建筑振型：守護(hù)城市安全的“旋律”

相信大家都看到過(guò)建筑物在受到地震或風(fēng)力影響時(shí)，會(huì)出現(xiàn)東倒西歪的搖晃現(xiàn)象，即建筑物的振動(dòng)（建筑物在外力作用下的周期性運(yùn)動(dòng)）。而建筑物在振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的各種具體形態(tài)，被稱為建筑振型。我們可以把這些建筑振型想象成舞蹈的基本動(dòng)作。

下面就結(jié)合人體動(dòng)作展示一下最常見(jiàn)的三種建筑振型：

建筑物的每一種振型都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)屬于自己的頻率。每種振型的形態(tài)不同，所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率也不同，類(lèi)似音樂(lè)中各音階對(duì)應(yīng)的頻率不同——例如中央C對(duì)應(yīng)的頻率是261.63赫茲。地震時(shí)，由于地震波是一種混合頻率的能量，所以我們能觀察到的建筑物的振動(dòng)其實(shí)是由多種振型疊加的效果，其中主要是前面所講的這三種常見(jiàn)振型的混合。越高階的振型對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率越高，所需要的能量越大，越難出現(xiàn)。這就像我們可以很容易地做到身體前傾或鞠躬，但要擺出“S”造型，就需要努力一下才可能做到。

建筑振型對(duì)于建筑物的抗震、減震設(shè)計(jì)有什么意義呢？在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于高層建筑、復(fù)雜建筑進(jìn)行詳細(xì)的振型分析必不可少，這有助于發(fā)現(xiàn)建筑物潛在的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行加強(qiáng)和改造，比如通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)避免與地震波的主要頻率產(chǎn)生共振，其本質(zhì)是改變建筑固有頻率，從而抑制相應(yīng)振型被激發(fā)。這一點(diǎn)也可以從音樂(lè)理論中得到啟示，比如通過(guò)調(diào)節(jié)琴弦的松緊來(lái)改變其音調(diào)。

建筑振型對(duì)于我們的居住安全有什么意義呢？就像我們平時(shí)體檢所做的心電圖項(xiàng)目，醫(yī)生通過(guò)觀察心跳的頻率和波形來(lái)判斷我們是否健康。同理，建筑物每遇一次地震或臺(tái)風(fēng)之后，工程師可以通過(guò)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)建筑物的振型發(fā)生了什么變化，就像給大樓“聽(tīng)診”，了解其建筑結(jié)構(gòu)是否安全、是否有損傷，相當(dāng)于給建筑物做一次體檢。

現(xiàn)今的城市建設(shè)中，建筑安全越來(lái)越依賴超高層結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全國(guó)已有近千棟建筑安裝了這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)利用北斗增強(qiáng)基站、結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)一體機(jī)、單分向加速度計(jì)等傳感器，對(duì)位移、沉降、加速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集測(cè)量，最終形成振動(dòng)狀態(tài)反應(yīng)圖譜，并與建筑物之前的狀態(tài)作對(duì)比，從而判斷其振型是否有改變，進(jìn)而對(duì)建筑物的狀態(tài)生成最終評(píng)估。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就像保護(hù)建筑物安全的忠實(shí)衛(wèi)士，用科學(xué)數(shù)據(jù)守護(hù)千家萬(wàn)戶。