建筑結構振動的“翩翩起舞”與“穩(wěn)若泰山”

1、遼 寧 科 技 大 學建筑結構抗震課程論文成績評定：總分格式要求10新穎性10關聯性10完整性10重復率10論文題目： 建筑結構振動的“翩翩起舞”與“穩(wěn)若泰山”學院、系： 土木工程學院結構系 專業(yè)班級： 結構12-2班 學生姓名： 李晶 2015年 5 月 8 日建筑結構振動的“翩翩起舞”與“穩(wěn)若泰山”摘要：隨著社會的發(fā)展和科技的進步，人們的生活水平不斷地提高，住房等建筑的適用性、安全性以及耐久性等方面日益受到關注。人類活動引起的樓板振動、交通車輛產生的振動、施工引起的振動、爆破拆除高大建筑物產生的振動以及大自然產生的地震所引起的巨大波動都會嚴重的影響建筑的安全性，進而影響我們的日常生活。好的

2、解決措施才能使人民的的人身、財產安全得到更好的保障。關鍵詞：建筑；振動；危害；措施Structural vibration of dance and steady TarzanSummary：With the development of society and the progress of science and technology, peoples living standards constantly improving, housing construction suitability, safety, and durability aspects of growing conce

3、rn. Floor vibration caused by human activities, traffic induced vibrations, vibration caused by construction and blasting vibration of tall buildings, as well as the world of large fluctuations caused by the earthquake will seriously affect the security of the building, thereby affecting our daily l

4、ives. Good solutions to peoples personal and property safety are better protected.Keywords：Building；vibration；hazard；measures前 言 振動危害是指人類活動引起的地面、爆破拆除建筑物以及交通車輛等引起的建筑的振動，其對人的生活和工作環(huán)境、建筑物安全甚至對人體健康都會產生巨大影響。除此之外大自然的力量也不可忽視，大自然所產生的震動，對建筑物的影響更加巨大。世界各國對城市區(qū)域環(huán)境振動已有明確規(guī)定,中國也有城市區(qū)域環(huán)境振動標準(GB10070-88),對適用于連續(xù)發(fā)生的穩(wěn)態(tài)振動、

5、沖擊振動和無規(guī)則振動,對各種區(qū)域按其對振動不同的要求劃分為6個等級,規(guī)定評價量為被測區(qū)域的鉛垂向振動量以及各個等級區(qū)域的環(huán)境振動控制標準。1、由人類活動引起的樓板振動在鋼結構樓蓋和人行橋的設計中，樓板的適用性、剛度和共振是主要考慮因素。對于鋼結構樓蓋，傳統(tǒng)的剛度準則限制由次梁或主梁支撐的抹灰后的頂棚由活荷載產生的撓度為跨度的1/360。這種限制，加上另一種對構件跨高比限制到24或是更小的限制，已被廣泛應用于鋼框架樓蓋系統(tǒng)的設計中，目的是控制振動，但效果有限，之前，共振在樓板和人行橋的設計中一直被忽視。大約30年以前，傳統(tǒng)的剛度準則能滿足由步行激勵引起的由鋼桁架支撐的樓蓋系統(tǒng)的振動問題。從那時起

6、,了解了許多關于步行產生的荷載函數和潛在的共振等問題。2、交通車輛引起建筑振動目前，我國城市建筑物的分布越來越密集，城市用地的緊張導致了在列車振動范圍內有大量建筑物存在。對此對我國幾個典型城市的調查結果表明,交通車輛引起的環(huán)境振動水平較高。根據鐵路部門的實測,距線路中心線30m附近的振動可達80dB，距線路越近，振動越大。鐵路沿線很多房屋內，列車經過時，人都能感到明顯振感。最近相關人員在我國某城市地鐵車輛段附近進行了現場測試,結果表明,當地鐵列車以1520km/h的速度通過時,地鐵正上方居民住宅的振動高達85dB,如果列車速度達到正常運行的70km/h時,其振級可能還要大得多。圖1 地鐵列車對

7、上方建筑的振動分析3、施工引起的振動地基土是半無限體的非完全彈性介質，施工振動產生的能量大部分以體波和面波的形式向周圍土層中擴散。地面振動對建筑物的影響從機理上分析是地基土在地震波形成的動荷載作用下其抗剪強度=tg+c減小?？辜魪姸鹊慕档停苯訉е录扔泄こ掏翆颖粍涌沽p少。當動荷載達到一定程度時,建筑物的基礎會不均勻沉降,結構非正常變形，于是建筑物破壞。另外對于飽和軟土，工程振動極易造成地基土液化，使其喪失或大幅度的降低其設計承載能力，加大了建筑結構的受力不合理性，當這種狀態(tài)超過結構的承受能力時也會導致建筑物的破壞。為保障建筑物尤其是古建筑和舊建筑的安全，有必要對施工中的振動情況進行監(jiān)測，采取

8、一定的措施來降低這種危害。在施工現場如強夯施工、打樁施工都會對附近建筑產生振動影響。強夯施工是目前常用的軟土地基處理技術,其原理是利用夯錘重力下落的沖擊形成的地震波使深層土體發(fā)生位移，提高土體的承載力,消除濕陷性或液化因素。由于強夯是錘擊運動,落錘激發(fā)的瑞利波對周圍一定范圍內的建筑物的安全造成不利影響。打樁能量主要通過樁尖沖擊振動向土層傳播，樁尖入土深度就是振源埋深。隨著樁深度增加，樁尖土層的硬度變大從而土層的振動速度也增大。另外樁還會造成較突出的擠土效應。擠土會對周邊土體直接產生擠壓作用；而振動則是引起土體力學性質的變化。打樁引起振動的主頻較低，遠離震源振動幅值較小，但由于建筑物的自振頻率也

9、較小，所以要特別防止共振的產生。 4、爆破引起建筑產生的振動爆破拆除高大建筑物時引起的振動由兩部分組成,首先是炸藥爆炸部分能量轉化為地震波,地震波從震源向外傳播過程中引起的地面震動,稱為爆破震動。二是在高大建筑物整體倒塌沖擊觸地的瞬間,產生的觸地沖擊振動,稱為觸地震動。當產生的震動強烈時,可使一定范圍內的地面建筑物和地下設施被破壞。其顯現出來的危害有以下幾點。(1)由于爆破地震波系統(tǒng)的作用,使上、下水管道斷裂、電纜線折斷。(2)砌體工程受地震波效應而變形甚至損壞。(3)房屋基礎和上部結構振裂、房蓋落灰、瓦片和外貼瓷磚脫落、抹灰層開裂、室內裝飾物掉落、窗玻璃的破壞。(4)地下水池被振漏水。(5)

10、強烈的爆破地震還可使心臟病人驚悸等等?？梢?爆破震動是一種不可低估的危害。我們根據查閱有關研究資料的實測結果,爆破拆除高大建筑物產生的震動具有以下特點:(1)爆破地震和天然地震相比:由爆破引起的震動,振動頻率高,爆破地震振動頻率大都在1050Hz，持續(xù)時間短,爆破地震的主震段持續(xù)時間一般不超過0.5s，振幅衰減快、釋放能量小,對周圍建筑物危害較小。 (2)建筑物倒塌觸地震動的振速高、頻率低,其振動頻率接近建筑物的自振頻率(310Hz),且作用時間長,對周圍被保護建筑物危害較大。(3)高聳建筑物的倒塌觸地震動一般要比其爆破震動大,對周圍建筑物的影響也大。(4)爆破引起的震動通過技術手段容易控制,

11、而建筑物倒塌觸地引起的地表面震動控制比較困難。為了預測和估計爆破震動對建筑物的破壞,各國研究者均認為將地層振動速度作為判斷建筑物安全程度的一個標準。目前,我國也是以地面峰值振動速度為判據,以安全距離作為控制標準指導爆破工程。5、自然地震產生的震動2008年5月12日發(fā)生在四川汶川的8.0級特大地震，造成數百萬棟房屋建筑倒塌破壞。倒塌比例較高的建筑類型主要有磚混結構、底框磚混結構和框架結構。磚混結構的倒塌大多是由于未按GB50011-2001建筑抗震設計規(guī)范要求設置圈梁和構造柱；底框磚混結構(半框架半磚混結構)是由于結構體系先天存在剛度薄弱層；框架結構大多是按建筑抗震設計規(guī)范GB50011-20

12、01要求進行抗震設計，其倒塌原因主要是遭遇超設防烈度大震的地震，但與此同時在極震區(qū)，同一地塊，相鄰的幾棟建筑，存在有的房屋瞬間全部倒塌，有的房屋局部倒塌，有的房屋震后未倒塌，僅局部墻體出現裂縫，經維修后仍可使用。因此對對影響房屋結構抗倒塌能力的因素進行初步簡單分析，增加提高建筑結構抗震倒塌能力的技術措施的知識。，框架柱節(jié)點破壞嚴重，且均為剪切破壞，導致了有些房屋完全坍塌，成為一片廢墟；有些房屋底層坍塌，上部樓層完整無損的坐落或者傾斜；有些房屋損壞嚴重但未倒塌；也有些房屋只是局部裂縫，結構完整無損。造成這些房屋不同破壞的原因是多方面的，有設計、施工和材料等多方面因素，可以歸納為下列四種情況（1）

13、框架柱斷面遠小于梁斷面尺寸，有些框架柱節(jié)點又表露出鋼箍直徑小，間距大，且大多是單肢箍，節(jié)點薄弱。柱是框架的豎向構件，地震時柱破壞和喪失承載力比梁破壞和喪失承載力更容易引起框架倒塌。柱節(jié)點的箍筋對混凝土沒有形成約束，也不能防止縱向鋼筋壓屈，必然造成框架柱節(jié)點脆性破壞。（2）房屋下部為大開間框架，而上部框架中采用較多的填充墻，此類填充墻為24粘土磚墻，磚和砂漿強度較高，與梁柱連接良好。地震過程中框架上部由于此填充墻的存在，使得上部自重大、剛度大，下部框架成為薄弱層，在未對下部框架柱進行加強處理時，該體系就形成了近似于框支剪力墻結構，框架底層柱承受較大地震水平剪力，柱端節(jié)點首先脆性破壞，導致整體房屋

14、下部坍塌坐落。（3）同一結構單元中一邊為大開間框架結構，一邊在框架中使用較多填充墻，致使結構形成近似于剛心偏移的框架剪力墻的受力特點，地震作用對房屋產生較大扭轉的效應，導致框架柱嚴重受損破壞，使房屋傾斜坍塌。（4）樓梯間破壞十分嚴重，主要表現歇臺板與樓層錯層，樓板又為斜向桿件，引發(fā)了底層樓梯板拉裂，甚至完全拉斷，樓梯梁、柱節(jié)點因歇臺梁的作用形成短柱破壞，這些破壞必然導致在地震過程中加劇人員的傷亡。在強烈的地震下作用下,各類建筑物會遭到程度不同的破壞,按其破壞形態(tài)及直接原因,可分以下幾類：（1）結構喪失整體性；（2）承重構件強度不足引起破壞；（3）地基失效。補救措施人類活動引起樓板振動的防治(1

15、)縮減振動效應在一般情況下對于樓板自身的振動我們不需要做任何事，但由振動帶來的一些令人煩憂的問題就必須考慮采取一些措施去補救。包括消除煩擾的振動因素如“格格”的雜音、移動或改變家具布置或其它一些非結構構件，因為這可能會導致樓板共振。(2)重新布局振源與敏感的人群或設備可以被重新布局，顯然如果在這些東西未固定前就規(guī)劃布局將是一個完美的做法。例如一臺有氧操活動的設備可從頂層樓面重新布置到地面上或剛性較大的升降機井頂板上。對由步行引起的樓面振動可以靠對敏感的人、活動、設備的重新布局而解決，如把他們重新布局在靠近柱，因為這里的振動比跨中小，從而減少人類活動引起樓板振動。(3)減小質量減小質量通常不是很

16、有效，因為同時構件對沖擊和共振的抵抗慣性矩也減小了。然而，某些情況下，減小質量可使頻率增大到避免共振的發(fā)生。(4)增加剛性 最大動態(tài)柔度的構件通常需要增加剛度。對于一人較小的動態(tài)荷載如步行荷載，樓板結構的評價可僅考慮主梁和次梁或桁架梁就足夠了。對于較嚴重的動力荷載(如節(jié)奏性活動、重型設備)，則需要把建筑結構當作一個整體來考慮，包括柱或基礎。(5)增加阻尼 可以通過阻尼來改善樓板的振動性能，樓面結構的阻尼越小，這種方法越有效。樓面結構的阻尼主要與樓面上非結構構件的數量，如隔墻、頂棚、機械、家具和人的數量。影響樓面結構的非結構構件如在頂棚空間中的隔墻也可以提供附加的阻尼。如果樓板的阻尼較小，這種附

17、加的阻尼對步行振動的減振是有益的。2、交通車輛引起建筑振動的改進 目前，我們國家的交通的方式有很多種，其中我們以鐵路為例進行研究。(1)采用焊接長鋼軌,可減少因列車通過鋼軌接頭所產生的振動。根據地鐵設計規(guī)范,軌道交通的正式線路應鋪設無縫軌道,實際減振效果可達到5dB10dB。 (2)采用鋼軌打磨技術,以控制軌道的不平順度,保證輪軌接觸面的良好狀態(tài),從而獲得良好的減振效果。實踐表明,鋼軌打磨后,在振動頻率為8Hz100Hz范圍內,振動可下降48dB(A)。 (3)采用彈性扣件。軌道的彈性，尤其是剛性基礎整體道床結構的彈性，主要取決于扣件的彈性，國內外在此方面做了大量研究工作，研制并開發(fā)了滿足不同

18、減振降噪要求的扣件。 (4)與線路平行方向設置隔振溝。中鐵四院曾對某工區(qū)房屋外圍做隔振溝隔振測試，測試結果表明，寬、深度超過1米的隔振溝，能有效阻斷振動傳播。在實際應用中，可將隔振溝與路基排水溝功能綜合設置。 (5)對建筑物進行隔振設計。香港葵青劇院是一座建筑面積13390平方米，高37.85米的鋼筋混凝土結構，并附有一層地下室。由于在該劇院附近有一條擬建的鐵路，為了防止列車通過時對劇院的振動影響，在劇院演奏廳的設計和施工過程中，采用了彈簧墊隔振新技術，即利用設立在建筑物基礎上彈簧的彈性變形來承擔建筑物的荷載以及來自外部的振動。其彈簧隔振系統(tǒng)的安裝施工于1999年12月完成，經檢測，工作性能良

19、好，其隔振作用已達預期效果。 (6)振動依靠介質傳播，某些介質，如砂土，能夠減緩振動傳播速度及能量。鐵路沿線房屋地基施工如需換填不良土時，應優(yōu)先采用砂墊層。 總之，以上措施對鐵路沿線房屋的結構安全穩(wěn)定是十分有作用和必要的。對這些關鍵部位按抗震構造設計并進一步加強，如加密構造柱、墻體拉結筋，設置封閉的鋼筋混凝土窗套，砌塊與砂漿的強度等級按規(guī)范要求相應提高，對鐵路沿線框架房屋按提高一級進行抗震設計等。3、施工引起的振動在施工過程中打樁是對周邊建筑影響最大的一道工程，經調查得到其解決措施如下：根據施工場地周圍民用建筑的特點，建筑物所允許的土層質點振動速度可選用表1中的相應參數作為樁基施工的控制指標。

20、同時為安全起見建議采用下列減振措施：（1）施工時將排水溝閘門關閉并使溝內蓄滿水以減小水平向的振動影響；（2）打樁點距民房距離較近時如基礎淺部遇舊砼基礎或石塊時應采用先開挖排除后再施工的方法；（3）保持樁機勻速鉆進，避免因操作不當突然變速或加振；（4）施工時合理地確定場地平面內樁基的施工順序以減少打樁引起的側向位移和孔壓膨脹；（5）控制打樁的臺班速率或采取跳打的方式使土層強度有足夠的恢復時間，以避免持續(xù)振動引起軟土地基的不均勻沉降或結構可能產生的疲勞效應。根據以上的分析結果并采用上述相應的減振措施后，可以認為該場址的打樁振動對溝對岸的民用建筑不應產生破壞影響。 圖2除打樁外，振動危害還與附近的地

21、形、地基土的成層狀態(tài)和土質，建筑物的結構型式，老化程度有關。因此沒有一個統(tǒng)一的標準來評價這種危害，只能根據經驗或者類比法定性分析，通過儀器進行振動監(jiān)測。振動防治對策應該從以下方面來出發(fā)：（1）從振源上降低振動對于樁來講可以采用樁尖灌漿來提高單樁的承載力達到減少樁數的目的，或使用鋼管樁替代預制樁。在樁端放置緩沖墊襯，隔樁跳打、重錘輕擊。對于爆破可以減少單響最大裝藥量。（2）在振動傳播途徑上降低振動由于瑞利面波占總震動66.7%的能量，且衰減慢而傳播遠。因此隔振溝應以隔斷瑞利波傳播為根本。Woods建議的深度應以1.21.5個瑞利波波長左右為宜，寬度對隔振沒有明顯效果；或采用樁屏蔽來隔斷沖擊波的傳

22、播。（3）建筑物的加固，對陳舊型和古建筑宜采取臨時托換加固體系措施,提高建筑物的抗震性能。本文上述所列公式，可作參考。例如，在素填土中采用強夯施工，選錘重8t,落距8m，取安全系數2，則距地下室最近距離應大于15m。再如，在土層E/Cu=150380淤泥質粉土中，采用d=0.8m錘擊樁，考慮安全系數為2，其最近安全距離應大于18m。4、爆破建筑物減震的方法從減震控制手段講,控制爆破震動危害的基本方法有兩種:一是針對震源的控震;二是從傳播路徑截斷的隔振。第一種方法主要有:采用微差爆破技術,減小單響爆震;采用分段折迭倒塌爆破技術,控制塌落震動;改變倒塌觸地點地層性質,減小地震動強度。第二種方法主要

23、為:挖減震溝截斷或改變地震波的傳播途徑。實踐證明兩種方法聯合使用,對于控制爆破震動十分有效。(1)采用微差爆破技術,減小單響爆震由爆破振動預測,反映爆破震動強度的各物理量與裝藥量、爆心距、巖土性質及場地條件等因素有關。因此,在滿足工程需要的前提下,采用微差爆破技術,減少爆破時的單段起爆藥量以控制爆炸能量,從而減輕爆破地震波的強度。選擇合理的微差時間,分散釋放爆炸能量。地震波具有迭加、干擾、衍射等波的屬性,采用微差爆破技術時,每一段可等同一個點爆源。合理的微差時間應使先后兩段藥包所產生的地震能量在時間和空間上錯開,特別是錯開兩個地震波的主震相,可以大大降低地震強度。(2)采用分段折迭倒塌技術,控

24、制塌落震動高大建筑物整體倒塌時,巨大的重量會產生強烈的觸地沖擊地震波。如果將建筑物用爆破技術解體分段,各段以不同時間間隔落地,就會降低單體沖擊地面的重量,從而減少了觸地動能,亦即降低了觸地震動。對于高大樓房爆破,可采用從上往下逐層分段折迭倒塌技術,使樓層之間分段下落,這樣既可降低觸地震動,還可減緩大樓塌落下降速度,加大樓房空中解體的時間,提高爆破效果。對于高大煙囪之類的爆破,也可采用單、雙向分段折迭微差起爆技術,使其分段間隔落地。達到減少觸地動能,降低觸地震動的目的。 另外,可在掌握整體結構受力特性的基礎上設計預處理(拆除或切割)部分承重(或非承重)結構,達到降低沖擊地面重量的目的。但必須細致

25、校核預處理后整體結構的安全穩(wěn)定性。該方法還可減少最終起爆藥量,減小爆破引起的震動。(3)鋪墊緩沖層,改善觸地介質性狀。根據經驗在建筑物倒塌范圍內鋪設0.51.0m厚的緩沖材料,可減小倒塌觸地震動30%50%。另外,在建筑物倒塌觸地地點鋪松土還可防止摔碎的石塊反彈和飛濺。(4)合理開挖減震溝,截波防震。爆破時,在被保護建筑物附近挖一條一定深度和寬度的溝槽可以有效降低建筑物受到的爆破震動。減震溝對爆破地震波的影響:由波的特點知,如果地震波在傳播過程中遇到巖石中的層理面、節(jié)理面、斷層面和自由面,或者在傳播過程中介質性質發(fā)生了變化時,那么地震波的一部分能量會從交界面反射回來,另一部分則折射過交界面進入

26、第二種介質。并且地震波由波阻抗大的介質進入波阻抗小的介質時,折射波的能量會大大衰減。當減震溝的深度足夠深時,只有小部分能量通過溝槽底部介質繞射到溝槽另一側其波阻抗為介質中。這樣溝槽就可截斷地震波大部分能量向被保護建筑物的傳播,即起到截波防震的效果。我們小組通過查閱大量實測資料表明:減震溝的減震效果明顯,達到30%以上。減振效果與減震溝的寬度和深度有關,能有效降低作用在基礎上的地震波強度的溝槽,臨界深度為瑞利波波峰深度的34倍。5、自然地震產生的震動(1)延性框架是結構抗震設計的關鍵，延性框架的抗震設計概念主要包括“強柱弱梁，強大節(jié)點”。同時有必要對多層框架結構中填充墻的用材、構造、布置和受力特

27、征進行分析，重新判斷和認識框架填充墻的作用。樓梯是人們生活和生命的通道，也應引起高度重視。(2)為什么同樣是砌體結構房屋，差別會有這么大呢？凡是嚴格按照我國現行“抗震設計規(guī)范”設計、施工保證質量的磚混結構房屋，就能經受住本次罕遇地震的考驗。在那些倒塌的磚混結構房屋的廢墟中，砼空心砌塊、粘土磚強度明顯偏低；砌筑砂漿大都是石灰砂漿，強度幾乎為零；混凝土構件均為預制構件（砼預制空心板，預制梁）；缺少抗震設計構件，如圈梁和構造柱，主要作用是增強房屋整體剛度、增強抗震性，在結構體系中不受力?？上胂螅祟惼鲶w結構整體剛度極差，在地震作用下必然造成粉碎性破壞。從那些受到嚴重破壞但未倒塌的磚混（砌體）結構房屋中我們發(fā)現如下值得關注的問題：(1)平面不規(guī)則，凹凸明顯，形成薄弱連接，整體剛度極差。結構單元與單元之間用樓梯連接，地震中這種局部薄弱連接徹底垮塌；平面凹凸處采用預制樓板，且未做剛性加強層，在地震作用時，房屋扭轉變形，預制樓板從墻體中被整體拔出，造成房屋嚴重破壞，特別是樓梯間的破壞，造成了巨大的人員傷亡。 (2)豎向剛度變化過大，引發(fā)過大的應力集中和塑性變形集中。建筑屋頂造型在地震中破壞?？偨Y：人類活動引起的樓板振動、交通車輛產生的振動、施工產生的振動、施工引起的振動、爆破拆除高大建筑物產生的振動以及大自然產生的地震所引起的巨大波動都會嚴重的影響建筑的安全性，進而影響我們的日常生