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结构的动力特性是复杂高层和超高层建筑结构的关键设计参数,也是衡量复杂高层和超高层建筑结构动力性态的重要依据。动力特性可以通过数值模拟方法进行预测,也可以通过现场实测的方式获得。为准确了解和掌握新建或既有建筑真实结构性态,可采用数值模拟和动力检测相结合的方式。该方式在一定程度上消除了数值模拟获得的结构动力特性与实际结构动力特性的差异,也避免了现场实测无法进行完备观测的问题。
理论分析模型为确定地震作用、分析风振响应和了解结构的振动正常使用状态性能等提供了重要基础。事实上,由于计算理论的限制、材料参数的不确定性、施工误差和环境变化等各种因素的存在,将导致实际结构与分析和设计模型之间存在或大或小的差别,仅靠理论分析往往不能满足工程应用的需要。理论分析要与试验测试相结合,在实测数据的基础上对分析和设计模型进行修正,可以较为准确地反映结构的实际性态。
本文以复杂连体高层建筑杭州市民中心的关键子结构—高空钢结构连廊为研究对象,使用基于平均正则化功率谱密度的峰值法和模态置信因子对连廊的动力特性进行了数值模拟和现场实测比较研究。基于有限元理论建立了三维有限元模型,并通过模态分析获得了结构主要的频率和振型。在输入未知情况下对连廊进行了动力检测。动力检测过程包括通过传感器网络和数据采集系统获得高空连廊在风荷载和地脉动等环境激励作用下的响应时程和基于实测响应时程的实验模态分析过程。在实测连廊响应时程的基础上,使用了基于平均正则化功率谱密度的峰值法识别结构的主要频率、振型。由于阻尼的机制较为复杂,且不确定性较大,结构的阻尼参数通常通过现场实测和工程经验进行确定。采用半功率带宽法和随机减量方法识别连廊阻尼比。引入模态置信因子,对计算模态信息和实测模态信息进行了比较分析,以验证数值模型的准确性。
在上述工作基础上,使用基于灵敏度分析和贝叶斯估计的有限元模型修正方法对复杂连体高层建筑群杭州市民中心的高空钢结构连廊进行了有限元模型修正。通过频率误差和模态置信因子计算,比较分析了修正前连廊数值模型的模态参数和基于环境激励下实测得到的连廊模态参数,以确定数值模型动力特性与实际结构动力特性的差异。通过模态参数对连廊构件物理参数的灵敏度分析构造灵敏度矩阵,并在此基础上筛选出对结构模态参数影响较大的参数。基于贝叶斯估计法构造参数加权矩阵和响应加权矩阵,根据待修正参数初始设计值的置信度设置参数允许的上下边界值。按一定的收敛准则进行迭代修正可获得模型修正结果。
本文的试验分析和模型修正分析研究表明,基于平均正则化功率谱密度的峰值法可以直接和准确地识别结构的低阶模态参数,基于灵敏度分析和贝叶斯估计的模型修正方法获得的模型修正结果具有明确的物理意义,使修正后的模型能合理地反映工程经验和实际情况。修正后连廊模型的动力特性与实测动力特性有很好的一致性。修正模型可以用于连廊的振动控制、响应预测及性态评估。