基于背景噪声记录的某建筑结构健康监测.pdf

工程地球物理学旅Vol.20,No.3第2 0 卷第3期2023年5月中文引用格式：廖春奇，秦林鹏，王赞，等.基于背景噪声记录的某建筑结构健康监测J.工程地球物理学报，2 0 2 3,2 0（3）：314-32 1.英文引用格式:Liao Chunqi,Qin Linpeng,Wang Yun,et al.Structural health monitoring of a building based on ambient noise recordingsCHINESE JOURNAL OF ENGINEERING GEOPHYSICSJJ.Chinese Journal of Engineering Geophysics,2023,20(3):314-321.May,2023基于背景噪声记录的某建筑结构健康监测廖春奇1，秦林鹏，王，陈（1.福建省地震局，福建福州350 0 0 3；2.中国地质大学地球物理与信息技术学院，北京10 0 0 8 3)东畅，邵泉洋，万文涛，刘劲松2摘要：建筑物的共振频率是结构健康监测（Structural Health Monitoring，SH M)的重要指标。人们通常认为该指标受地震事件或环境变化影响最大，但很少有人讨论人类活动对它的影响。为了对福建省防灾减灾中心大楼进行结构健康监测，并分析人类活动对建筑物共振频率的影响，通过分析地震背景噪声数据，采用水平垂直谱比法（HorizontaltoVerticalSpectralRatio，H V SR），得出中心大楼地基的场地放大频带为1.53.5H z 的多峰宽频带，大楼顶层的共振放大频带为以1.4Hz左右为中心的单峰频带。大楼共振放大和场地效应处于同一频带，但放大程度是场地的近10 倍。同时，顶层的HVSR谱幅值呈现出与人类活动有关的日变化、周变化特征，即春节、周末和夜间幅值小，工作日的白天幅值大。大楼的共振频率变化呈突变和渐变两个过程。其中，突变表现为：工作日白天，建筑物共振频率集中在1.36 Hz附近，其他时间集中在1.48 Hz附近，是被人类活动影响的体现；渐变表现为：在每天夜间、春节和大部分周末，中心大楼的共振频率不断上升，展现了建筑物共振频率恢复的动态过程。本研究的结果有助于建筑结构健康监测中考虑人类活动对共振频率的影响及共振频率的恢复，并为类似建筑物的健康监测提供参考。关键词：背景噪声；结构健康监测；水平垂直谱比法；共振频率中图分类号：P315doi:10.3969/j.issn.16727940.2023.03.003文献标识码：A文章编号：16 7 2 7 940(2 0 2 3)0 30 3140 8Structural Health Monitoring of a Building Basedon Ambient Noise RecordingsLiao Chunqi,Qin Linpeng,Wang Yun?,Chen Chang,Shao Quanyang”,Wan Wentao,Liu Jingsong.2(1.Fujian Earthquake Agency,Fujian Fuzhou 350003,China;2.School of Geophysics and Information Technology,ChinaUniversity of Geoscience,Beijing 100083,China)收稿日期：2 0 2 2 11-15基金项目：国家自然科学基金项目（编号：U1839208，42 150 2 0 1，6 2 12 7 8 15）第一作者：廖春奇（197 3一），男，高级工程师，主要从事地震监测研究工作。E-mail：18 398 96 2 3 q q.c o m通讯作者：秦林鹏（1999一），男，硕士研究生，主要研究方向为六分量地震信号处理与解释。E-mail：l i m e q l p f o x m a i l.c o m第3期Abstract:The resonance frequency of a building as an important indicator for structuralhealth monitoring(SHM)is generally affected by seismic events or environmental changes,but few researches discuss the impact of human activities on it.This study focuses on con-ducting structural health monitoring and analyzing the impact of human activities on the res-Onance frequency of the base-isolated building of Fujian province earthquake administra-tion.By analyzing the horizontal-to-vertical spectral ratios(HVSR)of the ambient noiserecordings in the basement and the top floor of the building,the site amplification frequencyband of 1.53.5 Hz with multiple peaks and the building resonant amplification frequencyband centered around 1.4 Hz are recognized.The resonant amplification of the building isnearly 10 times of the site.The HVSR spectral amplitude of the top floor show diurnal andweekly variations related to human activities,with lower amplitude during the Chinese tradi-tional spring festival,weekends and nighttime,and higher amplitude during the daytime onweekdays.The buildings resonance frequency changes in two processes,namely abrupt andgradual changes.Abrupt changes occur during the daytime on weekdays,where the build-ings resonance frequency is concentrated around 1.36 Hz,while during other times it isconcentrated around 1.48 Hz,reflecting the influence of human activities.Gradual changesoccur during nighttime,the spring festival,and most weekends,where the buildings reso-nance frequency gradually increases,showing the dynamic process of the building s reso-nance frequency recovery.In summary,the studys results contribute to the consideration ofthe influence of human activities on resonance frequency,and the recovery of resonance fre-quency in building structural health monitoring and provide important reference for similarbuildings health monitoring.Key words:ambient noise;structural health monitoring(SHM);horizontal-to-vertical1 引 言城市中大型建筑结构，尤其是高层建筑，正朝着复杂化、功能化和多样化发展。然而近些年来，建筑物老化或在地震响应下结构失稳的现象频发2.3，建筑结构的健康监测和评估成为关注的焦点。利用地震仪测量振动来进行建筑结构监测，分析建筑结构的地震动响应特征有助于建筑物的健康状态评估4.5。建筑物的共振频率是结构健康监测（Struc-turalHealthMonitoring，SH M)中最常研究的模态参数之一。近年来，大量基于频谱的方法被开发，用于识别建筑物的共振频率4.6 。这些方法包括频域分解、楼层频谱比和标准频谱比等7-9。水平垂直频谱比法（Horizontal to Vertical Spec-tral Ratio，H V SR)是估计高层建筑共振频率最流行的实用方法之一，并已经成功地应用于工程廖春奇，等：基于背景噪声记录的某建筑结构健康监测spectral ratios(HVSR);resonant frequency实践10,11,目前的主流观点认为，建筑物的共振频率和地震波速主要受地震事件和环境因素影响，地震事件带来的频率变化程度在2 0%30%，降雨、风、温度和阳光照射等环境因素带来的频率变化程度在5%以内12-14。Clinton等5 利用傅里叶变换的方法对一图书馆进行水平分量的长期监测，结果表明，环境条件中的湿度和强风相对温度对建筑物共振频率的影响更大。还有部分学者对建筑物的共振频率随温度变化的经验关系进行了讨论1-17 。但人类活动带来的振动噪声对建筑物的模态参数影响也不可忽略1,18 。Wu等11利用脉冲响应函数的方法提取了上海塔（中国第一高楼、世界第二高楼)的地震波速变化，并将其主要归因于温度影响；但同时指出，人类活动对地震波速会产生影响，这干扰了温度对地震波速影响程度的判断。因此，本文利用在福建省防震减灾中心大楼顶层和底层观测的三分量地震数据，运用HVSR315316方法分析了环境噪声下建筑物共振频率的变化，并探究了其受人类活动影响的情况。2类数据和方法2.1数据福建省防震减灾中心大楼位于福建省福州市，总高约40 m，地下1层，地上11层，局部12工程地球物理学报（Chinese Journal of Engineering Geophysics）第2 0 卷层，为一楼顶小屋，是一个采用钢筋混凝土框架剪力墙体系的隔震建筑（图1）。布设于中心大楼地下1层的CMG-3ESPCD平动地震仪（有效频带：60s50 H z）连续记录了2 0 2 2 年1月1日至2022年1月2 0 日的三分量地震信号，布设于中心大楼顶层小屋的CMG-3ESPCD平动地震仪连续记录了2 0 2 2 年1月1日至2 0 2 2 年3月14日的三分量地震信号。20000380002FA12F08隔震层7-1F-1FS-N单位/mmW-E图1中心大楼观测台站示意图19Fig.1 Observation stations in the building192.2水平垂直谱比法(HVSR)自Nakamura 201 提出HVSR方法以来，许多研究表明，该方法可以较好地识别场地共振频率，分析浅层沉积层厚度及平均速度，识别建筑的共振频率，分析建筑物的动态特性1.2 1-2 。需要注意的是，如果建筑物不高且很刚硬，此时的建筑物共振频率较高、共振幅值较小，HVSR法测得的卓越频率实际为场地一建筑结构共振的叠加；如果场地放大作用很强，建筑内的台站记录将会趋于场地HVSR谱，而不能体现建筑物的特征10 2 5,2 6 。HVSR谱的计算过程中，主动源数据使用横波谱与纵向分量谱之比2 3，被动源数据按如下公式2 1计算：式中，NS（f）代表南北分量的幅度谱；EW（f）代表东西分量的幅度谱；V（f）代表垂直分量的幅度谱。本文的数据处理中，通过3个步骤获得了单站每小时的HVSR谱。首先，对原始地震数据进行去均值、去趋势、重采样、带通滤波（30 S10 Hz)的预处理；然后使用带宽为40 的KonnoOhmachi方法进行幅度谱平滑2 7 ；最后使用式(1)计算出了大楼底层和顶层的HVSR谱，如图2所示。NS(f)+EW(f)2V(f)2(1)第3期廖春奇，等：基于背景噪声记录的某建筑结构健康监测10.07.55.02.50-2.510-Fig.2 Average HVSR spectra and standard deviations for the basement and31780M602001010Frequency/Hz(a）底层红线为均谱，以蓝虚线为边界的灰色范围为标准差。图2 大楼底层和顶层的HVSR均谱及标准差top floor of the building10-10Frequency/Hz(b)顶层103建筑基底的场地放大效应和建筑的共振图2 展现了大楼底层（负一层）的HVSR均谱及其标准差。0.2 5Hz以下的频带中，受多次地震事件的长周期信号影响，HVSR均谱的标准差大，不能准确反映场地的长周期背景噪声特征。在0.2 5Hz以上，HVSR均谱显示了1.5Hz到3.5Hz的多峰值、宽频带放大效应。场地的放大频带中可见多个陷频点，这与建筑地基有关，表明地基浇筑在一定程度上有效减小了场地放大效应对建筑地震灾害的影响。大量理论和实验证明，在不考虑局部地形的影响下,HVSR谱的基阶峰值频率等同于单一层状半空间场地速度结构的卓越频率16.19.2 8.2 0 ，即存在经验关系式：f=Vs/(4h)其中，Vs和h分别为覆盖土层的剪切波速(m/s)和厚度(m)。已知减灾中心大楼的场地土层条件如表1所示30 1，可以得到不同深度下的理论HVSR表1场地土层参数30 Table 1The soil layer prameters of the Site深度厚度剪切波速度Vs层号地层名称1杂填土2粉质黏土3淤泥4粉质黏土5泥质粗中砂19.96粉质黏土22.17泥质粗砂8碎软石（2)5.55.04.54.0/m1.52.15.07.09.011.013.015.516.423.625.035.2-PeakFrequencyi-sVelocity/m1.50.62.92.02.02.02.02.50.93.52.21.51.410.2/m:s-115015094110120157179199248331280332430550600500400S谱峰值频率，如图3所示。地层厚度大于8 m后，理论HVSR谱峰值频率均在1.5Hz至3.5Hz以内；共35.2 m厚的土层计算出的HVSR谱峰值频率略大于1.5Hz,与实际数据中计算出的HVSR谱峰值频率吻合。因此，可认为大楼底层的HVSR谱的卓越频带源于场地放大效应，指示了中心大楼下方的松软沉积介质作用。3.02.52.01.55图3理论HVSR谱峰值频率及场地土层的S波速度Fig.3 Peak frequency of HVSR spectrum calculatedand S-wave velocity of the site300A2001001015Depth/m20253035318图2(b)显示了大楼顶层的HVSR均谱及其标准差。HVSR谱显示了大楼顶层振动在以约1.4Hz为中心频率的单峰上显著放大，频带范围为13H z。虽然大楼顶层HVSR谱的放大频带和建筑基底场地的放大频带重合程度大，但大楼的放大程度是场地放大的接近10 倍。因此，大楼顶层振动的放大效应以大楼本身的结构性质为主。4建筑共振频率和人类活动的关系图4显示了大楼顶层的每小时HVSR谱（背景彩图），并用黑色散点给出了每小时HVSR谱2.01.81.61.41.21.00Fig.4 The variation of HVSR spectra and resonant frequencies with time工程地球物理学报（Chinese Journal of Engineering Geophysics）1070after2022-01-01UTCTime/day图4大楼顶层HVSR谱及共振频率随时间的变化for the top floor第2 0 卷的峰值频率。HVSR谱和大楼内的人类活动的相关性明显：在大楼共振较弱的频带范围，如1.2Hz以下,HVSR谱的幅值呈现白天大、夜间小，工作日大、周末小，春节（2 0 2 2 年2 月1日前后）小的特点。黑色散点显示，大楼的共振峰值频率主要分布在1.36 Hz和1.48 Hz两个频率附近，其中，1.36Hz左右的峰值频率的共振出现在每周一至周五，北京时间上午八点至下午五点；1.48 Hz左右的峰值频率的共振出现在工作日夜晚、周末和春节中。表明中心大楼的共振频率受人类活动影响明显，人类活动使中心大楼共振频率显著降低，且属于突变现象。2030HVSR80601.48Hz401.36Hz20405060性拟合的斜率。拟合结果表明，6 个休息日中大5建筑共振频率的恢复以1.42 Hz为阈值，去除人类活动对大楼共振频率带来的突变影响，并利用线性插值填充低于1.42 Hz的共振频率，绘制图5。观测期间的温度和湿度数据同样展现在图5中，但湿度和温度均没有和共振频率呈现明显的相关性，意味着中心大楼的共振频率的变化受环境因素的影响弱。图5中阴影部分代表观测期间所有不调休的休息日（周末或春节），按照时间顺序编号为1至10。对这10 次休息日中共振频率随时间变化，使用最小二乘法进行线性拟合，表2 显示了10 次线楼共振频率上升，4个共振频率下降，整体表现为频率上升趋势，代表着大楼在不受人类活动影响时期的共振频率恢复过程。其中第8、9、10 个休息日在图4对应时间段的HVSR谱中未显现出周末幅值小的特点，说明人类活动在这些周末中仍然存在，影响了建筑在周末阶段的共振频率恢复。除了周末和春节外，中心大楼共振频率还会在工作日的夜间恢复。如图5红色方框内数据所示，春节前的一周中，共振频率有显著的昼夜变化特征，具体表现为白天共振频率下降，夜间共振频率不断上升。其他周的工作日中也可见这样的现象。第3期廖春奇，等：基于背景噪声记录的某建筑结构健康监测3191.500FZH/1.4751.4501.425日241.601.55ZH/1.501.451.40252015105120100806040200黑色散点为共振频率，蓝线为温度，橙线为温度。阴影部分代表观测期间所有不调休的周末和春节。红色方框内进行了放大显示，放大的图中标注的时间为北京时间。图5中心大楼1.48 Hz左右的共振频率及观测期间温度、湿度随时间的变化Fig.5 The variation of resonant frequency at 1.48 Hz,temperature and humidity data during the表2 不调休的周末和春节期间，中心大楼共振频率和时间的线性拟合结果Table 2 Linear fitting of resonant frequency and time ofthe building during normal weekends and spring festival假期（或休息日）编号123456789106 讨 论中心大楼顶层的HVSR谱显示峰值频率出现在1.36 Hz至1.48 Hz之间，接近建筑物共振基频fmin=250/（4H)的经验关系2 5，证实了该经验关系的可靠性。经验关系中，2 50 代表建筑物的地震横波波速（单位m/s）,H 代表建筑物的高度（单位m）。实际共振峰值频率略低于经验关系共振频率1.56 2 5Hz，推测是由钢筋混凝土框6:0020:0019:002526山41020斜率/X10-44.3662.5061.0435.8191.832-2.5816.192-2.6422.897-0.3666:0019:0019:002730UTCTime/dayafter2022-01-01observation with time架一剪力墙的坚固体系和隔震设计造成。共振频率略低于十多年前的研究结果19.30.31，可能反映了中心大楼的老化。HVSR谱幅值呈现与人类活动相关的日变化和周变化，指示了人类活动增强了大楼的水平向振动。但在观测期间的第8,9,10 个休息日，存在白天共振幅值较强，接近工作日水平的异常现象。经查验，这几周内，楼旁道路存在施工，推测该原因是引起中心大楼共振幅值增强的重要因素。共振频率的变化受人类活动影响明显，主要表现为共振频率的突变和渐变两种。突变表现为，工作日的白天，中心大楼共振频率集中在1.36Hz附近，其他时间集中在1.48 Hz附近。这种突变现象很少在前人的研究中见到。除建筑物本身的结构外，多个数值模拟结果表示，建筑结构的荷载，如恒荷载、风荷载、活荷载，也会影响建筑物的共振频率32.33。推测共振频率的突变是由人类活动带来的活荷载变化导致。由于大楼内的办公人员数量基本稳定，突变后的共振频率也稳定在1.36 Hz附近。数值模拟的工作将在后续研究中展开。在大部分假期和夜间，中心大楼的共振频率还有着连续上升的趋势（图5，表1），展现了7:006:0014:00282940507:0013:00HVSR6070320中心大楼缓慢恢复的动态过程。该恢复过程与地震后的建筑物恢复过程现象一致。地震后建筑物共振频率的恢复时间和地震事件的强弱以及是否造成永久性的建筑损伤有关。例如，2011年在日本9.0 级地震的影响下，日本ANX大楼的共振频率迅速从1.2 Hz下降到0.9 Hz，但在地震事件结束10 0 s以内恢复到了初始水平12 。因此相对地震事件带来的频率变化而言，人类活动影响下的建筑物的损伤（频率下降）和恢复（频率上升)均属于缓慢动态过程。而观测期间第8，9，10 个休息日的异常现象应归因于楼旁道路施工的影响。观测期间，由于气象条件的相对稳定，中心大楼共振频率和气候因素的相关性不明显，主要凸显了人类活动的影响。事实上，受限于气候变化、共振频率随时间变化的时间精度和共振频率求取时频带范围的选取，人类活动影响下的建筑物共振频率突变现象可能不易察觉，渐变则更容易被归纳于温度条件的影响。因此，更准确的关于人类活动影响大楼共振频率的程度和大楼共振频率的恢复过程，还有待进一步结合极端气象条件进行对比研究。7 结 论基于HVSR方法对福建省防灾减灾中心大楼顶、底层的背景噪声进行研究，可得出以下结论：1)HVSR方法分析出的大楼场地的卓越频带和场地土层正演出的卓越频带一致，说明中心大楼下方的松软土层介质的场地放大效应显著；HVSR方法分析出的大楼顶层的卓越频带呈现出与场地多峰值不一样的单峰形态，说明建筑地基的浇筑在一定程度上减小了场地效应的影响；大楼顶层的放大程度为场地的近10倍，证明大楼顶层的放大主要是由于大楼共振而产生。2)中心大楼共振频率在工作日白天集中在1.36Hz,在夜间、周末和春节集中在1.48 Hz附近，说明大楼的共振频率受人类活动影响明显，人类活动使中心大楼共振频率显著突变式降低。3)在每天夜间、春节和大部分周末，中心大楼的共振频率不断上升，反映了中心大楼共振频率工程地球物理学报（Chinese Journal of Enginering Geophysics）merica,2006,96(1):237-257.6 Fa n W,Q i a o P.V i b r a t i o n-b a s e d d a m a g e i d e n t i f i c a t i o nmethods:A review and comparative studyJJ.Struc-tural Health Monitoring,2001,10(1):83-111.7J Brincker R,Zhang L,Andersen P.Modal identifica-tion of output-only systems using frequency domaindecompositionJ.Smart Materials and Structures,2001,10(3):441-445.8 Hadianfard M A,Jahangiri M,Shojaei S.The effectsof non-structural components on the dynamic charac-teristics and vulnerability of concrete structures usingambient vibration tests and Nakamuras criterionJJ.Soil Dynamics and Earthquake 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