建筑物共振效应检测以及解决方法探讨

王国滢 张 宇

建筑物共振效应检测以及解决方法探讨

王国滢 张 宇

（中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院 云南昆明 650031）

本文主要阐述了建筑物发生共振的现象以及检测方法，并针对发生共振的某建筑物提出解决问题的办法。由于目前有关建筑物共振研究资料并不多见，本文所取得的结论对类似项目的振动检测、问题解决可能具有一定参考作用。

建筑物 共振 场地卓越周期 辫梢效应 检测

引言

在人们一般的印象中，地面建筑只要符合设计规范，基础满足承载力等相关设计要求，建筑物就应该是安全和稳固的。实际上，地表存在较多的振动源，如机械振动等,建筑物本身也按一定规律在自振(固有振动频率)，如果建筑物自振和其他振动源发生共振，建筑物振动幅度、能量会迅速增加，对建筑物结构造成破坏，形成安全隐患或造成安全事故。建筑物发生共振的报道近年来在媒体上也有报道，因此，检测建筑物以及消除建筑物的共振效应，是工程物探检测面临的新挑战。

1 背景

某单位科技楼建成于20世纪80年代初期，为普通框架结构。迄今经过3次大改造和装修，第7层为加层。科技楼经过装修，第六、七层小隔间拆除墙壁改成了大开间。楼顶水塔原为方形箱式，后改为球形玻璃钢结构。楼顶水塔放置在科技楼西侧，以工字钢悬空架设在7楼顶两条南北向承重梁上，结合面无紧固连接，水塔满载自重超过4t，高3m。

据有关人员介绍，科技楼在四川5.12地震之前没有任何异常情况，之后经常发生人员有感觉的振动，从周一到周五每天早上10：16分准时出现有感觉的振动，下午17：53左右也会偶然出现类似振动，但不准时。具体表现为桌椅、水杯晃动，人员头晕,该建筑物顶层外装修贴面墙砖甚至有局部脱落现象，而同一院内相邻建筑物（间距约10m）却未见类似情况。

2 现场检测

针对上述现象，检测中心专门组织人员设备对科技楼及周边环境实施了振动监测。有关数据表明，科技楼的确存在异常的振动现象。

2.1检测目的

（1）查明建筑物发生振动的部位，以及振动的主要方向、波幅、频率和振动速度。

（2）建筑物纵向、水平切向、水平径向各方向振动情况以及最大振动部位。

（3）每天24小时连续监测，查明振动发生的时段及规律，进一步确定（寻找）振动源。

（4）根据监测结果判断建筑物振动原因以及找到解决的办法。

2.2对比测试

（1）在建筑物人流量较大和较少的情况下对比监测振动情况。具体在夜间/白天、节假日/工作日检测。

（2）和邻近建筑物进行同步监测。

（3）在建筑物内不同楼层放置振动监测仪器，监测各楼层发生振动的情况。

2.3测点布置

（1）结构最薄弱环节布置。根据该建筑的情况，加层（七层）和原有顶层（六层）结合部位为薄弱点，在这些部位布置观测点，能够达到较好的效果。

（2）最大振动点检测。建筑物发生振动时，其顶部由于鞭梢效应（即，较小的振动由底部传递到建筑物顶部，则顶部的质点振动速度会被放大），一般会是质点振动速度最大的部位。如果顶部构建物质量较小，则这种振动效应更加明显。

（3）测点布置应注意以下两点：

①测点布置应该处于一个自下而上的检测断面上。

②在平面位置上根据几何中心和建筑物构造合理布置。

这样能够更加合理的从平面和高度变化上判断建筑物振动频率、振幅、质点振动速度。根据质点动力参数判断振动对建筑物的影响程度以及可能发生的变化，对比该建筑物与相邻建筑物的振动参数，寻找相互之间的关系。

3 测试仪器

采用TT-3A速度检波器和TC-4850振动记录仪开展测试。检波器采用TT-3A系列三轴向电磁式振动检波器和ZCC-202型速度检波器。

TT-3A型三分量振动速度型检波器和ZCC-202型速度检波器系列检波器为一弹簧质量系统，检波器中固定有磁钢，惯性质量（线圈组件）用弹性元件悬挂在壳体内部，当物体振动时，在检波器工作频率范围内，由于惯性，线圈与磁钢相对运动，切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值，检波器输出信号与烈度检测仪、振动监测仪相配接，即可显示振动速度，也可输送到信号采集器或其他的二次仪表，进行数据采集和测量。

4 测试结果

检测中心对科技楼实施了振动监测，获得振动数据近600M。设科技楼东西向为X，南北向为Y，垂直向为Z。检测数据表明，科技楼每天2次的振动时，质点振动加速度，幅度明显增加，最大的有数十倍（出现在楼顶水塔处），证明建筑物在共振作用下产生了“鞭梢效应”《工程抗震术语标准》对鞭梢效应定义为：在地震作用下，高层建筑或其他建（构）筑物顶部细长突出部分振幅剧烈增大的现象。

科技楼第7层为后加层，在加层设计时，考虑到建筑物安全以及基础承重，第7层设计为薄壁大跨度轻型结构。第6层为了装修把所有剪力墙全部拆除，改造成一体式大办公室。因此第7层完全可以视为《工程抗震术语标准》所定义的鞭梢结构。当建筑物鞭梢结构一阶自振频率与整体结构自振频率相等，且与地面扰频相近时，会产生较强烈的鞭梢效应，给建筑物造成较大破坏。本次监测到的数据表明，科技楼X、Y、Z三个方向的一阶振动频率主要集中在2.5HZ。如果地面有一个和该频率相同振动源时，就会产生共振且出现鞭梢效应。导致建筑物振动，桌椅、水杯晃动，人员头晕，楼顶水塔摇晃等现象。

科技楼每天上午10:16分，下午17:53分别出现2次有感振动，振动速度、加速度、振幅成倍增加。但其各方向振动主频变化不大。监测过程中发现，排空水塔能推迟有感振动时间。最大振动部位为科技楼楼顶水塔，6、7层振动幅度大，振感比较明显。但振动源还需进一步研究分析判明。邻近建筑物近10天监测数据变化不大。

科技楼每天的2次有感振动，而相邻建筑物没有明显的振动，说明这两个时间段内有某个外界振源与科技楼发生共振，因鞭梢效应，第6、第7层振动幅度大，振感比较明显。从相关监测数据分析，可以判断科技楼发生了建筑物共振现象。6层、7层与某个振动源发生了谐振，判据为：

（1）从振动频谱看，科技楼6、7层发生大幅度振动时，通过快速傅里叶变换（FFT）发现，振动频率基本无变化，主频为2.5HZ

（2）科技楼有感觉的振动和无感振动频谱基本吻合。只是在共振时，振动能量大幅度陡然增加而已。

（3）建筑物发生共振的时候，某个方向振动能量迅速增大，其他方向变化不明显。在对本建筑物监测中，共振效应发生之时，建筑物东西方向振动分量骤然增加，但南北方向和垂直方向振动分量变化较小。这说明振动的传播和效应与建筑物的外形几何尺寸也有很大的关系。而且共振波形非常有规律，有明显规则的正弦波包络线。为判断建筑物是否发生共振提供一定的依据。

5 振动源查找

在相关数据表明建筑物发生共振后，找到引起共振的起源就很重要。假若振动源产生在地表，则地表振动与楼顶振动在时间、空间上必有对应关系。振动波能量随着楼层的增加而增加，发生明显的辫梢效应。

为此我们分析，科技楼产生共振时，周围应有一个频率为2.5HZ的振源存在。经过调查未发现附近有打桩、爆破、机械施工、重型车辆通过的情况。科技楼每天准时出现2次短暂的共振，可以排除自然界风雨雷电等随机因素，科技楼与学校或者公共场合不同，不存在人流大幅度增减或者集中活动的现象，楼层负荷也比较稳定。

在经过长时间调查之后，我们发现，建筑物发生共振的时间与某列车经过时间几乎完全一致，都在每天早晨10:15-10:16分之间，下午17：52-17:54分之间通过。共振时间与列车通过时间基本一致。这两趟列车有8节，属于老式内燃机车，通过时间在20～25s之间。后经大量的监测数据对比分析，可以判断火车是该建筑物的振动源。振动源与建筑物二者直线距离约1km左右。该部位地表垂直向振动分量远高于地表水平两个方向振动分量。从列车通过时距离轨道边10m典型振动波形可以清晰看出火车轮子跨缝时所产生的振动。

6 共振效应消除

检测并判定建筑物发生共振效应后，我们所面临的就是消除该破坏性共振问题。由于振动源来自于城内列车，要消除或改变该振动源是不可能的，因此只有从改变建筑物自身振动频率来达到目的。

在检测过程中，我们发现一个有趣的现象，即凡是节假日，建筑物振动效应就很小。这说明建筑物负载变化，自振频率就会随之改变，从而抑制共振现象的发生。

该建筑物经过数次大规模改造，地下又开挖了大型停车场，要改变其结构已经非常困难。但是屋顶有一个玻璃钢圆形水箱，容量为4m3，加水后连基座约有5000kg质量。水塔底座焊接有两条工字钢，工字钢架设在屋顶两条横梁之上与建筑物连成一体。在进行振动检测时，不用仪器就能感到水箱在明显摇晃。因此，拆除水箱及塔座，改变自振频率，减小或消除建筑物共振现象。

2009年底，有关部门拆除了顶层水箱，此后该建筑再没有发生有感振动，这说明共振现象减弱或消失，也说明该方法行之有效。

7 结语

任何建筑物都有自己固有的基本振动频率，建筑物在建造时均考虑到了抗震结构和地基的卓越周期，以避免共振效应对建筑物的损伤与破坏。然而建筑物在使用期间，会发生一定变化，常见的有以下几种：

第一为环境变化。如周边打桩、爆破、重型交通工具经过、风力变化。

第二为自身变化。抗震加固，加高加层，为新增的功能，因而改变了建筑物内部或者外部结构。

第三为建筑物使用功能变化。如建筑物内部重型设备搬迁、迁移和人流量大幅度改变等。

以上3种情况均能在一定程度上暂时或永久性改变建筑物的自振频率，一旦发生共振的各种条件改变，会影响建筑物本身正常使用。

本次测试及研究表明：

（1）建筑物在空间三个方向振动分量都存在卓越周期。但是本文研究结果显示，共振效应发生的时候，并不是三个方向分量的振动能量都会增加。本次所测试的建筑物发生共振的时候，水平某方向剪切振动增大倍数远大于垂直方向振动，而且共振波形相当有规律而不是杂乱无章。

（2）有关资料显示和本次测试表明，首先较远的振动源依然能够对建筑物产生作用，因此，在查找振动源时，要扩大查找范围。其次，在发生共振的建筑物附近地面和建筑物底层是难于检测到振动波形的，由于鞭梢效应的作用，微弱振动源能引起建筑物上层建筑发生较大振动，因此，在地面检测不到振动的时候，不能产生误判。

（3）要避免建筑发生共振现象。在建筑物（特别是高层建筑）进行大规模装修、改造、加固和改变使用功能等情况下要加强论证，采取措施，以避免建筑物自身频率改变，产生共振条件，留下安全隐患。

（4）在建筑物发生共振现象后，如果振动源难于确定或者不能消除，可以尝试改变建筑物自身重量，改变自身自振频率，破坏共振效应产生的条件，从而达到稳定和增强建筑物安全性的目的。

（5）列车造成的振动较大，其低频信号可以传播较远距离。随着我国城市轨道交通（地铁、轻轨、城际列车等）的大规模建设，列车对环境、建筑物的影响日益扩大，该信号的传播机理以及与地质结构的相互关系，是我们下一步工作与研究的主要目标之一。

（6）目前我国对振动安全性的判据为质点振动速度，在实际运用中，求加速度以及振幅需要进行微分和积分运算。如果检测的时候使用加速度检波器（传感器），将对质点振动的能量计算比较方便有利。

在生活中发生共振导致建筑物损坏的现象很少，本文只是从一个发生在身边事例，利用监测手段观测建筑物在发生共振时不同方向、不同楼层以及邻近建筑物振动变化情况，进一步查找振源，提出解决方案。由于这方面资料不多，文中有些提法可能不够严谨或有误，请给予指正。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.014

TU3

B

1672-2469（2014）02-0051-03

王国滢（1964年— ），男，高级工程师。