基于結(jié)構(gòu)共振理論的建筑物拆除新思路

楊晨

摘 要：隨著城市化進(jìn)程的加快和舊城改造和新區(qū)建設(shè)的需要，房屋拆遷在當(dāng)今時代以及未來，必然是一個熱門的話題。該文針對建筑物拆除過程中傳統(tǒng)方法的不足，提出了利用共振器給舊建筑施加與結(jié)構(gòu)體系自振頻率相同的外荷載使其發(fā)生破壞的新技術(shù)以達(dá)到可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，并且共振拆除的建筑物倒塌后解體效果好，有利于實(shí)現(xiàn)資源的回收再利用，如此類綠色環(huán)保的拆除方式在今后必將成為主流。

關(guān)鍵詞：共振 框架結(jié)構(gòu) 自振頻率 可持續(xù)

中圖分類號：TD235 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（b）-0043-02

New ideas of dismantling the structure of buildings based on Resonance Theory

YANG Chen

College of civil engineering Shandong University of Science and Technology Shandong Qingdao 266510

Abstract：along with the city to speed up the process and the transformation of the old city and new construction of housing units in the modern era， and notHere， it is a hot topic. Aiming at the shortcomings of traditional methods of building demolition process， proposes the use of resonanceThe old building is to apply new technology self vibration frequency of the same external loads and structural system. The failure to achieve sustainable developmentDevelopment strategy of disintegration， good effect and resonance demolished buildings collapsed， is conducive to recovery and reuse the resources，Such green removing way in the future will become the mainstream.

Keywords：resonance frame structure vibration frequency sustainable

1 傳統(tǒng)方法存在的問題

隨著社會的不斷發(fā)展，城市改造中需要拆除大量的廢舊建筑物，建筑物的拆除已成為全球建筑行業(yè)和爆破界的焦點(diǎn)。由于目前城市高層建筑物結(jié)構(gòu)類型多樣，拆除方法也不盡相同，國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)有爆破法、人工拆除法、重力錘沖擊破壞拆除法、切割拆除法、靜態(tài)膨脹劑破碎法等，其中最常用要數(shù)爆破法，但由于如今爆破法的理論落后于經(jīng)驗(yàn)，爆破工程設(shè)計(jì)不嚴(yán)密，技術(shù)不夠完善，建筑物拆除過程中發(fā)生過很多危險事故。除了安全問題，爆破法還會有一系列的負(fù)面效應(yīng)，諸如爆破飛石、超壓氣流、爆破噪聲、爆破有害氣體、塌落區(qū)占地空間大影響交通等問題。因此拆除爆破在有些國家很難獲得批準(zhǔn)，在日本拆除爆破受到來自民間和政府的抵制。

鑒于上述原因，尋求安全環(huán)保的建筑物拆除方式成為必要。本文提出了一種基于建筑結(jié)構(gòu)振動理論，利用共振器拆除建筑物的方法。

2 共振的定義與運(yùn)用

共振是物理學(xué)上的專業(yè)術(shù)語，對于一個振動系統(tǒng)，當(dāng)外加策動力的頻率與系統(tǒng)本身的自振頻率相近或相同時，系統(tǒng)受迫振動的振幅將趨于最大值，這種現(xiàn)象叫做共振。美國發(fā)明家特斯拉曾將一個共振器夾在一根鋼梁上，慢慢地，這根鋼梁開始強(qiáng)烈顫抖并延伸至整座鋼骨結(jié)構(gòu)樓房，到最后連整個結(jié)構(gòu)都開始吱吱作響。

共振現(xiàn)象被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，比如共振法打樁，在修建橋梁時需要把管柱插入江底作為基礎(chǔ)，如果使打樁機(jī)打擊管柱的頻率跟管柱的固有頻率一致，管柱就會發(fā)生共振而激烈振動，使周圍的泥沙松動，管柱就較容易克服泥沙的阻力下插到江底。同樣，巧妙利用共振能給建筑物拆除帶來優(yōu)于以往拆除技術(shù)的總體效果。

3 共振拆除的原理與應(yīng)用

現(xiàn)在大多數(shù)建筑物采用框架結(jié)構(gòu)體系，下面用框架模型對共振拆除方法做具體分析。框架結(jié)構(gòu)是一個空間受力體系。在框架結(jié)構(gòu)中，梁、柱承擔(dān)全部的荷載，框架間的填充墻只起圍護(hù)和隔斷作用，除承受自重荷載外，不起承重作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，為方便起見，常常忽略結(jié)構(gòu)縱向和橫向之間的空間聯(lián)系，一般取出中間有代表性的一榀框架進(jìn)行分析即可。

3.1 原理

建立建筑物的結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用結(jié)構(gòu)動力學(xué)計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)的自振頻率，在梁端和柱端選定的位置安裝固定共振器，利用共振器給結(jié)構(gòu)施加同頻率的水平策動力，使結(jié)構(gòu)達(dá)到共振以致破壞。當(dāng)然這個共振頻率應(yīng)避開地面振動的卓越周期，否則會波及周邊較大范圍內(nèi)其他重要物體的安全。用秋千作類比就是蕩秋千的人可以重達(dá)兩百磅，而幫助推秋千的是個弱小孩子，推力只有一磅。但是如果他推秋千的時間和秋千飛離他的時間正好重合，而且每次都施加一磅力，那么到最后非住手不可，否則坐秋千的人甚至?xí)凰Φ骄畔鲈仆狻?/p>

3.2 模型計(jì)算（以兩層框架為例）

已知第一層樓面和屋面的質(zhì)量分別為m1、m2，第一層和第二層的層間剪切剛度分別為k1、k2。

計(jì)算結(jié)構(gòu)的剛度系數(shù)，如圖1：

求解頻率方程得自振頻率：endprint

3.3 實(shí)施措施

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高層建筑物具體措施共振拆除時，可先進(jìn)行預(yù)處理打掉非承重的隔墻然后再安裝共振器激振建筑結(jié)構(gòu)使其破壞，所用的共振器可用發(fā)動機(jī)提供足夠的動力。而對于框架剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑物而言，同樣宜先進(jìn)行預(yù)拆除，可以使用人工大錘或者風(fēng)鎬按照拆除方案進(jìn)行預(yù)切斷，每層剪力墻的預(yù)拆除高度不得小于1.0 m，為了預(yù)防剪力墻四周掏空而整體下落，保留了2 m左右寬度的墻柱，通過這樣的處理，剪力墻變?yōu)槿舾蓚€立柱，之后通過安裝共振器給殘余的結(jié)構(gòu)施加同頻率的策動力致使其破壞。

拆除時為了保護(hù)附近的建筑物，降低其受到結(jié)構(gòu)體倒塌引起的地面震動的影響，可以在拆除區(qū)周圍挖若干條一定深度和寬度的溝槽，構(gòu)成固體與氣體的分界面使振源所產(chǎn)生的應(yīng)力波由分界面反射回去。為確保該區(qū)域地下管線不受損，在建筑物塌落范圍內(nèi)，用建筑垃圾鋪設(shè)墊層。此外還采取搭設(shè)防護(hù)墻控制飛石、建筑物灑水控制煙塵等工程控制措施保證建筑物拆除安全達(dá)到理想的效果。

4 共振拆除的優(yōu)點(diǎn)

共振拆除方法比以往拆除技術(shù)更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全。此法可以控制和減少拆除爆破建筑物產(chǎn)生的爆破噪聲和爆破有害氣體對環(huán)境的影響。而且，這種方法中間環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換少，能量利用率較高，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

另外，共振拆除利于部分資源的回收，傳統(tǒng)的拆除方法作用于整體性好的框架或框剪結(jié)構(gòu)時，建筑物倒塌后解體較差，，常成為橫臥的逐層堆積體，增加了對建筑垃圾處理工序中初分、破碎、篩分的工作量和相關(guān)的費(fèi)用投入。而在共振拆除過程中的混凝土被破壞得更徹底，這有利于鋼筋和混凝土進(jìn)行較好的分解，以便對鋼筋進(jìn)一步的清理，使建筑垃圾的回收更方便。

在理論設(shè)計(jì)上，此方法突破傳統(tǒng)的主要承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)原理從建筑物空間整體結(jié)構(gòu)出發(fā)使結(jié)構(gòu)由一個幾何不可變體系轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀慰勺凅w系，利用共振器拆除建筑物的原理簡單明了，拆除前的預(yù)處理精度要求不像傳統(tǒng)的爆破手段那么高，對從業(yè)人員來說比較容易控制和掌握。此種方法不局限于樓房的拆除，還能推廣至橋梁等構(gòu)筑物的拆除，在未來會成為綠色拆遷的主流。

5 結(jié)語

綜觀國內(nèi)外拆除爆破的研究進(jìn)展，不難發(fā)現(xiàn)拆除爆破的發(fā)展正經(jīng)歷著由經(jīng)驗(yàn)到理論，由定性到定量的轉(zhuǎn)變。該文提出了一種基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)的拆遷方法使結(jié)構(gòu)共振破壞。但本技術(shù)還存在幾點(diǎn)不足，第一該技術(shù)未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，只是一個假想理論；再者，目前建筑物的結(jié)構(gòu)體系多樣，還需更深入地對各種體系進(jìn)行理論計(jì)算。上述方面還有待于繼續(xù)研究。但在將來，隨著研究地深入，該技術(shù)會得到普遍推廣與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪旭光，于亞倫.21世紀(jì)的拆除爆破技術(shù)[J].工程爆破，2000（1）.

[2] 徐書雷，鄭學(xué)召，王小林，等.淺述國內(nèi)外拆除爆破現(xiàn)狀[J].爆破，2003（2）.

[3] 段寶福，畢衛(wèi)國，高文樂，等.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高層建筑物的爆破拆除[J].爆破器材，2007（4）.

[4] 包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].3版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010.endprint

3.3 實(shí)施措施

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高層建筑物具體措施共振拆除時，可先進(jìn)行預(yù)處理打掉非承重的隔墻然后再安裝共振器激振建筑結(jié)構(gòu)使其破壞，所用的共振器可用發(fā)動機(jī)提供足夠的動力。而對于框架剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑物而言，同樣宜先進(jìn)行預(yù)拆除，可以使用人工大錘或者風(fēng)鎬按照拆除方案進(jìn)行預(yù)切斷，每層剪力墻的預(yù)拆除高度不得小于1.0 m，為了預(yù)防剪力墻四周掏空而整體下落，保留了2 m左右寬度的墻柱，通過這樣的處理，剪力墻變?yōu)槿舾蓚€立柱，之后通過安裝共振器給殘余的結(jié)構(gòu)施加同頻率的策動力致使其破壞。

拆除時為了保護(hù)附近的建筑物，降低其受到結(jié)構(gòu)體倒塌引起的地面震動的影響，可以在拆除區(qū)周圍挖若干條一定深度和寬度的溝槽，構(gòu)成固體與氣體的分界面使振源所產(chǎn)生的應(yīng)力波由分界面反射回去。為確保該區(qū)域地下管線不受損，在建筑物塌落范圍內(nèi)，用建筑垃圾鋪設(shè)墊層。此外還采取搭設(shè)防護(hù)墻控制飛石、建筑物灑水控制煙塵等工程控制措施保證建筑物拆除安全達(dá)到理想的效果。

4 共振拆除的優(yōu)點(diǎn)

共振拆除方法比以往拆除技術(shù)更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全。此法可以控制和減少拆除爆破建筑物產(chǎn)生的爆破噪聲和爆破有害氣體對環(huán)境的影響。而且，這種方法中間環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換少，能量利用率較高，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

另外，共振拆除利于部分資源的回收，傳統(tǒng)的拆除方法作用于整體性好的框架或框剪結(jié)構(gòu)時，建筑物倒塌后解體較差，，常成為橫臥的逐層堆積體，增加了對建筑垃圾處理工序中初分、破碎、篩分的工作量和相關(guān)的費(fèi)用投入。而在共振拆除過程中的混凝土被破壞得更徹底，這有利于鋼筋和混凝土進(jìn)行較好的分解，以便對鋼筋進(jìn)一步的清理，使建筑垃圾的回收更方便。

在理論設(shè)計(jì)上，此方法突破傳統(tǒng)的主要承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)原理從建筑物空間整體結(jié)構(gòu)出發(fā)使結(jié)構(gòu)由一個幾何不可變體系轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀慰勺凅w系，利用共振器拆除建筑物的原理簡單明了，拆除前的預(yù)處理精度要求不像傳統(tǒng)的爆破手段那么高，對從業(yè)人員來說比較容易控制和掌握。此種方法不局限于樓房的拆除，還能推廣至橋梁等構(gòu)筑物的拆除，在未來會成為綠色拆遷的主流。

5 結(jié)語

綜觀國內(nèi)外拆除爆破的研究進(jìn)展，不難發(fā)現(xiàn)拆除爆破的發(fā)展正經(jīng)歷著由經(jīng)驗(yàn)到理論，由定性到定量的轉(zhuǎn)變。該文提出了一種基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)的拆遷方法使結(jié)構(gòu)共振破壞。但本技術(shù)還存在幾點(diǎn)不足，第一該技術(shù)未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，只是一個假想理論；再者，目前建筑物的結(jié)構(gòu)體系多樣，還需更深入地對各種體系進(jìn)行理論計(jì)算。上述方面還有待于繼續(xù)研究。但在將來，隨著研究地深入，該技術(shù)會得到普遍推廣與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪旭光，于亞倫.21世紀(jì)的拆除爆破技術(shù)[J].工程爆破，2000（1）.

[2] 徐書雷，鄭學(xué)召，王小林，等.淺述國內(nèi)外拆除爆破現(xiàn)狀[J].爆破，2003（2）.

[3] 段寶福，畢衛(wèi)國，高文樂，等.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高層建筑物的爆破拆除[J].爆破器材，2007（4）.

[4] 包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].3版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010.endprint

3.3 實(shí)施措施

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高層建筑物具體措施共振拆除時，可先進(jìn)行預(yù)處理打掉非承重的隔墻然后再安裝共振器激振建筑結(jié)構(gòu)使其破壞，所用的共振器可用發(fā)動機(jī)提供足夠的動力。而對于框架剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑物而言，同樣宜先進(jìn)行預(yù)拆除，可以使用人工大錘或者風(fēng)鎬按照拆除方案進(jìn)行預(yù)切斷，每層剪力墻的預(yù)拆除高度不得小于1.0 m，為了預(yù)防剪力墻四周掏空而整體下落，保留了2 m左右寬度的墻柱，通過這樣的處理，剪力墻變?yōu)槿舾蓚€立柱，之后通過安裝共振器給殘余的結(jié)構(gòu)施加同頻率的策動力致使其破壞。

拆除時為了保護(hù)附近的建筑物，降低其受到結(jié)構(gòu)體倒塌引起的地面震動的影響，可以在拆除區(qū)周圍挖若干條一定深度和寬度的溝槽，構(gòu)成固體與氣體的分界面使振源所產(chǎn)生的應(yīng)力波由分界面反射回去。為確保該區(qū)域地下管線不受損，在建筑物塌落范圍內(nèi)，用建筑垃圾鋪設(shè)墊層。此外還采取搭設(shè)防護(hù)墻控制飛石、建筑物灑水控制煙塵等工程控制措施保證建筑物拆除安全達(dá)到理想的效果。

4 共振拆除的優(yōu)點(diǎn)

共振拆除方法比以往拆除技術(shù)更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全。此法可以控制和減少拆除爆破建筑物產(chǎn)生的爆破噪聲和爆破有害氣體對環(huán)境的影響。而且，這種方法中間環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換少，能量利用率較高，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

另外，共振拆除利于部分資源的回收，傳統(tǒng)的拆除方法作用于整體性好的框架或框剪結(jié)構(gòu)時，建筑物倒塌后解體較差，，常成為橫臥的逐層堆積體，增加了對建筑垃圾處理工序中初分、破碎、篩分的工作量和相關(guān)的費(fèi)用投入。而在共振拆除過程中的混凝土被破壞得更徹底，這有利于鋼筋和混凝土進(jìn)行較好的分解，以便對鋼筋進(jìn)一步的清理，使建筑垃圾的回收更方便。

在理論設(shè)計(jì)上，此方法突破傳統(tǒng)的主要承載結(jié)構(gòu)失穩(wěn)原理從建筑物空間整體結(jié)構(gòu)出發(fā)使結(jié)構(gòu)由一個幾何不可變體系轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀慰勺凅w系，利用共振器拆除建筑物的原理簡單明了，拆除前的預(yù)處理精度要求不像傳統(tǒng)的爆破手段那么高，對從業(yè)人員來說比較容易控制和掌握。此種方法不局限于樓房的拆除，還能推廣至橋梁等構(gòu)筑物的拆除，在未來會成為綠色拆遷的主流。

5 結(jié)語

綜觀國內(nèi)外拆除爆破的研究進(jìn)展，不難發(fā)現(xiàn)拆除爆破的發(fā)展正經(jīng)歷著由經(jīng)驗(yàn)到理論，由定性到定量的轉(zhuǎn)變。該文提出了一種基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)的拆遷方法使結(jié)構(gòu)共振破壞。但本技術(shù)還存在幾點(diǎn)不足，第一該技術(shù)未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，只是一個假想理論；再者，目前建筑物的結(jié)構(gòu)體系多樣，還需更深入地對各種體系進(jìn)行理論計(jì)算。上述方面還有待于繼續(xù)研究。但在將來，隨著研究地深入，該技術(shù)會得到普遍推廣與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪旭光，于亞倫.21世紀(jì)的拆除爆破技術(shù)[J].工程爆破，2000（1）.

[2] 徐書雷，鄭學(xué)召，王小林，等.淺述國內(nèi)外拆除爆破現(xiàn)狀[J].爆破，2003（2）.

[3] 段寶福，畢衛(wèi)國，高文樂，等.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高層建筑物的爆破拆除[J].爆破器材，2007（4）.

[4] 包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].3版.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010.endprint