小高层建筑物共振现象的检测及治理实例

杨选

摘要： 本文以某大厦为实例，对小高层建筑物共振危害进行检测，并给出初步的治理建议。

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.

关键词： 小高层建筑物；共振；检测；治理

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

中图分类号：TU435 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）03-0063-03

0 引言

某大厦位于平康路某路段，由新旧楼组合而成。旧楼建于1992年，桩基础是采用灌注桩；新楼建于2006年10月份，桩基础是采用液压打桩，为框架结构8层小高层建筑结构物，建筑面积为3731.4平方米。该建筑物的东面约50m内有一座13层高的办公大楼至500m范围内有三到五层的私人住宅；南面约500m范围内有三到五层的私人住宅，较远处有一建筑工场；西面约500m范围内有三到五层的私人住宅；北面有是50m宽的双向车道——平康路，以小型车辆和公交车较多。

自2000年拆除部份内墙改为商业办公楼后，开始发现有轻微的振动。其振动的情况如下：①人在办公楼内每天都感到振动。当人坐在座位上，双手平放在桌上的时候有时整个人的手、脚同时感觉振动而且比较大，使人觉得害怕的感觉；②这种情况已持续较长时间，直到最近两三个振动特别大；③偶尔在振动同时还能听到天花板轻微声响。

初步判断这是典型共振现象，目前对共振引起的灾害的报道较多，但缺乏系统有效的检测和治理方案。本文将以该大厦为例对共振灾害的检测和治理做初步的探讨。

1 检测系统设计

为对典型共振震害进行有效的治理，需要测定出引起共振的频率及振动强度。因此特别选用了BKD-2B型流动地震仪和TC-4850A爆破测振仪转用振动测试设备，BKD-2B型流动地震仪主要记录25Hz以下的振动信号，TC-4850A爆破测振主要记录5到500Hz的振动信号，EDAS-24IP数据采集器，和笔记本电脑等。

首先，以OXY表示地面，以OYZ表示旧大楼东面外墙面，以OZX表示旧楼楼梯中间平分上行梯和下行梯的实际面所在的平面，此坐标系的OZ与地面垂直，规定：OZ轴向上的方向为正，OX轴的正向为方位角为80.26°的方向，OY轴的正向为方位角为350.26°的方向。

在此坐标系下具体的测点分布如图1所示，详细坐标见表1。在表1中的位置架设仪器，其中L开头的测点架设BKD-2B仪器采用連续记录的方式记录，T开头的点采用TC-4850A仪器采用触发式记录，触发参数为0.05cm/s。

2 检测到的数据处理结果

2.1 大厦所处微振动环境

选用L04（远离平康路）和L07（靠近平康路）检测点按地脉动测试规程，测试大厦所处微振动环境。得到L04检测点垂直向的优势频率为： 11.0781Hz；南北向是：1.8433Hz（第一峰值）和10.4Hz（第二峰值）；东西向是1.5224Hz（第一峰值）和10.738Hz（第一峰值），详见图2；L04检测点垂直向的主频为11.4391Hz；东西向为1.50Hz（第一峰值）和10.0Hz（第二峰值），南北向为1.829 Hz（第一峰值）和 11.55 Hz（第二峰值）。总体来看：无大楼影响的周围地面的振动环境，垂直向谱的特点是单峰值，优势频率11Hz左右；两个水平方向，双峰值特征较明显，第一峰值对应的频率在1.55Hz到1.85Hz之间，第二峰值对应的频率在与垂直方向的优势频率相差不大。

2.2 各测点录得的典型振动信号及特征

各测点记录的波形，相似程度较高，从其中抽取几个来进行频谱分析，得出其频谱特征如下：典型事件的UD向的优势频率平均为10.70Hz；EW向的第一峰值对应的频率平均为1.84Hz，第二峰值对应的频率为10.64Hz；NS向的第一峰值对应的频率平均为1.63Hz，第二峰值对应的频率为11.27Hz，详见图3和表2。

3 大厦内振动信号的时空分布特征

按照所设计观测系统对大楼振动信号进行追踪观测的结果，可归纳出大楼的振动有以下特征：

3.1 时间分布特征

在L02检测点长时间的连续记录图上（见图4）有显明的有较规则周期性的振动信号存在。这种振动信号白天（05：30左右到22：00左右）频次较高强度也较大且比较规则，夜间（23：00左右到05：30左右）周期性不强频次相对较低，值得注意的是，之间的过渡并非是突然过渡，而是有个缓慢增多持续较多再缓慢减少持续较少的过程。对周期性较强的白天振动信号（见图5）进行分析测量得到，其平均周期大约是2分14秒。

3.2 空间分布特征

3.2.1 垂直（各楼层）分布特点

从测量结果看（图6）：约97%的事件都是Z分量最强，若我们以大于等0.05cm/s（按冶金部的划定超过此值可能有轻微的振动感觉）的事件来统计，则旧楼第一层仅录得1次；第二层测量时间较短不考虑；第三层录得2次；第四层3次，第五层录得27次；第六层录得28次；第七层录得21次；第八层录得14次；第九层（八楼顶）录得12次。明显第6层频次高。

3.2.2 水平分布（同一楼层）特点

从频次高第6层的测量结果看（图7）：在T23检测点即旧大楼西北角落的频次最高为35次；在T22检测点即旧大楼西南角落的频次较高为22次；而在旧楼的其它两个角落靠平康路较近的T24为6次，远离平康路的T21仅一次，位于旧楼中部且靠电梯较近的T25检测点在检测时间段内并没记录到有超过0.05cm/s的事件。在新楼上的三个检测点仅T19有1次，有可是偶然因素触发。endprint

4 检测结论

①该大厦新旧楼及周边都记录到周期约2分14秒的振动信号，其主频在11Hz左右，在新楼上测量到的强度较弱，在旧楼上测量到的强度较强。旧楼内工作人员感觉到的摇晃确实存在对应振动信号，该振动垂直方向最为强列，此方向上的优势频率平均为10.70Hz，初步认定最大烈度为Ⅲ。

②从现场的检结果分析出的大楼振动特征分布，再结合现场技术人员的查勘结果，基本上可以判断引起大楼振动的可疑振源，不会在大楼内部。通过现场调查在大厦周围1km范围内多是居民区，无大型冲压锻造机床。再根据对可疑振动源的专项追踪检测基本可以确定引走大楼振动的“罪魁祸首”是马路上行驶的车辆，而红绿灯则是“罪魁祸首”的指挥者，正是因为有红绿灯的指挥才使得独来独往的中小型车辆步调一致地对路面产生造成巨大的冲击，并还具有一定的周期性。在步调一冲致的击产生的振动在还没有衰减到足够“安全”的情況下，又被经过地基土层后传入大楼，与旧楼的地基土层或是大楼固有频率相接近的振动息号被放大，即发生共振。

5 治理建议

一般情况，公路交通振动传至距路边30m左右便不会有太大的影响，传至50m便可安全，本案例首先是平康路基距大楼不足15米，在公路上通行的车辆产生的振还没有衰减到安全范围；此外，振动传到旧大楼基础时，与地基土层和大楼的固有频率相同的成份又被地基土层和大楼的放大，即发生共振现象。鉴于路与大楼的位置已是既成事实无法改变，若通过在传播途中加减振沟来加快振动信号的衰减，施工困难耗资巨不太现实。因此我们建议可采取以下两个途径进行治理：

5.1 改变建筑物的固有周期

一般建筑的固有周期可按T=kH/sqrt（b）的经验来估算，式中k为根据房屋结构型式及地基土而定的系数，b为房屋的宽度，H为房屋的高度。改变大楼的宽度较困难，但改变大楼的高度比较易适现。此外据日本的经验，在高度H和宽度b不变时，也可通过增加单位面积的墙率来改变k的取值，从而改变大楼的固有周期，一般墙率不大于7cm/m2时，k=0.13；墙率为7～l2cm/m2时，k=0.91；墙率为l2cm/m2时，k=0.07。

5.2 采用目前最先进的隔振技术

该技术是在大楼基础或大楼的部位置加隔震橡胶垫来减弱输入大楼的振动强度。

参考文献：

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[6]周福霖.工程结构减震控制[M].地震出版社，1997-4-1.endprint