建筑物共振效應(yīng)檢測(cè)以及解決方法探討

王國(guó)瀅 張 宇

建筑物共振效應(yīng)檢測(cè)以及解決方法探討

王國(guó)瀅 張 宇

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 云南昆明 650031）

本文主要闡述了建筑物發(fā)生共振的現(xiàn)象以及檢測(cè)方法，并針對(duì)發(fā)生共振的某建筑物提出解決問(wèn)題的辦法。由于目前有關(guān)建筑物共振研究資料并不多見(jiàn)，本文所取得的結(jié)論對(duì)類(lèi)似項(xiàng)目的振動(dòng)檢測(cè)、問(wèn)題解決可能具有一定參考作用。

建筑物 共振 場(chǎng)地卓越周期 辮梢效應(yīng) 檢測(cè)

引言

在人們一般的印象中，地面建筑只要符合設(shè)計(jì)規(guī)范，基礎(chǔ)滿(mǎn)足承載力等相關(guān)設(shè)計(jì)要求，建筑物就應(yīng)該是安全和穩(wěn)固的。實(shí)際上，地表存在較多的振動(dòng)源，如機(jī)械振動(dòng)等,建筑物本身也按一定規(guī)律在自振(固有振動(dòng)頻率)，如果建筑物自振和其他振動(dòng)源發(fā)生共振，建筑物振動(dòng)幅度、能量會(huì)迅速增加，對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)造成破壞，形成安全隱患或造成安全事故。建筑物發(fā)生共振的報(bào)道近年來(lái)在媒體上也有報(bào)道，因此，檢測(cè)建筑物以及消除建筑物的共振效應(yīng)，是工程物探檢測(cè)面臨的新挑戰(zhàn)。

1 背景

某單位科技樓建成于20世紀(jì)80年代初期，為普通框架結(jié)構(gòu)。迄今經(jīng)過(guò)3次大改造和裝修，第7層為加層?？萍紭墙?jīng)過(guò)裝修，第六、七層小隔間拆除墻壁改成了大開(kāi)間。樓頂水塔原為方形箱式，后改為球形玻璃鋼結(jié)構(gòu)。樓頂水塔放置在科技樓西側(cè)，以工字鋼懸空架設(shè)在7樓頂兩條南北向承重梁上，結(jié)合面無(wú)緊固連接，水塔滿(mǎn)載自重超過(guò)4t，高3m。

據(jù)有關(guān)人員介紹，科技樓在四川5.12地震之前沒(méi)有任何異常情況，之后經(jīng)常發(fā)生人員有感覺(jué)的振動(dòng)，從周一到周五每天早上10：16分準(zhǔn)時(shí)出現(xiàn)有感覺(jué)的振動(dòng)，下午17：53左右也會(huì)偶然出現(xiàn)類(lèi)似振動(dòng)，但不準(zhǔn)時(shí)。具體表現(xiàn)為桌椅、水杯晃動(dòng)，人員頭暈,該建筑物頂層外裝修貼面墻磚甚至有局部脫落現(xiàn)象，而同一院內(nèi)相鄰建筑物（間距約10m）卻未見(jiàn)類(lèi)似情況。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

針對(duì)上述現(xiàn)象，檢測(cè)中心專(zhuān)門(mén)組織人員設(shè)備對(duì)科技樓及周邊環(huán)境實(shí)施了振動(dòng)監(jiān)測(cè)。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，科技樓的確存在異常的振動(dòng)現(xiàn)象。

2.1檢測(cè)目的

（1）查明建筑物發(fā)生振動(dòng)的部位，以及振動(dòng)的主要方向、波幅、頻率和振動(dòng)速度。

（2）建筑物縱向、水平切向、水平徑向各方向振動(dòng)情況以及最大振動(dòng)部位。

（3）每天24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，查明振動(dòng)發(fā)生的時(shí)段及規(guī)律，進(jìn)一步確定（尋找）振動(dòng)源。

（4）根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷建筑物振動(dòng)原因以及找到解決的辦法。

2.2對(duì)比測(cè)試

（1）在建筑物人流量較大和較少的情況下對(duì)比監(jiān)測(cè)振動(dòng)情況。具體在夜間/白天、節(jié)假日/工作日檢測(cè)。

（2）和鄰近建筑物進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。

（3）在建筑物內(nèi)不同樓層放置振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)各樓層發(fā)生振動(dòng)的情況。

2.3測(cè)點(diǎn)布置

（1）結(jié)構(gòu)最薄弱環(huán)節(jié)布置。根據(jù)該建筑的情況，加層（七層）和原有頂層（六層）結(jié)合部位為薄弱點(diǎn)，在這些部位布置觀測(cè)點(diǎn)，能夠達(dá)到較好的效果。

（2）最大振動(dòng)點(diǎn)檢測(cè)。建筑物發(fā)生振動(dòng)時(shí)，其頂部由于鞭梢效應(yīng)（即，較小的振動(dòng)由底部傳遞到建筑物頂部，則頂部的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度會(huì)被放大），一般會(huì)是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度最大的部位。如果頂部構(gòu)建物質(zhì)量較小，則這種振動(dòng)效應(yīng)更加明顯。

（3）測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

①測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)該處于一個(gè)自下而上的檢測(cè)斷面上。

②在平面位置上根據(jù)幾何中心和建筑物構(gòu)造合理布置。

這樣能夠更加合理的從平面和高度變化上判斷建筑物振動(dòng)頻率、振幅、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力參數(shù)判斷振動(dòng)對(duì)建筑物的影響程度以及可能發(fā)生的變化，對(duì)比該建筑物與相鄰建筑物的振動(dòng)參數(shù)，尋找相互之間的關(guān)系。

3 測(cè)試儀器

采用TT-3A速度檢波器和TC-4850振動(dòng)記錄儀開(kāi)展測(cè)試。檢波器采用TT-3A系列三軸向電磁式振動(dòng)檢波器和ZCC-202型速度檢波器。

TT-3A型三分量振動(dòng)速度型檢波器和ZCC-202型速度檢波器系列檢波器為一彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，檢波器中固定有磁鋼，慣性質(zhì)量（線(xiàn)圈組件）用彈性元件懸掛在殼體內(nèi)部，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，在檢波器工作頻率范圍內(nèi)，由于慣性，線(xiàn)圈與磁鋼相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁力線(xiàn)，在線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓值正比于振動(dòng)速度值，檢波器輸出信號(hào)與烈度檢測(cè)儀、振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀相配接，即可顯示振動(dòng)速度，也可輸送到信號(hào)采集器或其他的二次儀表，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和測(cè)量。

4 測(cè)試結(jié)果

檢測(cè)中心對(duì)科技樓實(shí)施了振動(dòng)監(jiān)測(cè)，獲得振動(dòng)數(shù)據(jù)近600M。設(shè)科技樓東西向?yàn)閄，南北向?yàn)閅，垂直向?yàn)閆。檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，科技樓每天2次的振動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度，幅度明顯增加，最大的有數(shù)十倍（出現(xiàn)在樓頂水塔處），證明建筑物在共振作用下產(chǎn)生了“鞭梢效應(yīng)”《工程抗震術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)鞭梢效應(yīng)定義為：在地震作用下，高層建筑或其他建（構(gòu)）筑物頂部細(xì)長(zhǎng)突出部分振幅劇烈增大的現(xiàn)象。

科技樓第7層為后加層，在加層設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到建筑物安全以及基礎(chǔ)承重，第7層設(shè)計(jì)為薄壁大跨度輕型結(jié)構(gòu)。第6層為了裝修把所有剪力墻全部拆除，改造成一體式大辦公室。因此第7層完全可以視為《工程抗震術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》所定義的鞭梢結(jié)構(gòu)。當(dāng)建筑物鞭梢結(jié)構(gòu)一階自振頻率與整體結(jié)構(gòu)自振頻率相等，且與地面擾頻相近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的鞭梢效應(yīng)，給建筑物造成較大破壞。本次監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)表明，科技樓X、Y、Z三個(gè)方向的一階振動(dòng)頻率主要集中在2.5HZ。如果地面有一個(gè)和該頻率相同振動(dòng)源時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振且出現(xiàn)鞭梢效應(yīng)。導(dǎo)致建筑物振動(dòng)，桌椅、水杯晃動(dòng)，人員頭暈，樓頂水塔搖晃等現(xiàn)象。

科技樓每天上午10:16分，下午17:53分別出現(xiàn)2次有感振動(dòng)，振動(dòng)速度、加速度、振幅成倍增加。但其各方向振動(dòng)主頻變化不大。監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，排空水塔能推遲有感振動(dòng)時(shí)間。最大振動(dòng)部位為科技樓樓頂水塔，6、7層振動(dòng)幅度大，振感比較明顯。但振動(dòng)源還需進(jìn)一步研究分析判明。鄰近建筑物近10天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化不大。

科技樓每天的2次有感振動(dòng)，而相鄰建筑物沒(méi)有明顯的振動(dòng)，說(shuō)明這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)有某個(gè)外界振源與科技樓發(fā)生共振，因鞭梢效應(yīng)，第6、第7層振動(dòng)幅度大，振感比較明顯。從相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，可以判斷科技樓發(fā)生了建筑物共振現(xiàn)象。6層、7層與某個(gè)振動(dòng)源發(fā)生了諧振，判據(jù)為：

（1）從振動(dòng)頻譜看，科技樓6、7層發(fā)生大幅度振動(dòng)時(shí)，通過(guò)快速傅里葉變換（FFT）發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)頻率基本無(wú)變化，主頻為2.5HZ

（2）科技樓有感覺(jué)的振動(dòng)和無(wú)感振動(dòng)頻譜基本吻合。只是在共振時(shí)，振動(dòng)能量大幅度陡然增加而已。

（3）建筑物發(fā)生共振的時(shí)候，某個(gè)方向振動(dòng)能量迅速增大，其他方向變化不明顯。在對(duì)本建筑物監(jiān)測(cè)中，共振效應(yīng)發(fā)生之時(shí)，建筑物東西方向振動(dòng)分量驟然增加，但南北方向和垂直方向振動(dòng)分量變化較小。這說(shuō)明振動(dòng)的傳播和效應(yīng)與建筑物的外形幾何尺寸也有很大的關(guān)系。而且共振波形非常有規(guī)律，有明顯規(guī)則的正弦波包絡(luò)線(xiàn)。為判斷建筑物是否發(fā)生共振提供一定的依據(jù)。

5 振動(dòng)源查找

在相關(guān)數(shù)據(jù)表明建筑物發(fā)生共振后，找到引起共振的起源就很重要。假若振動(dòng)源產(chǎn)生在地表，則地表振動(dòng)與樓頂振動(dòng)在時(shí)間、空間上必有對(duì)應(yīng)關(guān)系。振動(dòng)波能量隨著樓層的增加而增加，發(fā)生明顯的辮梢效應(yīng)。

為此我們分析，科技樓產(chǎn)生共振時(shí)，周?chē)鷳?yīng)有一個(gè)頻率為2.5HZ的振源存在。經(jīng)過(guò)調(diào)查未發(fā)現(xiàn)附近有打樁、爆破、機(jī)械施工、重型車(chē)輛通過(guò)的情況?？萍紭敲刻鞙?zhǔn)時(shí)出現(xiàn)2次短暫的共振，可以排除自然界風(fēng)雨雷電等隨機(jī)因素，科技樓與學(xué)?；蛘吖矆?chǎng)合不同，不存在人流大幅度增減或者集中活動(dòng)的現(xiàn)象，樓層負(fù)荷也比較穩(wěn)定。

在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間調(diào)查之后，我們發(fā)現(xiàn)，建筑物發(fā)生共振的時(shí)間與某列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)間幾乎完全一致，都在每天早晨10:15-10:16分之間，下午17：52-17:54分之間通過(guò)。共振時(shí)間與列車(chē)通過(guò)時(shí)間基本一致。這兩趟列車(chē)有8節(jié)，屬于老式內(nèi)燃機(jī)車(chē)，通過(guò)時(shí)間在20～25s之間。后經(jīng)大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以判斷火車(chē)是該建筑物的振動(dòng)源。振動(dòng)源與建筑物二者直線(xiàn)距離約1km左右。該部位地表垂直向振動(dòng)分量遠(yuǎn)高于地表水平兩個(gè)方向振動(dòng)分量。從列車(chē)通過(guò)時(shí)距離軌道邊10m典型振動(dòng)波形可以清晰看出火車(chē)輪子跨縫時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)。

6 共振效應(yīng)消除

檢測(cè)并判定建筑物發(fā)生共振效應(yīng)后，我們所面臨的就是消除該破壞性共振問(wèn)題。由于振動(dòng)源來(lái)自于城內(nèi)列車(chē)，要消除或改變?cè)撜駝?dòng)源是不可能的，因此只有從改變建筑物自身振動(dòng)頻率來(lái)達(dá)到目的。

在檢測(cè)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，即凡是節(jié)假日，建筑物振動(dòng)效應(yīng)就很小。這說(shuō)明建筑物負(fù)載變化，自振頻率就會(huì)隨之改變，從而抑制共振現(xiàn)象的發(fā)生。

該建筑物經(jīng)過(guò)數(shù)次大規(guī)模改造，地下又開(kāi)挖了大型停車(chē)場(chǎng)，要改變其結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常困難。但是屋頂有一個(gè)玻璃鋼圓形水箱，容量為4m3，加水后連基座約有5000kg質(zhì)量。水塔底座焊接有兩條工字鋼，工字鋼架設(shè)在屋頂兩條橫梁之上與建筑物連成一體。在進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)時(shí)，不用儀器就能感到水箱在明顯搖晃。因此，拆除水箱及塔座，改變自振頻率，減小或消除建筑物共振現(xiàn)象。

2009年底，有關(guān)部門(mén)拆除了頂層水箱，此后該建筑再?zèng)]有發(fā)生有感振動(dòng)，這說(shuō)明共振現(xiàn)象減弱或消失，也說(shuō)明該方法行之有效。

7 結(jié)語(yǔ)

任何建筑物都有自己固有的基本振動(dòng)頻率，建筑物在建造時(shí)均考慮到了抗震結(jié)構(gòu)和地基的卓越周期，以避免共振效應(yīng)對(duì)建筑物的損傷與破壞。然而建筑物在使用期間，會(huì)發(fā)生一定變化，常見(jiàn)的有以下幾種：

第一為環(huán)境變化。如周邊打樁、爆破、重型交通工具經(jīng)過(guò)、風(fēng)力變化。

第二為自身變化?？拐鸺庸蹋痈呒訉?，為新增的功能，因而改變了建筑物內(nèi)部或者外部結(jié)構(gòu)。

第三為建筑物使用功能變化。如建筑物內(nèi)部重型設(shè)備搬遷、遷移和人流量大幅度改變等。

以上3種情況均能在一定程度上暫時(shí)或永久性改變建筑物的自振頻率，一旦發(fā)生共振的各種條件改變，會(huì)影響建筑物本身正常使用。

本次測(cè)試及研究表明：

（1）建筑物在空間三個(gè)方向振動(dòng)分量都存在卓越周期。但是本文研究結(jié)果顯示，共振效應(yīng)發(fā)生的時(shí)候，并不是三個(gè)方向分量的振動(dòng)能量都會(huì)增加。本次所測(cè)試的建筑物發(fā)生共振的時(shí)候，水平某方向剪切振動(dòng)增大倍數(shù)遠(yuǎn)大于垂直方向振動(dòng)，而且共振波形相當(dāng)有規(guī)律而不是雜亂無(wú)章。

（2）有關(guān)資料顯示和本次測(cè)試表明，首先較遠(yuǎn)的振動(dòng)源依然能夠?qū)ㄖ锂a(chǎn)生作用，因此，在查找振動(dòng)源時(shí)，要擴(kuò)大查找范圍。其次，在發(fā)生共振的建筑物附近地面和建筑物底層是難于檢測(cè)到振動(dòng)波形的，由于鞭梢效應(yīng)的作用，微弱振動(dòng)源能引起建筑物上層建筑發(fā)生較大振動(dòng)，因此，在地面檢測(cè)不到振動(dòng)的時(shí)候，不能產(chǎn)生誤判。

（3）要避免建筑發(fā)生共振現(xiàn)象。在建筑物（特別是高層建筑）進(jìn)行大規(guī)模裝修、改造、加固和改變使用功能等情況下要加強(qiáng)論證，采取措施，以避免建筑物自身頻率改變，產(chǎn)生共振條件，留下安全隱患。

（4）在建筑物發(fā)生共振現(xiàn)象后，如果振動(dòng)源難于確定或者不能消除，可以嘗試改變建筑物自身重量，改變自身自振頻率，破壞共振效應(yīng)產(chǎn)生的條件，從而達(dá)到穩(wěn)定和增強(qiáng)建筑物安全性的目的。

（5）列車(chē)造成的振動(dòng)較大，其低頻信號(hào)可以傳播較遠(yuǎn)距離。隨著我國(guó)城市軌道交通（地鐵、輕軌、城際列車(chē)等）的大規(guī)模建設(shè)，列車(chē)對(duì)環(huán)境、建筑物的影響日益擴(kuò)大，該信號(hào)的傳播機(jī)理以及與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，是我們下一步工作與研究的主要目標(biāo)之一。

（6）目前我國(guó)對(duì)振動(dòng)安全性的判據(jù)為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，在實(shí)際運(yùn)用中，求加速度以及振幅需要進(jìn)行微分和積分運(yùn)算。如果檢測(cè)的時(shí)候使用加速度檢波器（傳感器），將對(duì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的能量計(jì)算比較方便有利。

在生活中發(fā)生共振導(dǎo)致建筑物損壞的現(xiàn)象很少，本文只是從一個(gè)發(fā)生在身邊事例，利用監(jiān)測(cè)手段觀測(cè)建筑物在發(fā)生共振時(shí)不同方向、不同樓層以及鄰近建筑物振動(dòng)變化情況，進(jìn)一步查找振源，提出解決方案。由于這方面資料不多，文中有些提法可能不夠嚴(yán)謹(jǐn)或有誤，請(qǐng)給予指正。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.014

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1672-2469（2014）02-0051-03

王國(guó)瀅（1964年— ），男，高級(jí)工程師。