建筑物共振效應檢測以及解決方法探討

王國瀅 張 宇

建筑物共振效應檢測以及解決方法探討

王國瀅 張 宇

（中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院 云南昆明 650031）

本文主要闡述了建筑物發生共振的現象以及檢測方法，并針對發生共振的某建筑物提出解決問題的辦法。由于目前有關建筑物共振研究資料并不多見，本文所取得的結論對類似項目的振動檢測、問題解決可能具有一定參考作用。

建筑物 共振 場地卓越周期 辮梢效應 檢測

引言

在人們一般的印象中，地面建筑只要符合設計規范，基礎滿足承載力等相關設計要求，建筑物就應該是安全和穩固的。實際上，地表存在較多的振動源，如機械振動等,建筑物本身也按一定規律在自振(固有振動頻率)，如果建筑物自振和其他振動源發生共振，建筑物振動幅度、能量會迅速增加，對建筑物結構造成破壞，形成安全隱患或造成安全事故。建筑物發生共振的報道近年來在媒體上也有報道，因此，檢測建筑物以及消除建筑物的共振效應，是工程物探檢測面臨的新挑戰。

1 背景

某單位科技樓建成于20世紀80年代初期，為普通框架結構。迄今經過3次大改造和裝修，第7層為加層。科技樓經過裝修，第六、七層小隔間拆除墻壁改成了大開間。樓頂水塔原為方形箱式，后改為球形玻璃鋼結構。樓頂水塔放置在科技樓西側，以工字鋼懸空架設在7樓頂兩條南北向承重梁上，結合面無緊固連接，水塔滿載自重超過4t，高3m。

據有關人員介紹，科技樓在四川5.12地震之前沒有任何異常情況，之后經常發生人員有感覺的振動，從周一到周五每天早上10：16分準時出現有感覺的振動，下午17：53左右也會偶然出現類似振動，但不準時。具體表現為桌椅、水杯晃動，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象，而同一院內相鄰建筑物（間距約10m）卻未見類似情況。

2 現場檢測

針對上述現象，檢測中心專門組織人員設備對科技樓及周邊環境實施了振動監測。有關數據表明，科技樓的確存在異常的振動現象。

2.1檢測目的

（1）查明建筑物發生振動的部位，以及振動的主要方向、波幅、頻率和振動速度。

（2）建筑物縱向、水平切向、水平徑向各方向振動情況以及最大振動部位。

（3）每天24小時連續監測，查明振動發生的時段及規律，進一步確定（尋找）振動源。

（4）根據監測結果判斷建筑物振動原因以及找到解決的辦法。

2.2對比測試

（1）在建筑物人流量較大和較少的情況下對比監測振動情況。具體在夜間/白天、節假日/工作日檢測。

（2）和鄰近建筑物進行同步監測。

（3）在建筑物內不同樓層放置振動監測儀器，監測各樓層發生振動的情況。

2.3測點布置

（1）結構最薄弱環節布置。根據該建筑的情況，加層（七層）和原有頂層（六層）結合部位為薄弱點，在這些部位布置觀測點，能夠達到較好的效果。

（2）最大振動點檢測。建筑物發生振動時，其頂部由于鞭梢效應（即，較小的振動由底部傳遞到建筑物頂部，則頂部的質點振動速度會被放大），一般會是質點振動速度最大的部位。如果頂部構建物質量較小，則這種振動效應更加明顯。

（3）測點布置應注意以下兩點：

①測點布置應該處于一個自下而上的檢測斷面上。

②在平面位置上根據幾何中心和建筑物構造合理布置。

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頻率、振幅、質點振動速度。根據質點動力參數判斷振動對建筑物的影響程度以及可能發生的變化，對比該建筑物與相鄰建筑物的振動參數，尋找相互之間的關系。

3 測試儀器

采用TT-3A速度檢波器和TC-4850振動記錄儀開展測試。檢波器采用TT-3A系列三軸向電磁式振動檢波器和ZCC-202型速度檢波器。

TT-3A型三分量振動速度型檢波器和ZCC-202型速度檢波器系列檢波器為一彈簧質量系統，檢波器中固定有磁鋼，慣性質量（線圈組件）用彈性元件懸掛在殼體內部，當物體振動時，在檢波器工作頻率范圍內，由于慣性，線圈與磁鋼相對運動，切割磁力線，在線圈內產生感應電壓，該電壓值正比于振動速度值，檢波器輸出信號與烈度檢測儀、振動監測儀相配接，即可顯示振動速度，也可輸送到信號采集器或其他的二次儀表，進行數據采集和測量。

4 測試結果

檢測中心對科技樓實施了振動監測，獲得振動數據近600M。設科技樓東西向為X，南北向為Y，垂直向為Z。檢測數據表明，科技樓每天2次的振動時，質點振動加速度，幅度明顯增加，最大的有數十倍（出現在樓頂水塔處），證明建筑物在共振作用下產生了“鞭梢效應”《工程抗震術語標準》對鞭梢效應定義為：在地震作用下，高層建筑或其他建（構）筑物頂部細長突出部分振幅劇烈增大的現象。

科技樓第7層為后加層，在加層設計時，考慮到建筑物安全以及基礎承重，第7層設計為薄壁大跨度輕型結構。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《工程抗震術語標準》所定義的鞭梢結構。當建筑物鞭梢結構一階自振頻率與整體結構自振頻率相等，且與地面擾頻相近時，會產生較強烈的鞭梢效應，給建筑物造成較大破壞。本次監測到的數據表明，科技樓X、Y、Z三個方向的一階振動頻率主要集中在2.5HZ。如果地面有一個和該頻率相同振動源時，就會產生共振且出現鞭梢效應。導致建筑物振動，桌椅、水杯晃動，人員頭暈，樓頂水塔搖晃等現象。

科技樓每天上午10:16分，下午17:53分別出現2次有感振動，振動速度、加速度、振幅成倍增加。但其各方向振動主頻變化不大。監測過程中發現，排空水塔能推遲有感振動時間。最大振動部位為科技樓樓頂水塔，6、7層振動幅度大，振感比較明顯。但振動源還需進一步研究分析判明。鄰近建筑物近10天監測數據變化不大。

科技樓每天的2次有感振動，而相鄰建筑物沒有明顯的振動，說明這兩個時間段內有某個外界振源與科技樓發生共振，因鞭梢效應，第6、第7層振動幅度大，振感比較明顯。從相關監測數據分析，可以判斷科技樓發生了建筑物共振現象。6層、7層與某個振動源發生了諧振，判據為：

（1）從振動頻譜看，科技樓6、7層發生大幅度振動時，通過快速傅里葉變換（FFT）發現，振動頻率基本無變化，主頻為2.5HZ

（2）科技樓有感覺的振動和無感振動頻譜基本吻合。只是在共振時，振動能量大幅度陡然增加而已。

（3）建筑物發生共振的時候，某個方向振動能量迅速增大，其他方向變化不明顯。在對本建筑物監測中，共振效應發生之時，建筑物東西方向振動分量驟然增加，但南北方向和垂直方向振動分量變化較小。這說明振動的傳播和效應與建筑物的外形幾何尺寸也有很大的關系。而且共振波形非常有規律，有明顯規則的正弦波包絡線。為判斷建筑物是否發生共振提供一定的依據。

5 振動源查找

在相關數據表明建筑物發生共振后，找到引起共振的起源就很重要。假若振動源產生在地表，則地表振動與樓頂振動在時間、空間上必有對應關系。振動波能量隨著樓層的增加而增加，發生明顯的辮梢效應。

為此我們分析，科技樓產生共振時，周圍應有一個頻率為2.5HZ的振源存在。經過調查未發現附近有打樁、爆破、機械施工、重型車輛通過的情況。科技樓每天準時出現2次短暫的共振，可以排除自然界風雨雷電等隨機因素，科技樓與學校或者公共場合不同，不存在人流大幅度增減或者集中活動的現象，樓層負荷也比較穩定。

在經過長時間調查之后，我們發現，建筑物發生共振的時間與某列車經過時間幾乎完全一致，都在每天早晨10:15-10:16分之間，下午17：52-17:54分之間通過。共振時間與列車通過時間基本一致。這兩趟列車有8節，屬于老式內燃機車，通過時間在20～25s之間。后經大量的監測數據對比分析，可以判斷火車是該建筑物的振動源。振動源與建筑物二者直線距離約1km左右。該部位地表垂直向振動分量遠高于地表水平兩個方向振動分量。從列車通過時距離軌道邊10m典型振動波形可以清晰看出火車輪子跨縫時所產生的振動。

6 共振效應消除

檢測并判定建筑物發生共振效應后，我們所面臨的就是消除該破壞性共振問題。由于振動源來自于城內列車，要消除或改變該振動源是不可能的，因此只有從改變建筑物自身振動頻率來達到目的。

在檢測過程中，我們發現一個有趣的現象，即凡是節假日，建筑物振動效應就很小。這說明建筑物負載變化，自振頻率就會隨之改變，從而抑制共振現象的發生。

該建筑物經過數次大規模改造，地下又開挖了大型停車場，要改變其結構已經非常困難。但是屋頂有一個玻璃鋼圓形水箱，容量為4m3，加水后連基座約有5000kg質量。水塔底座焊接有兩條工字鋼，工字鋼架設在屋頂兩條橫梁之上與建筑物連成一體。在進行振動檢測時，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象。

2009年底，有關部門拆除了頂層水箱，此后該建筑再沒有發生有感振動，這說明共振現象減弱或消失，也說明該方法行之有效。

7 結語

任何建筑物都有自己固有的基本振動頻率，建筑物在建造時均考慮到了抗震結構和地基的卓越周期，以避免共振效應對建筑物的損傷與破壞。然而建筑物在使用期間，會發生一定變化，常見的有以下幾種：

第一為環境變化。如周邊打樁、爆破、重型交通工具經過、風力變化。

第二為自身變化。抗震加固，加高加層，為新增的功能，因而改變了建筑物內部或者外部結構。

第三為建筑物使用功能變化。如建筑物內部重型設備搬遷、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或永久性改變建筑物的自振頻率，一旦發生共振的各種條件改變，會影響建筑物本身正常使用。

本次測試及研究表明：

（1）建筑物在空間三個方向振動分量都存在卓越周期。但是本文研究結果顯示，共振效應發生的時候，并不是三個方向分量的振動能量都會增加。本次所測試的建筑物發生共振的時候，水平某方向剪切振動增大倍數遠大于垂直方向振動，而且共振波形相當有規律而不是雜亂無章。

（2）有關資料顯示和本次測試表明，首先較遠的振動源依然能夠對建筑物產生作用，因此，在查找振動源時，要擴大查找范圍。其次，在發生共振的建筑物附近地面和建筑物底層是難于檢測到振動波形的，由于鞭梢效應的作用，微弱振動源能引起建筑物上層建筑發生較大振動，因此，在地面檢測不到振動的時候，不能產生誤判。

（3）要避免建筑發生共振現象。在建筑物（特別是高層建筑）進行大規模裝修、改造、加固和改變使用功能等情況下要加強論證，采取措施，以避免建筑物自身頻率改變，產生共振條件，留下安全隱患。

（4）在建筑物發生共振現象后，如果振動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，破壞共振效應產生的條件，從而達到穩定和增強建筑物安全性的目的。

（5）列車造成的振動較大，其低頻信號可以傳播較遠距離。隨著我國城市軌道交通（地鐵、輕軌、城際列車等）的大規模建設，列車對環境、建筑物的影響日益擴大，該信號的傳播機理以及與地質結構的相互關系，是我們下一步工作與研究的主要目標之一。

（6）目前我國對振動安全性的判據為質點振動速度，在實際運用中，求加速度以及振幅需要進行微分和積分運算。如果檢測的時候使用加速度檢波器（傳感器），將對質點振動的能量計算比較方便有利。

在生活中發生共振導致建筑物損壞的現象很少，本文只是從一個發生在身邊事例，利用監測手段觀測建筑物在發生共振時不同方向、不同樓層以及鄰近建筑物振動變化情況，進一步查找振源，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謹或有誤，請給予指正。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.014

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1672-2469（2014）02-0051-03

王國瀅（1964年— ），男，高級工程師。