环境风激励下的深圳平安金融中心模态参数识别李秋胜;韩旭亮;何运成;贺映候;周康【摘要】对高度600 m的超高层建筑——深圳平安金融中心在外界环境风激励下的风振响应进行了现场实测.通过安装在塔楼118层的2组加速度传感器测得结构的风致加速度响应,采用经验模态分解法(EMD)与随机减量技术(RDT)相结合的方法计算了结构的自振频率和阻尼比.建立了深圳平安金融中心三维有限元模型,通过有限元分析得出结构的自振频率,并与实测结果进行对比.结果表明:由EMD和RDT相结合的方法计算得出结构1阶横弯自振频率约为0.12 Hz,阻尼比为0.3%~0.6%;结构1阶扭转自振频率约为0.28 Hz,阻尼比为0.8%~1.0%;深圳平安金融中心实测结构自振频率和阻尼比与其他结构高度相似的超高层建筑实测结果相近,且实测结果和有限元分析结果吻合较好,验证了EMD和RDT结合方法分析超高层建筑模态参数的有效性;测试结果可以为超高层建筑设计和相关研究提供依据.%The 600 m height super high-rise building of Ping'an Financial Center (PAFC) in Shenzhen was field measured under external ambient wind excitation.The wind-induced acceleration responses of the structure were measured by the two groups of acceleration sensors installed on the 118th floor.The natural frequency and damping ratio of the structure were calculated by combining empirical mode decomposition (EMD) and random decrement technique (RDT).The three-dimensional finite element model of Ping'an Financial Center in Shenzhen was established, and the natural frequency of the structure was obtained by finite element analysis.The results show that using EMD and RDT combination method, the first-order transverse natural vibration frequency is about 0.12 Hz, the damping ratio is 0.3%-0.6%;the first-order torsional natural vibration frequency is about 0.28 Hz, the damping ratio is 0.8%-1.0%.The measuring natural vibration frequency and damping ratio of Ping'an Financial Center in Shenzhen are close to other similar high-rise structures, and the measured results are in good agreement with the finite element analysis results, which verifies the effectiveness of EMD and RDT combination method to analyze high-rise building modal parameters.The measured results can provide the basis for the design of super high-rise building and related research.【期刊名称】《建筑科学与工程学报》【年(卷),期】2017(034)003【总页数】8页(P1-8)【关键词】超高层建筑;风致响应;现场实测;经验模态分解法;随机减量技术;模态参数【作者】李秋胜;韩旭亮;何运成;贺映候;周康【作者单位】湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082;香港城市大学建筑学及土木工程学系,香港;湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082;香港城市大学建筑学及土木工程学系,香港;香港城市大学建筑学及土木工程学系,香港;湖南大学土木工程学院,湖南长沙 410082【正文语种】中文【中图分类】TU973.2随着建筑材料的发展、设计理念的创新、施工技术的进步，超高层建筑得到了快速发展。
近年来兴建了大量的超高层结构，至2020年，全球将至少建成8座高度超过600 m的超高层建筑。
随着结构高度的不断提高，超高层建筑呈现出质量轻、柔度高以及自振频率低、阻尼比低等特点[1-5]。
超高层建筑较低的自振频率与台风动荷载的主要频率段比较接近[1]，在台风作用下可能产生较大的风致响应，因此对超高层建筑的风致振动及动力特性进行研究很有必要。
超高层建筑风致振动的研究方法主要包括风洞试验、数值模拟以及现场原型实测3种，其中现场原型实测是研究结构风效应最为直接可靠的方法。
现场原型实测可以得到结构的风致振动响应，由结构的振动响应可以进一步识别出结构的模态参数[6-9]。
对于超高层建筑，其模态参数在设计前后往往是有差别的，现场原型实测得到的结构模态参数不仅能对设计阶段的取值加以验证，而且可为今后的超高层建筑设计提供依据。
在超高层建筑结构模态参数识别方法中，随机减量技术(Random Decrement Technique,RDT)应用较为广泛，但是由于RDT方法只能处理平稳、零均值的随机过程，所以本文采用适合处理非平稳随机过程的经验模态分解法(Empirical Mode Decomposition,EMD)与RDT相结合的方法对深圳平安金融中心进行模态参数识别研究，分析对比实测及有限元结果，为超高层建筑的设计提供依据。
深圳平安金融中心(图1)地处深圳市福田中心区，是一栋以甲级写字楼为主，包含商业、娱乐、会议中心和金融交易等功能的超高层建筑。
塔楼地下5层，地上118层，建筑高度600 m，仅次于上海中心大厦，为中国第二高楼。
塔楼外形曲线随高度有变化。
塔楼首层平面尺寸约56 m×56 m，楼层平面向上收细，在100层以上逐渐收进至约46 m×46 m。
中央核心筒平面为约30 m×30 m的矩形，内含所有垂直交通、设备竖井和服务空间。
塔楼的主体结构形式为巨型框架核心筒结构，主要由混凝土核心筒、四周8根型钢混凝土巨柱以及巨型钢伸臂、带状钢桁架、钢斜撑、V撑等组成[10-11]。
2.1 振动监测系统组成在深圳平安金融中心塔楼118层安装了1套加速度传感器，用于监测塔楼的风致响应，传感器布置如图2所示。
所用传感器为B&W 17100型加速度传感器，数据采集设备采用美国国家仪器有限公司(National Instruments，NI)的NI cDAQ-9174机箱加NI 9234采集卡(图3)，采集软件为LabVIEW2015。
2.2 虚拟仪器技术美国国家仪器有限公司于1986年最早提出了虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)概念，其基本原理是将计算机作为硬件平台，将原本需要使用硬件实现的功能通过软件来实现，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能及灵活性。
本文研究采用的虚拟仪器设备具有很好的灵活性和适用性，主要由计算机硬件、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件构成。
深圳平安金融中心的风致振动响应由B&W 17100型加速度传感器采集获得，该传感器将加速度信号转化为电信号(模拟信号)；模拟信号通过连接线与NI 9234采集卡及NI cDAQ-9174机箱连接；采集卡可将模拟信号转换为计算机可识别的数字信号；在计算机端采用LabVIEW2015编写的可视化数据采集软件。
3.1 经验模态分解法和随机减量技术Huang在1998年提出了经验模态分解法。
信号数据通过EMD方法可以分解为多个本征模态函数(Intrinsic Mode Function，IMF)[12-14]，对分解出来的IMF进行筛选和滤波，再用RDT方法对结果进行处理，便可得到结构的自由衰减曲线，进而求出结构的自振频率和阻尼比。
一组结构风致响应加速度数据时程曲线往往是杂乱无章的，这是因为其中包含了多个模态的信号以及一些噪声信号，EMD方法可以将杂乱的数据信号分解为多个IMF，选取其中包含结构振动响应的IMF进行下一步分析，以此来去除原始信号中的噪声信号和无用信号。
其中IMF应具备以下特性：①信号的极值点(极大值或极小值)数目和过0点数目相等或相差最多1个；②由于局部极大值构成的上包络线和由于局部极小值构成的下包络线平均值为0。
EMD算法的计算步骤为：首先找出原始数据X(t)中所有的极大值点和极小值点，然后拟合原始数据X(t)的上、下包络线，拟合函数采用三次样条函数；求得拟合出的上、下包络线平均值m1；原始数据X(t)减去该平均值m1得到一个新的序列h1，则h1=X(t)-m1，h1相对于原始数据X(t)来说已经去除掉了其中的一些低频分量信号；对于结构加速度信号，其中包含多种频率段的信号，一般经过一次上述步骤得到的新序列h1仍不是一个平稳数据序列，因此需要对h1重复上述步骤。
先得到h1的上、下包络线平均值m11，去除该低频分量信号得数据h11，则h11=h1-m11；重复上述步骤，直至得到的结果满足IMF的2个特性，这样就得到第1个本征模态函数分量c1，c1包含的是原始数据中最高频的部分。
用X(t)减去c1，可得到去除高频分量的新数据r1；对r1进行上述步骤，可以得到第2个本征模态函数分量c2；如此重复上述步骤，直到最后一个数据rn无法继续分解，此时原始数据X(t)就分解为多个本征模态函数分量c1，c2，…,cn-1以及rn，rn 表示原始数据X(t)的趋势。
随机减量技术是针对结构未知平稳随机输入的动态响应通过样本的分段平均获取结构自由振动响应的技术[15]。