0 引言

地震引起的建筑物破坏是导致人员伤亡和经济损失的主要原因。随着经济的发展和高新技术的出现，近年上海先后新建大量超高层建筑。对超高层建筑缺少实际震害经验，抗震、抗风设计理论与设计方法是否成熟有待实践检验，如：徐永林等（2010）利用上海市金茂大厦台风观测记录指出，在我国高层建筑建筑规范中采用的关于风荷载计算的振型函数公式与实际观测结果不符。因此，利用结构地震反应观测台阵对建筑结构进行长期观测，是目前提高结构分析和设计水平进而减轻地震破坏的一种有效手段。在此背景下，“十五”期间，中国地震局在上海市环球金融中心建立我国第一个超高建筑地震反应台阵。

随着时间的推移，上海市环球金融中心地震反应台阵原有2台MCMS型64通道16位数据采集器相继出现故障无法正常运行，而且原有台阵分布在18楼，90楼2套数据采集器互相不联通，只能靠人工授时，精度差且无法同步，远程监控和数据访问采用电话拨号通讯方式，数据回收费时费力。原有台阵系统已不能满足现在实时采集数据的需求，因此，上海市地震局于2015年1月着手对整个台阵实施现代化改造，本文对此展开详细介绍。

1 环球金融中心简介

上海环球金融中心位于陆家嘴金融贸易区世纪大道100号，系一栋以办公为主，集商贸、宾馆、观光、展览及其他公共设施于一体的大型摩天大楼，毗邻另外2座超高层建筑——上海中心与金茂大厦，其建筑占地面积为57.95 m×57.95 m，地面以上高度492 m，主楼地下3层，地上101层。环球金融中心场地覆盖土层厚度大于300 m，地基土属于软弱土，根据上海市DGJ08-9—2003《建筑抗震设计规程》及上海市DGJ08-37—2002《岩土工程勘察规范》规定，属Ⅳ类场地（胡峻等，2016）。环球金融中心为钢与混凝土混合结构，主体结构采用巨型柱、巨型斜撑以及带状桁架构成的三维巨型框架结构，钢筋混凝土核心筒结构以及连接核心筒与巨型柱的伸臂桁架三重结构体系抗御水平荷载，2008年建成时为我国第一高楼，目前为中国第3高楼，世界第5高楼。

2 台阵测点布设

结构地震反应观测台阵的测点布设一般按照经济合理原则，根据建筑物特点确定测点位置，测点尽量安设在既能够反映建筑结构主体结构振动，又能灵敏反映建筑结构振动特征的位置上。在选择合理的测点位置时，首先考虑振型的影响，将测点布设在对应各振型中均有较大幅值的部位，尽量避免将测点布设在振型节点处。考虑结构耦连振动效应，在建筑物楼层上布设2个以上的对称水平测点。为进行房屋建筑结构地震反应记录分析提供输入地震动，在建筑物附近的自由场地上布设一测点（周正华等，2004）。

为获取超高层钢结构在地震作用下的空间动力反应特性，测点分别布置在建筑物附近的自由场地、建筑物核心筒内部、建筑物核心筒外部，在18层与90层设2个观测室。自由地表土层观测点设置于大楼附属绿地中，距大楼约50 m，由仪器墩和钢罩组成。观测数据传输电缆通过弱电管道沟到第18楼观测室。大楼内部观测点，即结构强震动观测点分布在大楼不同楼层，共计45个地震观测点，具体分布见图 3，每个层面根据设计要求分别安装2—4套加速度或速度记录仪，在每层结构面的长轴向成直线布置，满足国家标准《强震动观测规程》要求。

台阵布设46个测点，布设线路见图 4，其中25个三分量加速度测点、12个二分量加速度测点和9个三分量速度测点，共计126通道。

3 台阵观测技术系统构成

改造后的上海环球金融中心结构地震动反应观测台阵系统由数据采集系统、GPS授时系统、数据传输系统和数据中心4部分组成。系统结构见图 5。

3.1 数据采集系统

数据采集系统由数据采集器、加速度与速度计组成，分别为TDE-324QI型16通道数据采集器（8台）、中国地震局工程力学研究所生产的SLJ-100力平衡式加速度计和BPS-100FBV型速度计。TDE-324QI型采集器性能指标见表 1，SLJ-100型力平衡式加速度计指标见表 2，BPS-100FBV型速度计指标见表 3。

3.2 GPS网络授时系统

8台16通道地震数据采集器采用GPS网络授时。由于上海环球金融中心不能安装GPS天线，选择方案是，将GPS接收器天线架设在上海市地震局强震台网数据中心，安装GPS信号增强仪与GPS数字钟。在GPS接收器接收到卫星时间信号后，转换为差分时间信号供GPS数字钟对时，同时GPS数字钟将差分时间信号经过SNTP网络授时模块转化为网络信号，一方面通过前面板显示出来，一方面通过光纤网络传输信号为环球金融中心各个数据采集器授时。通过网络授时满足环球金融中心结构地震动反应观测台阵对授时的技术要求。GPS授时示意见图 6。

3.3 数据传输系统

数据传输系统主要由交换机、网桥、SDH光纤组成（图 7，图 8）。其中：①交换机在F18、F90观测室中各布设一套，用于连接各自楼层的4套数据采集器，汇集所有测点数据；②网桥：原F18、F90观测室内由电缆直连，借助电话线网桥Mikrotik RB2011ii，实现2套交换机对接，将F90观测室的数据汇总至F18观测室，为后续数据传输至数据中心做准备；③SDH光纤布设于F18观测室，与上海市地震局相连，实现大楼内所有测点数据的远程传输。

3.4 数据中心

数据中心位于上海市地震局，由强震监测服务器、数据库服务器及磁盘阵列、数据处理机组成。强震监测服务器用于实时接收各测点的观测数据，并进行实时显示、分析、触发判断、存储等处理。数据接收采用双机双系统备份方式，以保证中心实时接收数据的可靠性。数据库服务器及磁盘阵列用于存储各种台网参数以及结果数据，并提供数据库管理系统，统一管理数据库。数据处理机包括程序监控及数据分析功能。程序监控主要通过前台监测程序以图形方式监测台站实时数据流、GPS状态、标定状态。一旦有某一参数的值超过设置范围，系统将超亮显示，并发出警告，将异常写入系统日志。状态实时监测程序还能监测台网中心各种状态，如磁盘容量、信号断记、事件触发、网络故障等。程序提供的日志功能可以让用户选择需要存入日志的监测内容，包括报警记录、反向操作、信号丢包和监测阀值超限等。数据处理程序完成强震数据的人机交互处理工作，以协助分析处理数据，并提供数据波形的编辑、存储和打印等功能。

4 环球金融中心地震记录

由于环球金融中心位于软土地基之上，加上其自振周期较长，因此受到长周期地震波影响较大，多次记录到远震波形。北京时间2015年11月14日04时51分，在东海海域（31.0°N，128.7°E）发生7.2级地震，震源深度10.0 km，距离上海环球金融中心约800 km。当时台阵正处于改造安装调试阶段，除个别测点未连通无数据记录外，其他测点均成功记录到大楼结构响应过程，此次地震事件波形记录见图 9。上海市环球金融中心地震反应台阵正常运行后，先后记录到周边多次地震波形，如：2016年4月14日日本九州岛6.0级地震（震中距约1 300 km），2016年10月20日江苏盐城市射阳县4.4级地震（震中距约300 km），见图 10、图 11。

以东海7.2级地震台阵实测记录为例，根据台阵实测加速度时程，此次7.2级地震获取的实测峰值加速度出现在F101楼，其X轴向值为6.07 Gal，Y轴向值为6.30 Gal；根据台阵速度计F98楼观测点实测数据，此次地震获取的实测峰值速度为：X轴向值为1.18cm/s，Y轴向值为1.32 cm/s；F101楼加速度计记录时程谱分析结果（李鸿晶等，2003）显示，大楼X向第一阶自振频率为0.150 2 Hz，Y向第一阶自振频率为0.152 3 Hz，与大楼建成后测试结果接近（韦晓等，2013），验证整个台阵系统的有效性。

5 结束语

上海市环球金融中心地震反应台阵经改造，各楼层观测数据得以同步，并实时传输至上海市地震局强震台网数据中心，不仅提高了数据观测质量，而且便于观测数据的实时处理，实现对整个大楼运行状态的实时监测。通过现有台阵对大楼进行长期观测，可以为超高层建筑的抗震抗风研究提供数据支撑，促进超高层建筑的抗震抗风理论发展，其潜在的经济价值不可估量。