建筑结构振动的翩翩起舞与稳若泰山.docx

1、建筑结构振动的翩翩起舞与稳若泰山辽 宁 科 技 大 学建筑结构抗震课程论文成绩评定：总分格式要求10新颖性10关联性10完整性10重复率10论文题目： 建筑结构振动的“翩翩起舞”与“稳若泰山” 学院、系： 土木工程学院结构系 专业班级： 结构12-2班 学生姓名： 李晶 2015年 5 月 8 日建筑结构振动的“翩翩起舞”与“稳若泰山”摘要：随着社会的发展和科技的进步，人们的生活水平不断地提高，住房等建筑的适用性、安全性以及耐久性等方面日益受到关注。人类活动引起的楼板振动、交通车辆产生的振动、施工引起的振动、爆破拆除高大建筑物产生的振动以及大自然产生的地震所引起的巨大波动都会严重的影响建筑的安

2、全性，进而影响我们的日常生活。好的解决措施才能使人民的的人身、财产安全得到更好的保障。关键词：建筑；振动；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

3、 of growing concern. 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 affe

4、cting our daily lives. Good solutions to peoples personal and property safety are better protected.Keywords：Building；vibration；hazard；measures前 言 振动危害是指人类活动引起的地面、爆破拆除建筑物以及交通车辆等引起的建筑的振动，其对人的生活和工作环境、建筑物安全甚至对人体健康都会产生巨大影响。除此之外大自然的力量也不可忽视，大自然所产生的震动，对建筑物的影响更加巨大。世界各国对城市区域环境振动已有明确规定,中国也有城市区域环境振动标准(GB10070-8

5、8),对适用于连续发生的稳态振动、冲击振动和无规则振动,对各种区域按其对振动不同的要求划分为6个等级,规定评价量为被测区域的铅垂向振动量以及各个等级区域的环境振动控制标准。1、由人类活动引起的楼板振动在钢结构楼盖和人行桥的设计中，楼板的适用性、刚度和共振是主要考虑因素。对于钢结构楼盖，传统的刚度准则限制由次梁或主梁支撑的抹灰后的顶棚由活荷载产生的挠度为跨度的1/360。这种限制，加上另一种对构件跨高比限制到24或是更小的限制，已被广泛应用于钢框架楼盖系统的设计中，目的是控制振动，但效果有限，之前，共振在楼板和人行桥的设计中一直被忽视。大约30年以前，传统的刚度准则能满足由步行激励引起的由钢桁架

6、支撑的楼盖系统的振动问题。从那时起,了解了许多关于步行产生的荷载函数和潜在的共振等问题。2、交通车辆引起建筑振动目前，我国城市建筑物的分布越来越密集，城市用地的紧张导致了在列车振动范围内有大量建筑物存在。对此对我国几个典型城市的调查结果表明,交通车辆引起的环境振动水平较高。根据铁路部门的实测,距线路中心线30m附近的振动可达80dB，距线路越近，振动越大。铁路沿线很多房屋内，列车经过时，人都能感到明显振感。最近相关人员在我国某城市地铁车辆段附近进行了现场测试,结果表明,当地铁列车以1520km/h的速度通过时,地铁正上方居民住宅的振动高达85dB,如果列车速度达到正常运行的70km/h时,其振

7、级可能还要大得多。图1 地铁列车对上方建筑的振动分析3、施工引起的振动地基土是半无限体的非完全弹性介质，施工振动产生的能量大部分以体波和面波的形式向周围土层中扩散。地面振动对建筑物的影响从机理上分析是地基土在地震波形成的动荷载作用下其抗剪强度=tg+c减小。抗剪强度的降低，直接导致既有工程土层被动抗力减少。当动荷载达到一定程度时,建筑物的基础会不均匀沉降,结构非正常变形，于是建筑物破坏。另外对于饱和软土，工程振动极易造成地基土液化，使其丧失或大幅度的降低其设计承载能力，加大了建筑结构的受力不合理性，当这种状态超过结构的承受能力时也会导致建筑物的破坏。为保障建筑物尤其是古建筑和旧建筑的安全，有必

8、要对施工中的振动情况进行监测，采取一定的措施来降低这种危害。在施工现场如强夯施工、打桩施工都会对附近建筑产生振动影响。强夯施工是目前常用的软土地基处理技术,其原理是利用夯锤重力下落的冲击形成的地震波使深层土体发生位移，提高土体的承载力,消除湿陷性或液化因素。由于强夯是锤击运动,落锤激发的瑞利波对周围一定范围内的建筑物的安全造成不利影响。打桩能量主要通过桩尖冲击振动向土层传播，桩尖入土深度就是振源埋深。随着桩深度增加，桩尖土层的硬度变大从而土层的振动速度也增大。另外桩还会造成较突出的挤土效应。挤土会对周边土体直接产生挤压作用；而振动则是引起土体力学性质的变化。打桩引起振动的主频较低，远离震源振动

9、幅值较小，但由于建筑物的自振频率也较小，所以要特别防止共振的产生。 4、爆破引起建筑产生的振动爆破拆除高大建筑物时引起的振动由两部分组成,首先是炸药爆炸部分能量转化为地震波,地震波从震源向外传播过程中引起的地面震动,称为爆破震动。二是在高大建筑物整体倒塌冲击触地的瞬间,产生的触地冲击振动,称为触地震动。当产生的震动强烈时,可使一定范围内的地面建筑物和地下设施被破坏。其显现出来的危害有以下几点。(1)由于爆破地震波系统的作用,使上、下水管道断裂、电缆线折断。(2)砌体工程受地震波效应而变形甚至损坏。(3)房屋基础和上部结构振裂、房盖落灰、瓦片和外贴瓷砖脱落、抹灰层开裂、室内装饰物掉落、窗玻璃的破

10、坏。(4)地下水池被振漏水。(5)强烈的爆破地震还可使心脏病人惊悸等等。 可见,爆破震动是一种不可低估的危害。 我们根据查阅有关研究资料的实测结果,爆破拆除高大建筑物产生的震动具有以下特点:(1)爆破地震和天然地震相比:由爆破引起的震动,振动频率高,爆破地震振动频率大都在1050Hz，持续时间短,爆破地震的主震段持续时间一般不超过0.5s，振幅衰减快、释放能量小,对周围建筑物危害较小。 (2)建筑物倒塌触地震动的振速高、频率低,其振动频率接近建筑物的自振频率(310Hz),且作用时间长,对周围被保护建筑物危害较大。(3)高耸建筑物的倒塌触地震动一般要比其爆破震动大,对周围建筑物的影响也大。(4

11、)爆破引起的震动通过技术手段容易控制,而建筑物倒塌触地引起的地表面震动控制比较困难。 为了预测和估计爆破震动对建筑物的破坏,各国研究者均认为将地层振动速度作为判断建筑物安全程度的一个标准。目前,我国也是以地面峰值振动速度为判据,以安全距离作为控制标准指导爆破工程。5、自然地震产生的震动2008年5月12日发生在四川汶川的8.0级特大地震，造成数百万栋房屋建筑倒塌破坏。倒塌比例较高的建筑类型主要有砖混结构、底框砖混结构和框架结构。砖混结构的倒塌大多是由于未按GB50011-2001建筑抗震设计规范要求设置圈梁和构造柱；底框砖混结构(半框架半砖混结构)是由于结构体系先天存在刚度薄弱层；框架结构大多

12、是按建筑抗震设计规范GB50011-2001要求进行抗震设计，其倒塌原因主要是遭遇超设防烈度大震的地震，但与此同时在极震区，同一地块，相邻的几栋建筑，存在有的房屋瞬间全部倒塌，有的房屋局部倒塌，有的房屋震后未倒塌，仅局部墙体出现裂缝，经维修后仍可使用。因此对对影响房屋结构抗倒塌能力的因素进行初步简单分析，增加提高建筑结构抗震倒塌能力的技术措施的知识。，框架柱节点破坏严重，且均为剪切破坏，导致了有些房屋完全坍塌，成为一片废墟；有些房屋底层坍塌，上部楼层完整无损的坐落或者倾斜；有些房屋损坏严重但未倒塌；也有些房屋只是局部裂缝，结构完整无损。造成这些房屋不同破坏的原因是多方面的，有设计、施工和材料等

13、多方面因素，可以归纳为下列四种情况（1）框架柱断面远小于梁断面尺寸，有些框架柱节点又表露出钢箍直径小，间距大，且大多是单肢箍，节点薄弱。柱是框架的竖向构件，地震时柱破坏和丧失承载力比梁破坏和丧失承载力更容易引起框架倒塌。柱节点的箍筋对混凝土没有形成约束，也不能防止纵向钢筋压屈，必然造成框架柱节点脆性破坏。（2）房屋下部为大开间框架，而上部框架中采用较多的填充墙，此类填充墙为24粘土砖墙，砖和砂浆强度较高，与梁柱连接良好。地震过程中框架上部由于此填充墙的存在，使得上部自重大、刚度大，下部框架成为薄弱层，在未对下部框架柱进行加强处理时，该体系就形成了近似于框支剪力墙结构，框架底层柱承受较大地震水平

14、剪力，柱端节点首先脆性破坏，导致整体房屋下部坍塌坐落。（3）同一结构单元中一边为大开间框架结构，一边在框架中使用较多填充墙，致使结构形成近似于刚心偏移的框架剪力墙的受力特点，地震作用对房屋产生较大扭转的效应，导致框架柱严重受损破坏，使房屋倾斜坍塌。（4）楼梯间破坏十分严重，主要表现歇台板与楼层错层，楼板又为斜向杆件，引发了底层楼梯板拉裂，甚至完全拉断，楼梯梁、柱节点因歇台梁的作用形成短柱破坏，这些破坏必然导致在地震过程中加剧人员的伤亡。在强烈的地震下作用下,各类建筑物会遭到程度不同的破坏,按其破坏形态及直接原因,可分以下几类：（1）结构丧失整体性；（2）承重构件强度不足引起破坏；（3）地基失效

15、。补救措施1、人类活动引起楼板振动的防治(1)缩减振动效应 在一般情况下对于楼板自身的振动我们不需要做任何事，但由振动带来的一些令人烦忧的问题就必须考虑采取一些措施去补救。包括消除烦扰的振动因素如“格格”的杂音、移动或改变家具布置或其它一些非结构构件，因为这可能会导致楼板共振。(2)重新布局 振源与敏感的人群或设备可以被重新布局，显然如果在这些东西未固定前就规划布局将是一个完美的做法。例如一台有氧操活动的设备可从顶层楼面重新布置到地面上或刚性较大的升降机井顶板上。对由步行引起的楼面振动可以靠对敏感的人、活动、设备的重新布局而解决，如把他们重新布局在靠近柱，因为这里的振动比跨中小，从而减少人类活

16、动引起楼板振动。(3)减小质量 减小质量通常不是很有效，因为同时构件对冲击和共振的抵抗惯性矩也减小了。然而，某些情况下，减小质量可使频率增大到避免共振的发生。(4)增加刚性 最大动态柔度的构件通常需要增加刚度。对于一人较小的动态荷载如步行荷载，楼板结构的评价可仅考虑主梁和次梁或桁架梁就足够了。对于较严重的动力荷载(如节奏性活动、重型设备)，则需要把建筑结构当作一个整体来考虑，包括柱或基础。(5)增加阻尼 可以通过阻尼来改善楼板的振动性能，楼面结构的阻尼越小，这种方法越有效。楼面结构的阻尼主要与楼面上非结构构件的数量，如隔墙、顶棚、机械、家具和人的数量。影响楼面结构的非结构构件如在顶棚空间中的隔

17、墙也可以提供附加的阻尼。如果楼板的阻尼较小，这种附加的阻尼对步行振动的减振是有益的。2、交通车辆引起建筑振动的改进 目前，我们国家的交通的方式有很多种，其中我们以铁路为例进行研究。(1)采用焊接长钢轨,可减少因列车通过钢轨接头所产生的振动。根据地铁设计规范,轨道交通的正式线路应铺设无缝轨道,实际减振效果可达到5dB10dB。 (2)采用钢轨打磨技术,以控制轨道的不平顺度,保证轮轨接触面的良好状态,从而获得良好的减振效果。实践表明,钢轨打磨后,在振动频率为8Hz100Hz范围内,振动可下降48dB(A)。 (3)采用弹性扣件。轨道的弹性，尤其是刚性基础整体道床结构的弹性，主要取决于扣件的弹性，国

18、内外在此方面做了大量研究工作，研制并开发了满足不同减振降噪要求的扣件。 (4)与线路平行方向设置隔振沟。中铁四院曾对某工区房屋外围做隔振沟隔振测试，测试结果表明，宽、深度超过1米的隔振沟，能有效阻断振动传播。在实际应用中，可将隔振沟与路基排水沟功能综合设置。 (5)对建筑物进行隔振设计。香港葵青剧院是一座建筑面积13390平方米，高37.85米的钢筋混凝土结构，并附有一层地下室。由于在该剧院附近有一条拟建的铁路，为了防止列车通过时对剧院的振动影响，在剧院演奏厅的设计和施工过程中，采用了弹簧垫隔振新技术，即利用设立在建筑物基础上弹簧的弹性变形来承担建筑物的荷载以及来自外部的振动。其弹簧隔振系统的

19、安装施工于1999年12月完成，经检测，工作性能良好，其隔振作用已达预期效果。 (6)振动依靠介质传播，某些介质，如砂土，能够减缓振动传播速度及能量。铁路沿线房屋地基施工如需换填不良土时，应优先采用砂垫层。 总之，以上措施对铁路沿线房屋的结构安全稳定是十分有作用和必要的。对这些关键部位按抗震构造设计并进一步加强，如加密构造柱、墙体拉结筋，设置封闭的钢筋混凝土窗套，砌块与砂浆的强度等级按规范要求相应提高，对铁路沿线框架房屋按提高一级进行抗震设计等。3、施工引起的振动在施工过程中打桩是对周边建筑影响最大的一道工程，经调查得到其解决措施如下：根据施工场地周围民用建筑的特点，建筑物所允许的土层质点振动

20、速度可选用表1中的相应参数作为桩基施工的控制指标。同时为安全起见建议采用下列减振措施：（1）施工时将排水沟闸门关闭并使沟内蓄满水以减小水平向的振动影响；（2）打桩点距民房距离较近时如基础浅部遇旧砼基础或石块时应采用先开挖排除后再施工的方法；（3）保持桩机匀速钻进，避免因操作不当突然变速或加振；（4）施工时合理地确定场地平面内桩基的施工顺序以减少打桩引起的侧向位移和孔压膨胀；（5）控制打桩的台班速率或采取跳打的方式使土层强度有足够的恢复时间，以避免持续振动引起软土地基的不均匀沉降或结构可能产生的疲劳效应。根据以上的分析结果并采用上述相应的减振措施后，可以认为该场址的打桩振动对沟对岸的民用建筑不应

21、产生破坏影响。 图2除打桩外，振动危害还与附近的地形、地基土的成层状态和土质，建筑物的结构型式，老化程度有关。因此没有一个统一的标准来评价这种危害，只能根据经验或者类比法定性分析，通过仪器进行振动监测。振动防治对策应该从以下方面来出发：（1）从振源上降低振动对于桩来讲可以采用桩尖灌浆来提高单桩的承载力达到减少桩数的目的，或使用钢管桩替代预制桩。在桩端放置缓冲垫衬，隔桩跳打、重锤轻击。对于爆破可以减少单响最大装药量。（2）在振动传播途径上降低振动由于瑞利面波占总震动66.7%的能量，且衰减慢而传播远。因此隔振沟应以隔断瑞利波传播为根本。Woods建议的深度应以1.21.5个瑞利波波长左右为宜，宽

22、度对隔振没有明显效果；或采用桩屏蔽来隔断冲击波的传播。（3）建筑物的加固，对陈旧型和古建筑宜采取临时托换加固体系措施,提高建筑物的抗震性能。本文上述所列公式，可作参考。例如，在素填土中采用强夯施工，选锤重8t,落距8m，取安全系数2，则距地下室最近距离应大于15m。再如，在土层E/Cu=150380淤泥质粉土中，采用d=0.8m锤击桩，考虑安全系数为2，其最近安全距离应大于18m。4、爆破建筑物减震的方法 从减震控制手段讲,控制爆破震动危害的基本方法有两种:一是针对震源的控震;二是从传播路径截断的隔振。第一种方法主要有:采用微差爆破技术,减小单响爆震;采用分段折迭倒塌爆破技术,控制塌落震动;改

23、变倒塌触地点地层性质,减小地震动强度。第二种方法主要为:挖减震沟截断或改变地震波的传播途径。实践证明两种方法联合使用,对于控制爆破震动十分有效。 (1)采用微差爆破技术,减小单响爆震由爆破振动预测,反映爆破震动强度的各物理量与装药量、爆心距、岩土性质及场地条件等因素有关。因此,在满足工程需要的前提下,采用微差爆破技术,减少爆破时的单段起爆药量以控制爆炸能量,从而减轻爆破地震波的强度。选择合理的微差时间,分散释放爆炸能量。地震波具有迭加、干扰、衍射等波的属性,采用微差爆破技术时,每一段可等同一个点爆源。合理的微差时间应使先后两段药包所产生的地震能量在时间和空间上错开,特别是错开两个地震波的主震相

24、,可以大大降低地震强度。 (2)采用分段折迭倒塌技术,控制塌落震动高大建筑物整体倒塌时,巨大的重量会产生强烈的触地冲击地震波。如果将建筑物用爆破技术解体分段,各段以不同时间间隔落地,就会降低单体冲击地面的重量,从而减少了触地动能,亦即降低了触地震动。对于高大楼房爆破,可采用从上往下逐层分段折迭倒塌技术,使楼层之间分段下落,这样既可降低触地震动,还可减缓大楼塌落下降速度,加大楼房空中解体的时间,提高爆破效果。对于高大烟囱之类的爆破,也可采用单、双向分段折迭微差起爆技术,使其分段间隔落地。达到减少触地动能,降低触地震动的目的。 另外,可在掌握整体结构受力特性的基础上设计预处理(拆除或切割)部分承重

25、(或非承重)结构,达到降低冲击地面重量的目的。但必须细致校核预处理后整体结构的安全稳定性。该方法还可减少最终起爆药量,减小爆破引起的震动。(3)铺垫缓冲层,改善触地介质性状。根据经验在建筑物倒塌范围内铺设0.51.0m厚的缓冲材料,可减小倒塌触地震动30%50%。另外,在建筑物倒塌触地地点铺松土还可防止摔碎的石块反弹和飞溅。(4)合理开挖减震沟,截波防震。爆破时,在被保护建筑物附近挖一条一定深度和宽度的沟槽可以有效降低建筑物受到的爆破震动。减震沟对爆破地震波的影响:由波的特点知,如果地震波在传播过程中遇到岩石中的层理面、节理面、断层面和自由面,或者在传播过程中介质性质发生了变化时,那么地震波的

26、一部分能量会从交界面反射回来,另一部分则折射过交界面进入第二种介质。并且地震波由波阻抗大的介质进入波阻抗小的介质时,折射波的能量会大大衰减。当减震沟的深度足够深时,只有小部分能量通过沟槽底部介质绕射到沟槽另一侧其波阻抗为介质中。这样沟槽就可截断地震波大部分能量向被保护建筑物的传播,即起到截波防震的效果。我们小组通过查阅大量实测资料表明:减震沟的减震效果明显,达到30%以上。减振效果与减震沟的宽度和深度有关,能有效降低作用在基础上的地震波强度的沟槽,临界深度为瑞利波波峰深度的34倍。5、自然地震产生的震动(1)延性框架是结构抗震设计的关键，延性框架的抗震设计概念主要包括“强柱弱梁，强大节点”。同

27、时有必要对多层框架结构中填充墙的用材、构造、布置和受力特征进行分析，重新判断和认识框架填充墙的作用。楼梯是人们生活和生命的通道，也应引起高度重视。(2)为什么同样是砌体结构房屋，差别会有这么大呢？凡是严格按照我国现行“抗震设计规范”设计、施工保证质量的砖混结构房屋，就能经受住本次罕遇地震的考验。在那些倒塌的砖混结构房屋的废墟中，砼空心砌块、粘土砖强度明显偏低；砌筑砂浆大都是石灰砂浆，强度几乎为零；混凝土构件均为预制构件（砼预制空心板，预制梁）；缺少抗震设计构件，如圈梁和构造柱，主要作用是增强房屋整体刚度、增强抗震性，在结构体系中不受力。可想象，此类砌体结构整体刚度极差，在地震作用下必然造成粉碎

28、性破坏。从那些受到严重破坏但未倒塌的砖混（砌体）结构房屋中我们发现如下值得关注的问题：(1)平面不规则，凹凸明显，形成薄弱连接，整体刚度极差。结构单元与单元之间用楼梯连接，地震中这种局部薄弱连接彻底垮塌；平面凹凸处采用预制楼板，且未做刚性加强层，在地震作用时，房屋扭转变形，预制楼板从墙体中被整体拔出，造成房屋严重破坏，特别是楼梯间的破坏，造成了巨大的人员伤亡。 (2)竖向刚度变化过大，引发过大的应力集中和塑性变形集中。建筑屋顶造型在地震中破坏。总结： 人类活动引起的楼板振动、交通车辆产生的振动、施工产生的振动、施工引起的振动、爆破拆除高大建筑物产生的振动以及大自然产生的地震所引起的巨大波动都会

29、严重的影响建筑的安全性，进而影响我们的日常生活。因此，通过上述一系列减振方式，将会极大地减少由人类活动引起的楼板振动、施工引起的振动、爆破拆除高大建筑物产生的振动、交通车辆产生的振动以及地震对建筑结构的影响以及破坏。从建筑的“翩翩起舞”到“稳若泰山”，进而提高建筑的安全性、可靠性，使人民的的人身、财产安全得到更好的保障。参考文献： 1周锡元，闫维明，杨润林。建筑结构的隔震、减震控制J。建筑结构学报，2009.02（14）：24-26。 2贾红霞，谭术利。浅谈建筑结构设计中的隔震减振措施J。内蒙古石油化工，2013.06（03）：83-84。 3吕淑然,杨军。高大建筑物定向爆破地震振动效应监测与

30、控制研究J。2003(3):71274。 4邹奕芳。预裂逢和减震槽减震效果的爆破试验研究J。 2005(2):96299。 5刘满堂,陈庆寿。建筑结构对爆破地震的动力响应特性研究J。2005(4):22227。 6刘汉夫。秦沈线桥上接触网钢柱横向振动试验研究J。 论文写作心得：高老师课上留给我们一个关于写论文的作业，并以此作为本学科的最终成绩。我非常喜欢这样的方式，这样做不仅仅是让我们学到了上课的知识，从写论文的过程中，也让我们学到了很多，论文的封皮如何制作；论文的格式是什么样的，如何去进行排版；文章的字体、段落、格式怎么安排；对细节的处理，等等。老师的一次小小的尝试却对我们以后写论文进行了很

31、好的铺垫。在这次写作的过程中，我学到了很多。比如：1、封皮的制作。封皮上字体多大，如何安排，都需要什么，通过这次写作都使我有了更深的了解。2、论文中正文的格式。通过写正文我对论文中标题、摘要、关键词、前言、参考文献等格式、字体大小，字间距、行距等都有了更明确的认识。3、对细节的处理。通过这次写作，我发现我过去写论文所存在的一些毛病，如无编页、插入图片大小无规律等。 除以上收获外，在写论文的过程中对所写论文内容有了更深的了解，这远比上课听讲学到的更多。了解到振动对人们生活所造成的影响、危害。更加具体的了解到产生振动危害的因素有哪些，其解决措施或预防措施有哪些。 如果有机会，我希望高老师以后能在课下多给我们留这样的作业，让我们手与脑都得到锻炼，我真的很想说谢谢您高老师。因为通过此次写作将使我对以后写作论文更加得心应手。