原型实测,另外,过静珺等[6]将GPS技术应用于超高层建筑和桥梁的原型实测,重点研究了结构的位移。即便如此,对于台风作用下超高层建筑动力性能和风致振动的观测研究还比较少,对于超高层建筑多测点结构风效应同步实测方面的研究则更加缺乏。为此选择了台北101作为研究对象,进行了超高层建筑动力特性与结构风效应的研究工作。旨在获取超高层建筑在台风作用下的结构动力特征和风振资料,为超高层建筑抗风设计提供有用依据和宝贵资料。
1大楼概况及强振监控系统简介
台北101大楼位于台北市信义计划区内,属于城市的中心地带,其主塔楼为101层的办公楼,结构总高度为448m,加上顶层60m高的尖塔,主塔楼地面以上高度达508m,结构立面如图1所示。台北101主楼承重系统以井字形的巨型构架结构为主,每隔8层设置巨型梁,与外围的巨型箱型柱及中央斜撑核心筒组成类似11层楼高的巨型结构。此外,为了满足大楼在强风或强震作用下的舒适度要求,该建筑在87~92层以及101层以上尖塔部分分别安装了调谐质量阻尼器(T MD),以减少大楼的侧向加速度响应。主塔楼结构的平面布置为正方形,各层边长不尽相等,以4519m为主,结构高宽比接近于10,超过现行结构规范规定的标准[7],属于对风作用敏感的结构。
为了更好地研究超高层建筑的动力特性,评估建筑在强风或强震作用下的安全性和可靠性,获得丰富、全面、有工程意义的结构振动响应数据,台北101大楼建立了结构强振监测系统,实时监控大楼的振动状态。监测系统由强震仪和数据采集设备两部分组成。强震仪沿建筑高度分6层布设,为了获得结构的扭转模态,每个测试层围绕建筑物形心选择两个不同的位置同时安装了强震仪,其中在地下5层(基底层)、1层和89层每层布置了6个强震仪,而在36层、60层和101层每层布设了4个强震仪,其具体布置如图1、2所示。数据采集设备以采样频率为200H z连续采集数据,以实时监测主体结构的加速度响应。该强振监控系统于2005年8月期间对台风/马莎0和/泰利0作用下台北101大楼的风致响应进行了同步监测,获得了主塔楼结构的多点加速度数据。本文主要对这些结构风致响应实测数据进行了
分析和研究。
图1强震仪布设立面图
F i g.1E levati on drawi ng of Ta i pe i101To
wer
图2强震仪布设平面图(60层)
F i g.2Sensor a rrangements on t he60th fl oor
25
2 台风简介
211 台风/马莎0(Ma tsa )
台风/马莎0于2005年7月31号在关岛西南方向生成为热带低气压,并向西北方向移动,8月2日,/马莎0增强成为一个台风。随后两天通过台湾东部及北部海面,6日进入大陆,随即衰减为热带低气压。据台湾气象台预报台风/马莎0中心最大风速达到40m /s ,瞬间阵风超过50m /s ,整体移动速度约为14km /h ,图3为台风/马莎0
的路径。
图3 台风/马莎0路径图F ig .3 Route of Ty phoon M atsa
212 台风/泰利0(Ta l m i )
台风/泰利0在2005年8月26日于关岛西南偏南约150km 的太平洋上发展成一个热带低气压。它大致向西北移动并增强,于8月28日达到台风强度,8月31日进一步增强为强烈台风。随后,/泰利0转向西北偏西推进,并于9月1日早上到达花莲近海,随即横穿台湾全部。同日下午,/泰利0在福建登陆后,进一步移入内陆,翌日减弱为一低气压。台风/泰利0中心最大风速达到53m /s ,瞬间最大阵风超过65m /s ,整体移动速度较快,超过了21k m /h ,其路径图如图4
所示。
图4 台风/泰利0路径图F i g .4 R o u te of Typhoon Tali m
3 实测结构风振分析
311 结构自振频率
通过对多层测点的加速度响应信号进行功率谱分析得到结构的模态参数。并依据下列原则来去除虚假模态:各测点的自功率谱峰值位于同一频率处,而且在模态频率处各测点间的相干函数接近1,同时各测点具有近似同相位或反相位的特点。在识别结构扭转模态时,利用同层、同向加速度信号的差值来去除结构平动模态,从而达到获取扭转模态的目的。
根据两次台风作用下的实测加速度响应信号得到台北101大楼的平动和扭转自振频率,如表1、2所示。由表中实测结果可见,两次台风作用下实测的
结构自振频率吻合较好,图5~7给出了两次台风下101层实测加速度响应的功率谱密度,由图可知,两次实测的响应谱峰值明显,测试结果可信度高。表1 实测台北101大楼平动自振频率Ta b l e 1 Na tura l fre que nc i e s o f swa y m ode s
o f Ta i pe i101Towe r
层号
传感器编号台风/马莎0台风/泰利0第一阶/H z 第二阶/H z 第三阶/H z 第一阶/H z 第二阶/H z
第三阶
/H z
36
A13Y 011470143501781011470143501781A14X 011550144001801011560143901787A15Y 011470143501781011470143501781A16X 01155014400180101156014390178760
A17Y 011470143401785011470143001781A18X 011560144001801011560144001786A19Y 011470143401785011470143001781A20X 01156014400180101156014400178689
A21Y 011470143601786011460143401781A22X 011560143901801011560143901791A24Y 011470143601786011460143401781A25X 011560143901801011560143901791101
A27Y
011470143501781011460143001781A28X 011560144001800011560143901786A29Y 011470143501781011460143001781A30X 011560144001800011560143901786平均值
Y 向011470143501783011470143201781X 向
01156
01440
01801
01156
0143901788
312 结构振型分析
以地下5层的加速度响应作为参考测点,通过其余测点与该层加速度响应之间的互功率谱并结合相位差的特性获取了结构的平动振型,如图8、9所示。由图可知,两次台风作用下识别的结构振型符合较好,其中X 向、Y 向第一阶振型是整体同向平动,第二阶是上下相对振动,第三阶则是结构中部与上下两部分反相位平动。此外,分析结果也表明X 、Y 两个方向的前三阶振型都表现为顶点位移最大。
26
表2 实测台北101大楼扭转自振频率Ta b l e 2 Na t u ra l fre que nc i e s o f tors i ona lm ode s
o f Ta i pe i101Towe r
层号
传感器编号台风/马莎0
台风/泰利0第一阶/H z
第二阶/H z 第一阶/H z 第二阶/H z 36A15Y 2A13Y 01250015950124401605A16X 2A14X 0125001596012440160560A19Y 2A17Y 01249015960124401605A20X 2A18X 0124901596012440160689A24Y 2A21Y 01249015960124401605A25X 2A22X 01249015960124401605101
A29Y 2A27Y 01248015960124401605A30X 2A28X 01249015960124401605平均值
01249
01596
01244
01
605
图5 101层平动加速度功率谱密度(/马莎0)
F i g .5 P o wer spectra l densities of acce lera ti on for the s way m o des at leve l 101during Typhoo n M
atsa
图6 101层平动加速度功率谱密度(/泰利0)
F i g .6 P o wer spectra l densities of acce lera ti on for t he s waym odes at level 101dur i ng Typhoon Ta li m
313 结构阻尼比
采用随机减量法,针对两次台风过程中台北101的实测加速度响应信号,选用一系列的振幅阈值,计算了前3阶结构阻尼比,如表3所示。由表中实测结果表明,台风/马莎0作用下实测的X 向、Y 向阻尼比的平均值均大于台风/泰利0作用下的相应测试结果,这可能与/马莎0作用下结构的加速度响应幅值
较大有关。为了研究结构阻尼比随振动幅值的变化
图7 101层扭转加速度功率谱密度F i g .7 P o wer spectra l densities of torsio na l
acce lera ti on at leve l
101
图8 结构X 向平动振型
F i g .8 M ode shapes of s waym odes i n directi on X
m easured fro m Taipe i 101To
wer
图9 结构Y 向平动振型
F i g .9 M ode s hapes of s way modes i n directi on Y
m easured fro m Taipe i 101To wer
规律,图10、11给出了基于幅值较大的101层加速度响应所识别结构阻尼比随振动的变化曲线。由图可见,两次台风下结构101层实测的一阶平动阻尼比在
27
表3 结构阻尼比
Ta b l e 3 Dam p i ng ra ti o o f Ta i p e i 101Towe r
层号
传感器编号台风/马莎0台风/泰利0
第一阶/%第二阶/%第三阶/%第一阶/%第二阶/%第三阶
/%36
A13Y
019211560150017611050130A14X 118001700162016101560165A15Y 110411040147018611000128A16X 11970178016801390156016760
A17Y
111711720146017911040128A18X 117701750166016401590159A19Y 110911390152019501990131A20X 11970181017201530151016889
A21Y 11081141
0150017501970120A22X 117501640183016201600167A24Y 111011440151111111060130A25X 117901620177015301620164101
A27Y
019811700148113001990131A28X 117501780160016401590162A29Y 110611390148112601980134A30X
117401630155015801590156平均值
Y 向110611460149019711010129X 向
1182
0171
0168
0157
0158
01
64
图10 阻尼比随101层加速度变化曲线(/马莎0)
F ig .10 Var i a ti on of damp i ng rati o w it h vi brati on a m plitude at leve l 101dur i ng Typhoo n M a
tsa
图11 阻尼比随101层加速度变化曲线(/泰利0)
F i g .11 Va riati on of da m pi ng ratiow ith vibratio n amp litude at level 101dur i ng Ty phoon Tali m
大部分时间段都大于1%,最大值超过3%,实测阻尼比结果大于高度相近、结构相似的其他超高层建筑物的相应测试结果
[123,829]
,这可能与台北101大楼上
安装了调谐质量阻尼器有关,在台风作用下,调谐质
量阻尼器发挥了作用,增大了结构的阻尼比。此外,对比两次台风作用下实测阻尼可以看出,大部分阻尼比均不同程度的呈现出随振幅增大而增大的特性。
4 有限元分析及其与实测结果对比
根据结构设计施工图建立了三维有限元数学模型(如图12),目的是进一步研究台北101大楼的结构动力性能,从而与实测结果相互印证。该模型采用了梁板建模方式,对结构主体采用十二节点空间梁单元和四节点弹性板单元,局部钢支撑采用三维杆单元,对于楼层上的集中质量点则采用三维质量单元进行模拟。计算时应用有限元分析软件ANS YS 动力特性分析模块提取结构前五阶自振频率如表4和图13所示,作为对比,表中同时给出了两次台风作用下实测自振频率总的平均值。由计算结果可知,除扭转模态外,各实测值均大于有限元分析结果,究其原因有:1非结构构件在实际结构中已参与工作,增加了结构的整体刚度,而在有限元分析常予以忽略此部分对整体结构刚度的贡献;o由于结构设计活荷载并没有满负荷,导致结构实际的总荷重小于在有限元分析时考虑的总荷重。
28
图12 有限元模型F i g .12 F inite e le m ent m ode
l
图13 结构有限元计算振型
F ig .13 C alcu lated mode shapes of Ta i pe i 101To wer
表4 有限元分析和实测自振频率对比
Tab l e 4 Me a s ure d a nd ca l c ul a t e d na tura l fre que nc i e s
o f Ta i pe i101Towe r
自振频率
X 向Y 向扭转第一阶
第二阶第一阶
第二阶第一阶计算结果/H z 0113401370011330136101260实测结果/H z 0115601440011470143401247差别/%
1410
1519
915
1618
-513
在有限元分析和实测模态振型的对比中,通常利用模态保证准则(MAC )和标准化模态差(NMD )对试验模态向量和理论模态向量进行分析[10211]
。两
种准则的定义如下:
MAC ( i , i )=