飞云楼作为保存较完整的纯木古建筑距今已有500多年历史，已列入全国重点文物保护对象。如今飞云楼结构损伤较严重，因应力集中引起梁柱构件开裂，木质腐朽引起龟裂，榫卯节点松动等。据对飞云楼结构现场调研及规范［1］第4．1．4条，该楼可靠度评估为三类。目前，杨庆山等［2－3］对山西应县木塔的动力特性进行分析。杨娜等［4］分析人群荷载下布达拉宫的动力特性。方东平等［5］对西安北门箭楼修复中、修复后的动力性能进行研究。陈平等［6－8］对西安大、小雁塔及钟楼进行动力性能分析。飞云楼作为典型的木构建筑具有显著特点，即①各明层屋盖或屋檐顶部在四个方向分布四个十字歇山，使该楼结构立面非常丰富;②楼檐下柱端用斗拱连接，该斗拱较大，外观宏伟。斗拱又称铺作，为柱顶上小方木一组拱形短木组成的嵌套构件，具有结构、装饰双重作用;③梁柱及构件通过榫卯连接，榫卯形态各异，种类繁多，为关键部分。
1测试方案
环境激励下结构模态参数识别技术［9］具有对结构无损伤、不影响结构正常使用、测试费用低廉等优势广泛应用。故利用环境激励下飞云楼的动力反应特性进行加速度响应测试。
1．1结构分析
飞云楼建筑外观构造极其复杂，层与层间划分不明显，见图2。从结构内部主体剖分图看出，骨架主要由竖向支撑柱、水平板及质量较大的屋檐屋盖组成，二层与三层中间含一暗层。较暗层屋檐相比，二、三层顶突出的屋檐更大，且屋檐下大斗拱密布，明层屋檐平面整体质量远大于暗层;而构造上，暗层与明层主要由榫卯节点连接，明层柱与屋檐主要由斗拱连接。斗拱主要承载竖向构件，抗侧力刚度较弱，而此处结构发生水平侧向振动响应更显著。考虑测量结构水平振动响应，将结构暗层并入明层视为整体一层较合理。结构三层顶部有连续分布的两层屋檐，与下部结构层相比二者竖向距离较小，可视为整体屋盖结构。测试时该楼二层明层与暗层作为第二层，三层明层与暗层作为第三层，楼结构最终简化为具有三个水平自由度的平动体系。
1．2测试方案
测点布设于每层四个角柱，每个角柱分别布置东西向、南北向传感器各1个(图2)，每个测试层布置8个传感器，3层共获得24个测点加速度信号数据。现场试验设备见图3。采用KD1300电荷加速度传感器、KD5008放大器、数据采集仪INV3060A，结合现场实测及文献［10］设置采集参数，见表1。
2数据预处理
由于采集的数据受外界随机信号干扰，使采集信号波形图显示有较大范围毛刺及偏离基线现象，为提高采集数据信噪比进行去漂移、平滑及滤波预处理［11］，见表2。采集信号的波形及功率谱见图4、图5，信号预处理的波形及功率谱见图6、图7。由图4、图5可知，初始采集信号加速度突出尖峰较多且幅值较大，其功率谱密度图峰值多现于较大频率处，楼体因木材腐朽严重引起构件连接较弱，故其结构频率应在低频范围，故滤去高频噪声信号。图6的时域波形显示信号基线回到原点;而由图7看出，信号峰值出现在低频处，能较好反映结构的自身动力特性，信号预处理后信噪比得到明显改善。
3飞云楼动力性能分析
随机子空间法(StochasticSubspaceIdentification，SSI)［12－13］为基于统计概率意义的多维数据模态分析方法，具有同时处理多维数据特点，但实际中所得数据较难满足白噪声假定，故所得结果精度不高。为进一步改善模态识别方法的局限性，杨佑发等［14］利用不同识别法优缺点提出改进的模态识别法;本文利用随机减量法(ＲandomDecrementTechnique，ＲDT)［15］结合随机子空间法对飞云楼动力性能参数进行识别。
3．1基于随机减量技术的随机子空间法识别技术
随机减量法只对外激励有定性(白噪声假定)要求，即使外界不满足白噪声激励条件，随机减量法也能较好消除非平稳噪声，经随机减量技术处理的信号信噪比得到较大提高。
3．2飞云楼模态识别
本文对基于随机减量技术的随机子空间法用MATLAB语言设计程序，对飞云楼数据进行模态识别。并选自然激励(NaturalExcitationTechnique，NExT)［16］结合ITD(IbrahimTimeDomain)法［17］进行对比，结果见表3。由表3看出，飞云楼两平动方向前三阶频率分布于1．32～6．72Hz内，与同尺度混凝土或钢结构相比其第一阶频率较低，原因为木构件通过榫卯连接，施工工艺及外界环境变形导致榫、卯之间产生较多缝隙，少部分甚至为单纯搭接。与单个木构件相比榫卯连接弱化会使结构整体刚度变弱;另外可能与飞云楼大质量斗拱节点抗侧刚度弱有关。两方向对应的前三阶平动频率非常接近，说明飞云楼南北向与东西向刚度特性较一致;与平动相比，楼的前三阶扭转自振频率分别为1．21Hz，1．81Hz，3．38Hz，低于前三阶对应的平动频率。而上下层联接大部分源于斗拱构件，较其它节点，斗拱节点底座相当于平放在柱顶部，抗扭刚度较弱，因此飞云楼扭转刚度弱于平动刚度。
4结论
(1)基于随机减量技术的随机子空间法能有效消除信号数据噪声影响，较单一随机子空间法更能提高识别精度;对飞云楼的动力模态分析结果可为该古建筑承受动力荷载保护提供参考依据。(2)飞云楼的结构刚度特性较弱、自振频率较低，扭转刚度弱于平动刚度，在动力荷载下更易发生扭转振动，不同方法的分析频率值较接近。(3)对阻尼，两种方法分析结果差异明显，模态参数识别时存在阻尼识别较频率识别更具不稳定性;飞云楼木结构阻尼较钢结构、混凝土结构大，表明该木结构建筑具有较强的耗能性能及抗震能力。
作者：高延安 杨庆山 王娟 秦敬伟 单位：北京交通大学土木建筑工程学院 结构风工程与城市风环境北京市重点实验室 中国电子工程设计院
