某建筑物振动的原因分析及处理措施_郑世夺.pdf

年月第 卷 第期河北水利电力学院学报 文章编号：（）某建筑物振动的原因分析及处理措施郑世夺，张冬梅，张树强，刘涛（河北省建筑工程质量检测中心有限公司，河北省石家庄市槐安西路 号 ；行唐县建设工程质量管理服务中心，河北省石家庄市行唐县龙州镇章武路 号 ；河北京铁勘测设计院有限公司，河北省石家庄市新华路 号 ）摘要：机械设备的升级对建筑物产生的振动影响不能忽视，减小或消除周边环境振动对建筑物安全性非常重要。本文通过一建筑物振动实例，在常规无损检测方法的基础上，采用中国地震局工程力学研究所生产的 测振仪对其进行振动测试，在输入未知的情况下确定频率和阻尼等模态参数，了解周边振动环境，分析建筑物振动的原因，为建筑物后期改造提出消除或减弱建筑物振动的方法，对类似既有建筑物振动消除提供了借鉴。关键词：检测；建筑物振动；环境激励；动力特性中图分类号：；文献标识码：随着经济的高速发展，我们周围逐渐建立起公路、铁路及大型工业、农业等公共设施，在设备、机械产能升级改造后的振动频率与建筑物固有频率相当的情况下，周围建筑物的配套设备、机械增加后的运行以及车辆行驶产生的振动，都会引起建筑物的振动。建筑物振动幅度过大，必然会引起人们对所居住或工作的建筑物结构安全性的关注，因此如何进行检测、分析确定大型机械设备和车辆行驶引起的振动对建筑物的影响成为一个重要的研究课题。文中在完成主体结构常规检测后，综合考虑建筑结构混凝土强度、截面尺寸、配筋等项目的前提下，采用多通道响应信号采集系统和数据处理技术，利用环境激励对结构固有特性进行动力特性测试，从输出信号分析确定建筑物振动的固有频率、阻尼等，并调查附近工厂等所用大型机械设备振动情况。在研究建筑物所具有的独特动力特性后，确定振动响应和频率特性，并找出引起振动的原因，提出合理的处理方法或建议。工程概况该楼主要功能为商务写字楼，位于某市重工业区中心位置，地上六层钢筋混凝土框架结构，建筑结构安全等级设计为二级，场地类别为类中软场地土，地基处理方法采用夯实水泥土桩，钢筋混凝土条形基础，室外地坪与室内高差为 ，第一层高 ，第二、三、四层高 ，第五、六层高 ，总高度 ，建筑长 ，宽，总建筑面积约 。建筑所在地区抗震设防烈度为度、设计基本地震加速度值为 ，框架抗震等级设计为二级，抗震构造措施设计为二级，设计地震分组为第三组，建筑抗震设防类别为标准设防类。常规检测情况 外观质量现状调查对该商务写字楼现有结构质量状况进行调查，并对构件裂缝、较大变形等缺陷进行描绘、记录。经现场调查，该商务写字楼内未见梁、板、柱等构件存在影响结构安全的裂缝和较大变形等缺陷。基础检测所检商务写字楼地基未见松动、锈蚀、剥落、酥碱现象，上部承重结构无沉降产生、开裂变形现象，地基静载无严重缺陷。所检基础指标符合设计和 混凝土结构工程施工质量验收规范（收稿日期：修回日期：基金项目：河北省建设科技研究项目指导性计划项目（）第一作者简介：郑世夺（），男，河北邢台人，高级工程师，硕士，主要从事既有建筑物、装配式建筑、钢结构、新（改、扩）建建筑物检测鉴定及加固改造方面的研究工作。：）要求。框架柱、梁（板）构件现龄期混凝土强度检测对该商务写字楼框架柱、梁（板）的现龄期混凝土抗压强度进行检测。本次检测类别按照 建筑结构检测技术标准（）表 中既有结构 类抽样的规定，第一至六层各抽检框架柱根、梁（板）榀，共计 个构件。现场采用回弹法，使用仪器为 数字式碳化深度测量仪、一体式数字混凝土回弹仪。由设计施工图可得该商务写字楼框架柱和梁（板）混凝土抗压强度设计等级：第一至二层是 ，第三至六层是 。该商务写字楼混凝土龄期从浇筑日截止检测日，约为 天左右，经查 民用建筑可靠性鉴定标准（）附录，查的龄期处于 天之间，经插值计算，老化混凝土回弹值龄期修正系数为 。经检测，该项目所检框架柱、梁（板）构件现龄期混凝土抗压强度经修正后回弹值符合设计规定。混凝土构件截面尺寸检测对该商务写字楼的框架柱、梁（梁高不含板厚）截面尺寸进行检查，本次检测类别按照检测技术标准表 中既有结构类抽样的规定，第一至六层各抽检框架柱根、梁榀，共计 个构件。检测仪器为钢卷尺，依据施工质量验收规范表 规定，构件截面尺寸允许偏差为，。经检测，该项目所检混凝土构件截面尺寸偏差符合施工质量验收规范关于允许偏差的规定。纵向受力钢筋保护层厚度检测对该商务写字楼的框架柱、梁、板纵向受力钢筋保护层厚度进行检测，本次检测类别按照检测技术标准表 中既有结构类抽样的规定，一至六层各抽检框架柱根、梁榀、板块，共计 个构件。采用非损伤法，检测仪器采用 钢筋位置测定仪。依据施工质量验收规范附录规定：混凝土梁类构件的纵向受力钢筋保护层厚度允许偏差为，（柱类构件参照梁类构件）、板类构件的允许偏差为，。柱、梁受力钢筋保护层厚度计算值为其设计值与箍筋直径（或）之和。经检测，该工程所检混凝土框架柱纵向受力钢筋保护层厚度达标率为 ，超过，被判定为合格；混凝土框架梁纵向受力筋保护层厚度的检测结果为 ，超过，被判定为合格；混凝土板底纵向受力筋保护层厚度检测合格率为 ，超过，被判定为合格；框架柱、框架梁、现浇板纵向受力筋均符合施工质量验收规范对结构实体保护层厚度的验收要求。混凝土构件箍筋配置间距及主筋根数对该商务写字楼的框架柱、梁、板钢筋间距及主筋根数进行检测，本次检测类别按照检测技术标准表 中既有结构类抽样的规定，一层至六层各抽检框架柱根，梁榀，板块，共计 个构件。采用非损伤法，检测仪器采用 钢筋位置测定仪。依据施工质量验收规范表 ，梁箍筋钢筋间距允许偏差为（柱构件参照梁类构件），板底受力筋允许偏差为。经检测，该项目一至六层框架柱和梁箍筋配置之间的间距偏差符合施工质量验收规范中关于允许偏差的要求。该项目所检框架柱、梁的主筋根数一至六层均符合设计要求。本项目板底纵向受力钢筋间距偏差符合施工质量验收规范中规定的允许偏差。楼面做法检测对该建筑物楼面做法进行检测，根据现场条件每层检测个测点，采用钢卷尺、非金属板厚度测试仪实测楼面做法。表楼面实际做法检测结果 楼面做法由下至上设计值具体检测位置二层地面三层地面四层地面五层地面钢筋混凝土现浇板 水泥砂浆层 水泥浆层 瓷砖面层 由表可知，该工程楼面做法中水泥砂浆层偏厚，在验算建筑物承载力时需考虑恒荷载的增加。建筑物整体垂直度检测对该建筑物主体结构垂直度进行检测，对外墙全部阳角，采用钢卷尺、经纬仪进行检测。依据施工质量验收规范中第 条规定，该商务写字楼第期郑世夺等：某建筑物振动的原因分析及处理措施总高度 ，小于 ，总体垂直度允许偏差应为 ，计算得。由表可知，该商务写字楼全高垂直度偏差符合施工质量验收规范要求。表商务写字楼全高垂直度偏差检测 序号检测位置垂直度偏差检测值偏东（）偏西（）偏东（）偏西（）承载力验算采用北京盈建科公司开发的“”系列设计软件，依据检测数据和国家有关规范标准，对建筑物承载力进行测算。荷载取值：楼面恒载（含板 自 重）取 ，屋面恒载（含板自重）取 。办公场所、会议室、阅览室、宿舍等活载值取 ；资料室、档案室、财务室、卫生间等活载值取 ；过道、楼梯等活载值取 ；通讯室等活载值取 ；屋面活载值取 。框架梁、框架柱、现浇板混凝土强度等级一层、二层取用 ，三层至六层取用 ，构件尺寸取用设计值，截面尺寸、配筋取用设计值。类地面粗糙度类别，基本风压，场地类别，其余参数设置详见上述工程概况。经过建模测算，这栋楼的框架结构承受力符合规范要求。综合分析对该建筑的综合分析，依据检测结果、有关技术资料和国家有关规范标准进行。经检测，建筑物外观现状质量、构件混凝土抗压强度、截面尺寸、构件纵向受力、钢筋保护层厚度、钢筋间距、主筋根数满足设计及规范要求。楼体的框架结构承受力符合规范要求。综合来看，这栋楼的主体结构符合设计要求，符合规范。结构动力特性实测 利用环境激励测试结构动力特性以上常规检测完成后，在确定建筑结构完好的情况下，对该建筑物振动进行动力特性测试。目前已广泛采用的包括激振法、自由振动法、环境激励法等多种方法。建筑物的脉动是一种非常微小的振动，利用建筑物的脉动响应（）来确定其动力特性，俗称脉动试验（）。借助随机信号数据处理技术，利用高灵敏度传感器、信号采集仪对建筑物的响应进行量测，并通过数据分析确定其动力特性，不使用任何激振设备，不影响建筑物正常工作的自然环境，成为目前一种简便有效的测试方法。结构模态参数识别由于现实中的结构物如建筑物的体积较大或桥梁特别长，一方面作为输入的可控力或振动很难足够大地使建筑物或桥梁产生响应信号，另一方面地面动力在振动信号采集过程中与风脉动同时作为输入激励，而地面不同点的信号衰减与不同高度的风脉动响应信号不一定完全一致，造成了难以明确以采集的哪个点信号作为工程结构输入信号的尴尬局面，即输入未知，因此在实际工程结构的动力信号检测中，一般应避免以输入信号来识别结构模态参数，而只采用输出的响应信号，如图所示。图输入、数据采集分析系统、输出的关系 ，利用频谱特征判断结构的频率当无法测量输入或没有输入记录时，可采用下式：（）（）（）（）（）式中，（）为频响功能函数，（）为输入信号的自功率谱密度，（）为输出信号的自功率密度。当环境输入信号为白噪音时，（）等于常数。频响功能函数估计要求输入信号的频谱是一条线，可近似为有限带宽白噪声为常数 的功率谱。由此可见，结构自振频率的识别，在实际应用中，往河北水利电力学院学报 往是根据结构所反映的自功频率来进行的。由于在大量实际测量过程中，采集信号中存在的噪声和激励谱的影响，通过分析结构反映自功率谱的峰值往往不一定是模态频率。判别结构自身模态频率，反映本身频谱特征，可遵循以下原则：）结构响应信号经频谱分析得出自功率谱峰值。）各测点之间在模态频率上有较大的相互干扰作用，在分析应用时应予以考虑。）分析得出的各测点在模态频率上的主要特征为以近似同相位或反相位。因此，对于结构在任意随机激励下采集的信号，分析出各模态频率离散性大、阻尼比相对较小的多自由度结构，结构响应信号的互谱与结构响应的自谱峰值之比可以近似看作为振型之比。建筑物动力特性测试实例该商务写字楼建成投入使用后，未发现异常晃动情况，近几个月发现横向振动非常大，人站在楼面上可以明显的感觉到振动，建筑物内的门窗和家具也振动，发出异响，给人产生“地震”来了的错觉。但这座建筑本身并未安装很大的功率装置。震动原因一时找不到，遂委托有关专家实地测量，目的是探测主震源。采用中国地震局工程力学研究所生产的 测振仪对商务写字楼进行振动测试，在顶楼、四楼、二楼、一楼设置测振加速度传感器，对震动数据进行测量，并进行记录。从测试分析的结果发现，商务写字楼顶楼 、四楼 、二楼 、一楼振动资料记录图的形态表现大体一致，区别在于顶楼振幅大、人体感得明显，地面振幅小、人体感得不明显，这是一种“拍振”现象，从振动测试记录的图形中可以明显看出，由极接近简谐振动的频率值合成这种振动现象。通过模态分析法可以得到，组成“拍 振”的 两 次 分 振 频 率 分 别 为 和 ，折合为每分钟振动 次和 次。经过对建筑物周围环境的调查，原来主振源在距此框架 多 处有家化肥厂里面的破碎机车间，此车间有台破碎机，其中台为 次 ，台为 次 。因此，可以确定出振源即为旋回破碎机。建筑物振动处理措施通过以上分析，得出该商务写字楼振动原因主要由于该楼同不远处的破碎机共振 所致。可采用如下措施处理：）改造和加固这座商务写字楼的结构刚度，让它的固有频率与共振频率之间拉开很大的距离。）对该商务写字楼的结构进行改造加固，使其固有频率远离共振频率。）为消除破碎机震动的影响，在破损机或建筑物基础上设置隔震支座。）在破损机基础或建筑物基础周围设置隔离带或挖隔离沟，阻断振源能量的传递。委托方通过与各方单位的充分交流沟通，在经过对原设计图的验算后，选择对建筑物进行改造加固处理，增加建筑物的侧向刚度，使框架结构的固有频率远离粉碎机的转频，从而达到改变结构固有频率的目的。主体结构经过几个月的改造加固，建筑物的振动消除，满足了正常使用要求。测试建筑物动力特性的意义周边环境激励和结构本身的动力特性