本文是一篇土木工程论文，本文提出了一整套适合于赛格大厦顶部超高空环境下的人工激振技术原理和方案，证实了赛格大厦桅杆放大器效应，研究了赛格大厦人工激振技术理论，建立了斜拉索面内三阶参数振动模型，建立了该人工激振技术的基础理论，进而对赛格大厦进行人工激振试验，获取5·18事件关键振型及阻尼比信息，并对5·18事件进行振动舒适度分析。
第一章 绪论
1.1 研究背景
2021年5月18日至20日，深圳赛格广场大厦（下面简称为赛格大厦）连续发生有感振动（简称5·18事件），其顶部桅杆和主体结构振动幅度大、持续时间长，致使周围居民和商户恐慌逃离，引发了社会舆论的高度关注。为解决赛格大厦振动问题，在各级政府组织下，由5位工程院院士、6位勘察设计大师及教授级高工组成了赛格大厦振动问题技术专家组对事件进行了分析研判和指导，在十余家技术单位的通力配合下，对赛格大厦进行了一系列结构安全性评估、振动原因调查和人工激振工作，最终决定拆除桅杆以消除5·18事件振源，并于2021年9月恢复了赛格大厦的正常运营，具体处置过程见图1- 1。
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赛格大厦（见图1- 2）建成于2000年，总高度达345.8米，是我国超高层结构技术发展里程碑式的建筑，是第一座完全由国内企业开发、设计和组织施工的超高层建筑[1, 2]，是我国首次采用钢管混凝土柱钢梁框架-核心筒体系的结构[3]，曾刷新该类结构体系高度的世界纪录，先后获深圳市科技进步一等奖和国家科技进步二等奖，是业界的标志性工程。自赛格大厦建成以后，我国逐渐发展成为世界超高层建筑建设和运营最多的国家。因此，5·18事件引起了工程界和学术界的高度关注，其处置过程的技术成果具有学术价值和工程借鉴意义，所延伸的相关科学技术问题也可能成为今后深入研究的热点。
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1.2 人工激振技术
结构动力性能检测中的激励分为自然激励和人工激励[7, 8]。通过环境脉动等自然激励识别结构参数是如今结构动力性能检测的主流方法，具有高效便捷等优点；若采取人工激励的方式获取结构的动力响应数据，则需要利用激振系统提供初始激振力（或位移），或者持续对结构输出稳态激励，成本较高。对于大部分的工程而言，利用自然激励进行结构动力性能检测已经能满足结构参数识别及健康监测的主要需求，但在某些有特定要求的工程中，仍需要采用人工激振的方式进行动力性能检测。
1.2.1 人工激振技术的发展
作为结构动力性能检测的有效手段之一，人工激振技术历经几十年的发展已经成为一大类通用技术措施，总体上看，可分为固定式激振和非固定式激振两种方式[9, 10]：
（1）固定式激振
固定式激振采用附加激振器的方式产生人工激励。为了有效将激振力传递到结构上，需考虑结构和激振器的动态特性以及现场安装条件等因素，通常采用刚性固定在基础上、弹性固定在基础上和弹性固定在原结构上三种方式[7]。这三种方式都适用于单点激励，若采用多点激励则只能使用将激振器刚性固定在基础上的方案。在进行单点激振时需避开结构的模态节点，以免无法激发出结构某阶模态，出现丢失模态的情况。在激振装置方面，至今已发展出机械式、电动式、电磁式、液压式、电液式和磁液式等装置，技术已经相当成熟。
（2）非固定式激振
非固定式激振通常提供瞬态激励，可避免直接在结构上安装激振器装置，不改变结构质量从而避免改变结构动力特性。最经典的非固定式激振是力锤激振，使用力锤直接敲击结构，通过改变力锤的附加质量和刚度等参数可得到不同的冲击力谱。还可以通过提供突加或突卸力（或位移）的方式提供瞬态激励，如使用拉索拉紧结构的某一部分，再突然释放给提供结构一个初始位移。另外火药冲击、爆炸冲击也属于非固定式激振的方式。非固定式激振仅能提供初始脉冲，激励中高阶成分少，一般只能激发前几阶模态。
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第二章 理论与数值分析
2.1 引言
在赛格大厦振动溯源工作中，确定振源位置是工作中的重难点，本章设置了振源分别单独作用在主体结构和桅杆的两种工况，先后通过理论分析和有限元模型模拟计算，对桅杆风致振动引发主体结构共振进行证实，对主体结构风致振动导致5·18事件进行证伪，如图2- 1所示，该工作为大厦振动溯源工作提供了一定的理论依据，同时为人工激振作业奠定了理论基础。
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2.2 工程概况
赛格大厦位于深圳福田区华强北路路段，紧邻华强北地铁站，塔楼地上建设有72层，地下4层，其中包含10层裙楼，主体结构高度291.6米，桅杆顶部标高345.8米，地下室平面尺寸为86.8×86.8m，裙楼平面尺寸为72×72m，塔楼平面尺寸为43.1×43.1m（包含内筒21×19m）。
塔楼采用钢管混凝土柱钢梁框架-核心筒结构形式，外框架呈八角形，主要由钢管混凝土柱和钢梁组成，内部核心筒呈矩形，采用钢管混凝土密柱及钢骨混凝土组合剪力墙。主体结构高宽比为6.8，核心筒高宽比为15.3。
桅杆设置在塔楼顶部东北角，高约54米，结构形式为桁架，所用钢管直径尺寸最小900mm，最大1300mm，中间段的桅杆直径为1100mm。赛格大厦共设置有4个避难层，分别为19层、34层、49层以及63层，顶部内筒设置有停机坪，主要用途为办公和商业。
赛格大厦振动溯源工作成果显示桅杆涡激共振对主体结构动力响应有较大的影响，其带动主体结构振动的机理如下：在常态风作用下，桅杆的圆柱外形引起卡门涡街现象，旋涡发生有规律脱落，其脱落频率与桅杆第四阶自振频率（2.12Hz）一致，使得桅杆以2.12Hz的频率发生涡激共振；与此同时，桅杆的第四阶自振频率又与赛格大厦实测第十三阶自振频率（2.12Hz）一致，使得桅杆持续对主体结构输出不利的高频振动，最终引起了赛格大厦的有感振动。
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第三章 人工激振技术研究 ...................................... 28
3.1 AMD人工激振技术 ........................... 28
3.2 绳系式人工激振技术理论及其数值分析 .............. 28
第四章 结构响应实测 ...................................... 39
4.1 结构参数及阻尼识别理论 ........................ 39
4.1.1 增强频域分解法 .............................. 39
4.1.2 阻尼识别方法 ...................................... 40
第五章 5·18 事件振动舒适度分析 .............................. 63
5.1 振动舒适度分析理论及试验方案 .............................. 63
5.1.1 振动舒适度分析基本理论 ............................... 63
5.1.2 试验方案 ..................................... 66
第五章 5·18事件振动舒适度分析
5.1 振动舒适度分析理论及试验方案
5.1.1 振动舒适度分析基本理论
当前对建筑进行振动舒适度分析的指标有三个：峰值加速度、最大计权振动级和分频最大振级。超高层建筑顶部的风致加速度是我国高层建筑进行结构设计时衡量振动舒适的重要指标。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）[92]中，对10年重现期风压下的高层建筑加速度峰值做出了规定，见表5- 1。赛格大厦属于办公类建筑，故其结构顶点峰值加速度限值为25gal。
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国际标准《Bases for design of structure-serviceability of buildings and walkways against vibrations》(ISO 10137(2007))[90]中给出了风致加速度和振动频率在不同组合下对人体振动舒适度的影响，具体可见图5- 1。该标准除了考虑峰值加速度的数值外，也考虑了结构一阶固有自振频率，相比JGJ 3-2010更为全面。除此之外，日本出台的《Guidelines for the evaluation of habitability to building vibration》(AlJ-GEH-2004)[93]和美国出台的《Prestandard for performance-based wind design》[94]对于风致加速度与频率的关系也有相关规定。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
本文以赛格大厦人工激振技术的研发与实施为需求牵引，提出了一整套适合于赛格大厦顶部超高空环境下的人工激振技术原理和方案，探究了赛格大厦桅杆风致振动对主体结构动力响应的放大作用，构建了“桅杆-主体结构”两自由度力学模型，推导了该模型的频响函数解析解，利用该力学模型以及赛格大厦有限元模型进行计算分析，提出了桅杆放大器效应系数并给出其解析表达式，进而提出以激发该有感振动的激振力阈值作为振源位置甄别的一个判断指标；构建了斜拉索在端部周期振动下的面内三阶参数振动模型，并应用绳系式人工激振系统对赛格大厦桅杆进行人工激振试验，将通过数值分析方法计算的索力时程与人工激振现场实测数据进行对比；对赛格大厦桅杆和主体结构进行稳态周期激振试验，获得了赛格大厦稳态振动以及自由衰减振动状态下的动力响应时程数据，并通过实测数据对赛格大厦有限元模型进行修正；通过人工激振试验一定程度上模拟重现了5·18事件，并利用实测数据进行振动舒适度评估，得到如下结论：
（1）通过“桅杆-主体结构”两自由度力学模型以及赛格大厦有限元模型的计算分析，证实了赛格大厦桅杆的风致涡激振动能放大主体结构的动力响应，并计算出桅杆放大器效应的理论值为20.9，该值与有限元模型计算结果接近，说明简化模型一定程度上具有准确性；提出以激发有感振动的激振力阈值作为振源位置甄别的一个判断指标，通过实测数据推算出，当桅杆为振源时，其激发有感振动的激振力阈值约为6.4kN，并验证了外界对主体结构施加的激振力较难引发5·18事件，进而从实测验证角度排除引发5·18事件的振源是来自于主体结构的猜想，并说明桅杆放大器效应是促成5·18事件的一个必要条件，为后续的人工激振作业奠定了理论基础。
（2）通过所建立的绳系式人工激振系统的斜拉索面内三阶参数振动力学模型，计算得出以2.12Hz激振频率所进行的桅杆激振试验中，拉索前三阶频率为0.729Hz、1.414Hz和2.120Hz，其第三阶频率和振型与试验现象一致，验证了该模态分析结果的可靠性；取稳态振动段的实测索力与数值分析结果进行对比，两者振幅误差为0.16kN，则两者的频率、振幅吻合较好，说明该力学模型能在一定程度上具备准确性，为绳系式人工激振技术的参数调控机制奠定了理论基础。
参考文献（略）