小高層建筑物共振現(xiàn)象的檢測及治理實(shí)例

楊選

摘要： 本文以某大廈為實(shí)例，對(duì)小高層建筑物共振危害進(jìn)行檢測，并給出初步的治理建議。

Abstract： This paper takes a building as an example to test the resonance damage of small high-rise buildings and gives some suggestions on how to deal with it.

關(guān)鍵詞： 小高層建筑物；共振；檢測；治理

Key words： small high-rise buildings；resonance；detection；treatment

中圖分類號(hào)：TU435 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）03-0063-03

0 引言

某大廈位于平康路某路段，由新舊樓組合而成。舊樓建于1992年，樁基礎(chǔ)是采用灌注樁；新樓建于2006年10月份，樁基礎(chǔ)是采用液壓打樁，為框架結(jié)構(gòu)8層小高層建筑結(jié)構(gòu)物，建筑面積為3731.4平方米。該建筑物的東面約50m內(nèi)有一座13層高的辦公大樓至500m范圍內(nèi)有三到五層的私人住宅；南面約500m范圍內(nèi)有三到五層的私人住宅，較遠(yuǎn)處有一建筑工場；西面約500m范圍內(nèi)有三到五層的私人住宅；北面有是50m寬的雙向車道——平康路，以小型車輛和公交車較多。

自2000年拆除部份內(nèi)墻改為商業(yè)辦公樓后，開始發(fā)現(xiàn)有輕微的振動(dòng)。其振動(dòng)的情況如下：①人在辦公樓內(nèi)每天都感到振動(dòng)。當(dāng)人坐在座位上，雙手平放在桌上的時(shí)候有時(shí)整個(gè)人的手、腳同時(shí)感覺振動(dòng)而且比較大，使人覺得害怕的感覺；②這種情況已持續(xù)較長時(shí)間，直到最近兩三個(gè)振動(dòng)特別大；③偶爾在振動(dòng)同時(shí)還能聽到天花板輕微聲響。

初步判斷這是典型共振現(xiàn)象，目前對(duì)共振引起的災(zāi)害的報(bào)道較多，但缺乏系統(tǒng)有效的檢測和治理方案。本文將以該大廈為例對(duì)共振災(zāi)害的檢測和治理做初步的探討。

1 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為對(duì)典型共振震害進(jìn)行有效的治理，需要測定出引起共振的頻率及振動(dòng)強(qiáng)度。因此特別選用了BKD-2B型流動(dòng)地震儀和TC-4850A爆破測振儀轉(zhuǎn)用振動(dòng)測試設(shè)備，BKD-2B型流動(dòng)地震儀主要記錄25Hz以下的振動(dòng)信號(hào)，TC-4850A爆破測振主要記錄5到500Hz的振動(dòng)信號(hào)，EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器，和筆記本電腦等。

首先，以O(shè)XY表示地面，以O(shè)YZ表示舊大樓東面外墻面，以O(shè)ZX表示舊樓樓梯中間平分上行梯和下行梯的實(shí)際面所在的平面，此坐標(biāo)系的OZ與地面垂直，規(guī)定：OZ軸向上的方向?yàn)檎?，OX軸的正向?yàn)榉轿唤菫?0.26°的方向，OY軸的正向?yàn)榉轿唤菫?50.26°的方向。

在此坐標(biāo)系下具體的測點(diǎn)分布如圖1所示，詳細(xì)坐標(biāo)見表1。在表1中的位置架設(shè)儀器，其中L開頭的測點(diǎn)架設(shè)BKD-2B儀器采用連續(xù)記錄的方式記錄，T開頭的點(diǎn)采用TC-4850A儀器采用觸發(fā)式記錄，觸發(fā)參數(shù)為0.05cm/s。

2 檢測到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.1 大廈所處微振動(dòng)環(huán)境

選用L04（遠(yuǎn)離平康路）和L07（靠近平康路）檢測點(diǎn)按地脈動(dòng)測試規(guī)程，測試大廈所處微振動(dòng)環(huán)境。得到L04檢測點(diǎn)垂直向的優(yōu)勢頻率為： 11.0781Hz；南北向是：1.8433Hz（第一峰值）和10.4Hz（第二峰值）；東西向是1.5224Hz（第一峰值）和10.738Hz（第一峰值），詳見圖2；L04檢測點(diǎn)垂直向的主頻為11.4391Hz；東西向?yàn)?.50Hz（第一峰值）和10.0Hz（第二峰值），南北向?yàn)?.829 Hz（第一峰值）和 11.55 Hz（第二峰值）?？傮w來看：無大樓影響的周圍地面的振動(dòng)環(huán)境，垂直向譜的特點(diǎn)是單峰值，優(yōu)勢頻率11Hz左右；兩個(gè)水平方向，雙峰值特征較明顯，第一峰值對(duì)應(yīng)的頻率在1.55Hz到1.85Hz之間，第二峰值對(duì)應(yīng)的頻率在與垂直方向的優(yōu)勢頻率相差不大。

2.2 各測點(diǎn)錄得的典型振動(dòng)信號(hào)及特征

各測點(diǎn)記錄的波形，相似程度較高，從其中抽取幾個(gè)來進(jìn)行頻譜分析，得出其頻譜特征如下：典型事件的UD向的優(yōu)勢頻率平均為10.70Hz；EW向的第一峰值對(duì)應(yīng)的頻率平均為1.84Hz，第二峰值對(duì)應(yīng)的頻率為10.64Hz；NS向的第一峰值對(duì)應(yīng)的頻率平均為1.63Hz，第二峰值對(duì)應(yīng)的頻率為11.27Hz，詳見圖3和表2。

3 大廈內(nèi)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)空分布特征

按照所設(shè)計(jì)觀測系統(tǒng)對(duì)大樓振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行追蹤觀測的結(jié)果，可歸納出大樓的振動(dòng)有以下特征：

3.1 時(shí)間分布特征

在L02檢測點(diǎn)長時(shí)間的連續(xù)記錄圖上（見圖4）有顯明的有較規(guī)則周期性的振動(dòng)信號(hào)存在。這種振動(dòng)信號(hào)白天（05：30左右到22：00左右）頻次較高強(qiáng)度也較大且比較規(guī)則，夜間（23：00左右到05：30左右）周期性不強(qiáng)頻次相對(duì)較低，值得注意的是，之間的過渡并非是突然過渡，而是有個(gè)緩慢增多持續(xù)較多再緩慢減少持續(xù)較少的過程。對(duì)周期性較強(qiáng)的白天振動(dòng)信號(hào)（見圖5）進(jìn)行分析測量得到，其平均周期大約是2分14秒。

3.2 空間分布特征

3.2.1 垂直（各樓層）分布特點(diǎn)

從測量結(jié)果看（圖6）：約97%的事件都是Z分量最強(qiáng)，若我們以大于等0.05cm/s（按冶金部的劃定超過此值可能有輕微的振動(dòng)感覺）的事件來統(tǒng)計(jì)，則舊樓第一層僅錄得1次；第二層測量時(shí)間較短不考慮；第三層錄得2次；第四層3次，第五層錄得27次；第六層錄得28次；第七層錄得21次；第八層錄得14次；第九層（八樓頂）錄得12次。明顯第6層頻次高。

3.2.2 水平分布（同一樓層）特點(diǎn)

從頻次高第6層的測量結(jié)果看（圖7）：在T23檢測點(diǎn)即舊大樓西北角落的頻次最高為35次；在T22檢測點(diǎn)即舊大樓西南角落的頻次較高為22次；而在舊樓的其它兩個(gè)角落靠平康路較近的T24為6次，遠(yuǎn)離平康路的T21僅一次，位于舊樓中部且靠電梯較近的T25檢測點(diǎn)在檢測時(shí)間段內(nèi)并沒記錄到有超過0.05cm/s的事件。在新樓上的三個(gè)檢測點(diǎn)僅T19有1次，有可是偶然因素觸發(fā)。endprint

4 檢測結(jié)論

①該大廈新舊樓及周邊都記錄到周期約2分14秒的振動(dòng)信號(hào)，其主頻在11Hz左右，在新樓上測量到的強(qiáng)度較弱，在舊樓上測量到的強(qiáng)度較強(qiáng)。舊樓內(nèi)工作人員感覺到的搖晃確實(shí)存在對(duì)應(yīng)振動(dòng)信號(hào)，該振動(dòng)垂直方向最為強(qiáng)列，此方向上的優(yōu)勢頻率平均為10.70Hz，初步認(rèn)定最大烈度為Ⅲ。

②從現(xiàn)場的檢結(jié)果分析出的大樓振動(dòng)特征分布，再結(jié)合現(xiàn)場技術(shù)人員的查勘結(jié)果，基本上可以判斷引起大樓振動(dòng)的可疑振源，不會(huì)在大樓內(nèi)部。通過現(xiàn)場調(diào)查在大廈周圍1km范圍內(nèi)多是居民區(qū)，無大型沖壓鍛造機(jī)床。再根據(jù)對(duì)可疑振動(dòng)源的專項(xiàng)追蹤檢測基本可以確定引走大樓振動(dòng)的“罪魁禍?zhǔn)住笔邱R路上行駛的車輛，而紅綠燈則是“罪魁禍?zhǔn)住钡闹笓]者，正是因?yàn)橛屑t綠燈的指揮才使得獨(dú)來獨(dú)往的中小型車輛步調(diào)一致地對(duì)路面產(chǎn)生造成巨大的沖擊，并還具有一定的周期性。在步調(diào)一沖致的擊產(chǎn)生的振動(dòng)在還沒有衰減到足夠“安全”的情況下，又被經(jīng)過地基土層后傳入大樓，與舊樓的地基土層或是大樓固有頻率相接近的振動(dòng)息號(hào)被放大，即發(fā)生共振。

5 治理建議

一般情況，公路交通振動(dòng)傳至距路邊30m左右便不會(huì)有太大的影響，傳至50m便可安全，本案例首先是平康路基距大樓不足15米，在公路上通行的車輛產(chǎn)生的振還沒有衰減到安全范圍；此外，振動(dòng)傳到舊大樓基礎(chǔ)時(shí)，與地基土層和大樓的固有頻率相同的成份又被地基土層和大樓的放大，即發(fā)生共振現(xiàn)象。鑒于路與大樓的位置已是既成事實(shí)無法改變，若通過在傳播途中加減振溝來加快振動(dòng)信號(hào)的衰減，施工困難耗資巨不太現(xiàn)實(shí)。因此我們建議可采取以下兩個(gè)途徑進(jìn)行治理：

5.1 改變建筑物的固有周期

一般建筑的固有周期可按T=kH/sqrt（b）的經(jīng)驗(yàn)來估算，式中k為根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)型式及地基土而定的系數(shù)，b為房屋的寬度，H為房屋的高度。改變大樓的寬度較困難，但改變大樓的高度比較易適現(xiàn)。此外據(jù)日本的經(jīng)驗(yàn)，在高度H和寬度b不變時(shí)，也可通過增加單位面積的墻率來改變k的取值，從而改變大樓的固有周期，一般墻率不大于7cm/m2時(shí)，k=0.13；墻率為7～l2cm/m2時(shí)，k=0.91；墻率為l2cm/m2時(shí)，k=0.07。

5.2 采用目前最先進(jìn)的隔振技術(shù)

該技術(shù)是在大樓基礎(chǔ)或大樓的部位置加隔震橡膠墊來減弱輸入大樓的振動(dòng)強(qiáng)度。

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