环境条件对50层超高层建筑模态频率、阻尼比及曲率的影响研究及其在结构健康监测(SHM)中的意义

本文深入探讨了环境与运营条件（EOC）对超高层建筑模态参数（频率、阻尼比及曲率）的影响，通过39个月的长期监测数据，揭示了温度、绝对湿度和风速对结构动力特性的显著相关性，并首次发现第四阶模态曲率与温度的相关性及频率的长期衰减现象（1-2%），为结构健康监测（SHM）中损伤识别阈值的降低提供了关键数据支持。

　　

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The building

该建筑为钢筋混凝土（RC）结构，地上50层（238米），地下4层（17.8米），包含塔楼和真实地下室（柱板结构），两者均由筏板基础和30米长RC摩擦桩支撑，桩深达48.4米。塔楼平面尺寸为70.8×29米²，水平方向大致对称。建筑用途为商业，地下室为停车场。

Methodology

我们采用协方差驱动随机子空间识别法（SSI-COV），结合基于层次聚类的稳定图自动分析算法，从建筑正常运行条件下记录的连续加速度数据流中识别模态频率、阻尼比和振型。使用东向加速度分量作为输入，识别与纵向（东-西）响应相关的模态（E1至E4）。

Results and analysis

观测期为2021年1月1日至2024年3月31日，共39个月、1186天和28,464小时；但由于数据间隙，实际可用样本数较少。每小时值的可用数量因模态而异，介于25,162至26,386之间。天气数据的数据间隙更大，因此同时包含频率和天气数据的完整样本数更少，每小时数据范围在24,771至25,200之间。

Discussion and conclusions

通过SSI-COV方法，从39个月内建筑10个楼层记录的连续微振加速度每小时数据窗口中，识别了与纵向（东-西）响应相关的50层超高层建筑的自然频率、阻尼比和振型。研究了前四阶模态（E1至E4）在选定楼层的频率、阻尼比和曲率的变异性，以探索其与环境条件（温度、绝对湿度、风速、降雨和地下水位深度）的相关性。研究发现：（1）模态频率与温度、绝对湿度和风速显著相关，但与降雨无关；（2）模态频率在三年内出现1-2%的逐渐衰减；（3）第四阶模态曲率与温度存在相关性；（4）阻尼比和曲率的估计值分散较大，但通过平均可观察到稳定趋势。这些发现对结构健康监测（SHM）中环境效应预测模型的开发具有重要意义。