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《建筑结构强震动观测技术规范》解读

《建筑结构强震动观测技术规范》解读

1.标准基本情况

北京市地方标准公告(2018标字第16号)公布63项北京市地方标准,其中第40项为《建筑结构强震动观测技术规范》(DB11/T-1585-2018)。本标准是由北京市地震灾害防御中心主持编制,北京市地震局归口管理并组织实施。

本标准以《中华人民共和国防震减灾法》、《地震监测管理条例》和《北京市实施<中华人民共和国防震减灾法>规定》为法律、法规依据,以《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010、《数字强震动加速度仪》DB/T 10-2016、《强震动观测技术规程》DB/T 64-2016、《地震台站建设规范》DB/T 16-2006和《地震台站建设规范》DB/T 17-2006等标准作为技术依据,针对建筑结构观测特点制定出满足北京地区建筑结构强震动观测要求的技术指导条文。

2.标准主要特点

本标准规定了建筑结构强震动观测台阵的技术要求,主要包括设计要求、建设要求、观测要求等。为提高标准的操作性、适用性,结合建筑结构强震动观测台阵建设经验,对工程实践中遇到的具体问题提出了特定的技术要求。将台阵分为通用台阵和专用台阵,分别提出该类台阵观测点的布设要求,对观测设备的技术指标进行了适应性的调整和优化。给出了通用观测台阵和典型专用结构台阵的观测点布设示例图,提升了标准的可操作性。为使安装规范化明确了观测设备安装、试运行、验收的具体技术要求。为提高观测数据质量、方便数据使用提出了观测方法、观测系统维护、观测数据处理和观测成果组成等观测技术要求。

3.标准规定内容

本标准规定了建设结构强震动观测台阵的建筑结构适用范围和建筑结构强震动观测台阵的技术要求。

本标准适用于北京市法律、法规规定的需建设结构强震动观测台阵的建筑、对经济社会有重大价值或重要影响的建筑和各级地方人民政府确定的其他重要建筑。核电站和其他核设施受地震破坏时可能引发严重次生灾害,应专门研究确定该类结构强震动观测台阵的有关要求。而超限结构因高度超限或者结构特殊,存在结构薄弱部位、抗震抗风中敏感部位,为确保结构安全,超限结构强震动观测有更高的要求,宜进行专门研究。

本标准的技术要求主要包括设计要求、建设要求、观测要求等内容。

结构强震动观测台阵主要由观测设备、传输线路和辅助设施组成,如图1所示。观测设备主要包含加速度传感器和多通道记录器;传输线路主要包含加速度传感器与记录器间的通讯介质和记录器与管理中心之间的通讯介质;辅助设备主要有系统供电设备以及其他的辅助观测设施。

图1 结构强震动观测台阵组成

结构强震动观测台阵建设初期,应及时收集结构所在场址的位置信息、场地土资料和结构设计资料等基础资料,为结构强震动观测台阵的设计和台阵观测记录的数据分析奠定基础。其中场地土资料主要包括一般描述、柱状图、波速测量数据等,用于分析场地条件对结构反应的影响;收集结构类型、建设年代、设计图纸、结构计算书,用于开展结构数值模拟分析。

根据观测目的、结构类型、场地特点,考虑台阵建设的经费预算、施工难易程度、结构使用功能等实际需求,进行建筑结构强震动观测台阵的方案设计,确定台阵的类型、规模,设备的选型和部署方式等。结构强震动观测台阵根据观测目的分为通用台阵和专用台阵两类。其中通用台阵是为记录结构整体反应设置的强震动观测台阵,布设方式如图2所示。

如果建筑结构的质量、刚度分布较为均匀,其地震反应相对简单,在底层或地面层、中间层和顶层至少各设置一处观测点,中间楼层每间隔5-10层至少布置1处观测点就能满足结构观测要求。实际工程中会遇到竖向规则而平面不规则、平面规则而竖向不规则和平面不规则且竖向不规则的建筑形体。这些结构由于存在转换层、加强层、错层和连体构造等结构或构件,结构体系的力学特性复杂,振动形态特殊,因此,要在结构刚度突变处布置至少1处观测点。这样的观测点布置能有效获取结构的整体响应,在实际的观测点设计时,还需要考虑结构的对称特性,以便能根据结构特性设置合理的观测点数量。

结构的振动分为平动和扭转两类,观测点要同时实现对平动和扭转的观测。因此,为了观测结构平动,一般将水平向加速度传感器沿靠近结构平面形心的竖直轴大致等间隔布设,而为了观测结构扭转,可将正交的水平向加速度传感器布设于结构的翼端。

图2 结构强震动通用观测台阵观测点布设

自由场地观测点的设置是为了记录该结构完整的地震动输入,因此传感器类型要求为三分向传感器。自由场地观测点宜布置在工程场址所在的自由场地或基岩上,到主体结构的距离宜不小于被观测结构高度的2倍。工程实践中,很难找到满足距离要求的观测位置,可将传感器布设于深度达到基岩或剪切波速不小于500m/s的强震动观测井中,依据是500m/s剪切波速值实际上相当于工程中的坚硬土层的经验剪切波值,目前已为工程界所公认和采用,地震安全性评价工作将基岩层顶面或剪切波速不小于500m/s的土层顶面作为地震输入界面。相对工程场址所在的自由场地,满足条件的测井中场地条件好而且基本没有环境噪声影响,观测记录质量高,获取的地震动输入更可靠,因而观测井中布设传感器更有实际意义。建议经费充裕的建设项目采用井中布设传感器作为自由场地观测点。

图3 土-结构相互作用专用观测台阵观测点布设

图5 基础(层间)隔震专用观测台阵观测点布设

图4 层间位移专用观测台阵观测点布设

专用台阵是根据特定目的专门设计布设的强震动观测台阵,主要包括土-结构相互作用观测台阵、层间位移观测台阵和基础(层间)隔震观测台阵等。专用台阵结构观测点除了满足通用台阵观测点要求外,还有一些特定要求。在实际工作中,根据场地类型和结构特点的不同,需要开展有针对性的观测工作,按照观测目的要求,设置不同类型的专用台阵。比如分析场地对结构响应的影响,开展土-结构相互作用研究,需要设置土-结构相互作用观测台阵,如图3所示;分析特定结构的层间位移角在地震中的变化,需要设置结构层间位移观测台阵,如图4所示;结构采用了基础隔震或层间隔震体系,需要设置基础隔震或层间隔震观测台阵,如图5所示。宜根据观测目不同,选择不同的专用观测台阵类型,开展观测工作。

在布设结构强震动观测台阵时,应根据被观测建筑的不同特点确定传感器和采集器的部署方式。如果观测点上有足够的空间和便利的施工条件,可采图6的部署方式,即集中式部署,在测点上同时设置传感器和采集器,不同观测点通过传输线路连接。否则可采用图7的部署方式,即分散式部署,在观测点处仅设置传感器,所有传感器均通过传输线路连接到采集器。根据观测点条件,也可以使用二者组合的部署方式,实现传感器和采集器的合理部署。

图6 传感器和采集器的集中式部署

已有研究表明,结构模态参数(如频率)不仅与系统自身的刚度、质量等参数有关,还会受到温度、载荷及风力等环境因素的影响。因此除开展加速度观测外,建议根据条件配置风力、温度、湿度、位移、沉降和形变等辅助观测手段。配置风力、温度、湿度等观测设备可及时了解环境因素变化,将位移传感器布置在结构顶层四角位置可记录结构顶层位移变化,将倾角传感器布置在结构翼缘处可记录结构整体倾斜变形,将静力水准仪布置在结构基底拐角处可记录结构沉降变化。综合考虑加速度传感器和辅助观测设备的观测结果,可避免单一观测手段的局限性,丰富观测数据来源,进而提高观测数据的可靠性。

图7 传感器和采集器的分散式部署

本标准对加速度传感器的主要技术指标做了规定,符合现行的DB/T 10-2016第5章加速度传感器的要求。根据结构台阵的布设特点,针对其观测的特殊性,本标准对DB/T 10-2016中传感器的输出类型、测量范围、灵敏度等技术指标内容作了变更,新增了外型尺寸及重量要求项。相对自由场观测强震动台站,常见结构强震动观测台阵的传感器与数据采集器之间传输距离较长,为减少长距离传输线路中干扰信号的影响,应采用输出类型为输出“正”与输出“负”双端差分输出浮地方式,并带有信号地线的传感器。

建筑结构对输入的地震信号有明显的放大效应,因而传感器测量范围一般应不小于±2gn,以免造成观测记录限幅。DB/T10-2016对力平衡式传感器灵敏度指标进行分档界定,结构地震反应观测台阵更倾向于使用MEMS传感器,而MEMS传感器灵敏度没有明确的分档,因此本标准仅对灵敏度最小值进行规定。针对结构强震动观测台阵特点,调整了DB/T 10-2016中通道数、满量程输入两项指标内容,增加了输入阻抗项内容,提出了计时单元的技术要求,新增了数据采集器的通讯功能中网络传输及实时数据流传输的要求。

因台阵中观测点一般不少于3处,同时考虑观测设备部署方式不同,故对通道数规定为不低于3通道。满量程输入项内容测量范围及灵敏度相关。增加输入阻抗项内容,以保证信号传输效率。目前强震动观测设备不断更新,观测应用领域不断扩展,因此规定数据采集器应采用连续记录的工作方式,以便为结构健康监测与诊断等工作提供更好的服务。由于系统采用连续记录方式,触发单元由记录单元代替,数据采集器应具备事件触发记录功能。

关于传输线路,加速度传感器与采集器之间的通讯介质应采用高性能屏蔽电缆连接,目前常用电缆类型为双绞屏蔽电缆。台阵的供电方式可采用市电、太阳能、大容量可充电电池等,采取任何一种供电方式均需保证监测设备的连续正常运行。要求配置备用电源,备用电源容量应能供监测系统连续运行至少3天。

加速度传感器与采集器间的传输介质应避开强电磁干扰。常见的强电磁干扰源主要有①移动通信系统、广播、电视、雷达、导航及无线电接力通信系统等无线电发射设备。②感应加热设备、高频电焊机、X光机、高频理疗设备等工业、科学、医疗(ISM)设备。③伺服电机、电钻、继电器、电梯等电力设备。

在安装加速度传感器时,宜统一规定传感器X、Y、Z轴方向,以便统一仪器观测方向和极性,方便监测数据的后续处理、使用。安装前应详细了解建筑结构及其各种设施布设情况,避免损伤建筑结构及其防护设施。传感器应与结构的承重构件或场地保持刚性连接,以保证记录数据的准确性。在满足观测要求的前提下,应严格按照说明书进行采集器安装。采集器应加装保护措施。卫星授时天线应安装在室外开阔位置,保证同时接收到3颗以上卫星信号。

试运行要求设备正常运行有效时间与试运行总时间的比值不小于95%,并且系统远程连接通信正常运行有效时间与试运行总时间的比值不小于90%。在完成观测台阵的试运行后应编写试运行报告。报告内容包括试运行基本情况、基本运行环境、系统设备状况、系统技术指标、试运行工作情况和原始观测数据与事件记录常规处理结果。

在完成台阵建设报告编写、试运行工作和试运行报告编写后,可进行观测台阵验收。观测台阵应满足相关规范和项目设计书或招标文件的要求,查阅使用说明书等技术资料、检查观测台阵建设报告和试运行报告。资料、报告齐全,满足资料验收要求。现场验收主要是开展现场测试,测试内容包括触发功能、控制功能和通讯功能等现场测试,开展系统功能测试、仪器状态、参数设置、人工触发试验、事件文件下载及存储空间管理、校时状态、加速度传感器零位检测、数据传输检测等测试。现场测试合格,满足现场验收要求。资料验收和现场验收完成即为完成观测设备验收。

标准从监测内容、手段、使用设备和监测方法对结构强震动观测进行了规定,并根据观测记录形式进行了分类。为保证观测台阵的正常工作、记录可靠数据,对日常维护工作的方式、频次进行了规定;对连续观测与事件观测所形成数据文件进行详细规定。并规定台阵维护单位应认真填写并妥善保管完整的台阵远程通讯检查记录表、现场检查记录表、观测记录报告单和原始观测记录,提交地震部门存档,便于观测资料管理和以后综合分析使用。

当自由场地观测点实际记录到的加速度峰值超过0.01 gn 即0.10m/s2时,应生成未校正加速度记录、校正加速度记录、速度记录、位移记录。对校正加速度记录计算傅里叶谱和5个阻尼比值(0,0.02,0.05,0.1,0.2)的反应谱,包括相对速度反应谱、相对位移反应谱、绝对加速度反应谱、拟速度反应谱、拟加速度反应谱、动力放大系数谱,生成包括头段数据和反应谱数据文件,并以ASCII码给出。将分析处理结果写入年度地震反应观测报告。

4.标准实施意义

本标准的发布实施对于贯彻执行防震减灾法律法规的相关要求,推进国家和地方的防震减灾相关规划实施,指导建筑结构强震动观测台阵规范建设提供了强有力的技术指导。北京市地震局正在积极推进实施结构强震动观测工作,同时加大观测技术研究力度,以实现根据合理、有效的观测数据记录,快速判定北京地区的地震灾害分布的目标。未来将产出更多有减灾实效的技术服务和产品,提升地震灾害预防的技术水平,更好地防范化解超大城市的地震灾害风险。

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