非地震振动建筑破坏及防护措施

非地震振动建筑破坏及防护措施摘要：当然国内外对非地震振动导致建筑物破坏的问题研究较少，针对一般公害振动与地震相比的不同特点，提出了采用振动加速度级来评价一般公害振动的方法，并提出振动加速度级的测量方法，以及建筑振动破坏的防护措施，为制定建筑振动破坏标准提供了思路。关键词:振动，建筑破坏，防护措施1引言当前，随着人们生活水平的提高，人们对自己周围的生活环境和生活质量越来越关注，像空气和水质污染、噪声过大等，就较早的引起了人们的重视。而同时由于社会生产的发展，各种生产和运输用具等产生的振动对人体、工作效率及建筑结构的影响亦越来越严重，也渐渐地引起了普遍的关注。基于此，国外已将振动与空气污染、水质污染及噪声视为影响人类生存和生活的主要公害。由于振动公害较多的是引起居民的烦躁或不愉快等心理危害，国外对振动公害的研究就主要集中在这方面【1】，而振动对建筑本身的影响的研究却很少涉及，国内在这方面的研究更是少见。但是，在一些接近大的振源处，也有因墙壁、砖瓦等开裂，门窗翘曲变形等引起的建筑物振动破坏情况，国内外就经常有因此而引起居民投诉的例子。而制定一个准确适用，符合实际的建筑振动破坏标准，显然是处理这类事故及防治其发生的基本前提，对社会生产的发展及人们生活质量的提高，无疑都具有十分重要的现实意义。本文重要针对几种常见的非地震振动，分析其适用的振动评价指标，并体提出相应的隔震减振措施。2各种振源引起的公害及其主要特点引起振动公害的主要振源有工厂振动，建筑施工产生的振动，公路及铁路交通振动等。工厂振动是受到居民投诉最多的振源，而且，工厂振动大多伴有噪音同时产生，一般工厂多与居民住房混杂在一起。随着生产的扩大昼夜生产增多，且工厂机械设备趋于现代化和大型化，这些都是工厂振动容易引起居民投诉的原因。构成工厂主要振源的机械设备有压力机、锻锤及铸件造型机等。建筑施工采用的大型机械较多，在施工的同时传出噪声和振动。随着住宅区内大厦和高速公路等大型施工工程的进入，建筑施工引起的振动被居民投诉也越来越多。施工使用的机械多为直接利用冲击力的机械，产生的振动强，振动级数值多数情况下都比较大，较易引起建筑物的损害。随着汽车生产台数和拥有量的剧增，由此引起的振动危害也越来越严重。与公路交通振动直接相关的是交通量，大型车辆的行驶，车辆行驶速度及建筑物离开道路的距离。此外还有一个重要因素就是路面状况，若路面不好，振动肯定增大。通过修缮路面，一般可以降低2~10dB的效果。火车在铁道上告诉行驶所产生的振动具有间隔性，持续时间短的特点，单评价方法目前尚未建立。可以设想引用飞机噪声的WECPNL评价方法，但是由于目前尚缺乏研究资料，在实际应用上海存在困难。另外，爆破理论技术的快速发展给爆破工程的发展开辟了广阔的前景。目前，爆破技术已经广泛应用于开矿、采石、筑坝、修路，以及各种建筑物的构筑物的拆除等领域。而随之而来的爆破地震波的破坏作用，尤其是城市控制爆破工程中，爆破所产生的地震波对建筑的破坏效应，也成为国内外研究的特点和难点。振动公害和噪声公害一样具有局部性。即振动在地中传递时，其距离衰减大，而且也不像大气污染那样随着每天的气象条件而改变。它不污染场所，因此，受害对象大多是周围临近的地区。另外，本文不考虑地震所引起的振动，因为这方面国内外的研究已经较为成熟，相关也早已建立。而且地震引起的振动与一般振动不同，具有很大的偶然性【2】，一般持续时间较短。本文主要讨论由上述振源引起的，各种高频度的公害振动对建筑物的不良影响。3建立建筑物的振动破坏标准3.1常用的振动评价指标要建立建筑物振动的标准，首先的是必须先确定采用什么振动参量来评价前述的公害振动【3】。作为类似现象的地震，首先是唯一振动的波形，根据波形记录，分离纵波和横波，并根据纵波的波形确定震源的方向、指向、距离，再推出振源振动的大小。地震灾害的波形特点为低频率、大振幅时，位移的大小成了碰撞和破坏的主要因素。另外，有些振动较为敏感的精密仪器，也多采用位移来作为其控制参量，用允许振幅来代替允许振动。例如一些精密的摄像装置，当被摄像体和摄影器材有相对变形时会对摄影效果造成很大的影响。另一方面，加速度也是地震测量及评价中要考虑的一个主要参量。根据牛顿力学公式，力是质量和加速度的乘积。即相对物体，力大的振动，自然会产生大的加速度。相反，产生与地面相同加速度的物体，得到很大的力后，也自然会在其周围造成较为严重的危害。因此，加速度也是必须考虑的问题【4】。不过，将振动速度作为地面振动的考虑对象也有其合理性，振动受害的问题在很大程度上可用作功量或者是能考察。动能是与速度的平方成正比的，利用速度可以将地震波所产生的能量和所产生的地应力相联系，并和结构中产生的动能和内应力联系起来。爆破地震效应的研究中就经常使用振动速度这一物理量。关于振动速度的选取方法，有一种意见认为，广泛使用的电气式振动计就是速度计，而人体的振动感觉在高频较宽的频率范围内，也是振动速度相对应的，故这种意见也应得到支持3.2确定振动破坏的标准由此看来，在处理振动公害，应该测量的振动量是哪些，即测量哪些量更方便，用哪些量表示能得到普通的赞同，在理论上还很难得出肯定的答复。公害振动和天然地震地面运动的特征虽然有很多不同之处，但是引起建筑物的地震反应是一个振动问题，二者造成建筑物的破坏机理几乎没有什么不同，公害振动和天然地震可归于地震工程学的范畴。由于人们对天然地震特征以及建筑物抗震能力的研究已有较长的历史，也积累了不好经验和方法，这些经验和方法做适当的修正后，是完全可以应用于公害振动效应的研究的。工程中用地面震动的什么参数来表示地面振动的特征，主要取决于什么参数对结构物的破坏起主要作用。在天然地震工程的研究中，普遍采用地震烈度来作为一定地点地面震动强弱的尺度，地震震害和强震仪的观测数据分析表明，单一的物理量不可能完美的代表宏观烈度。然而，由于振害现象不仅决定于地面振动的特征，同时也决定于千变万化的工程结构特性，且烈度实质上是地面一定范围内的平均现象，因而想把地面震动的幅度、频率和震动持续时间三个主要参数都纳入烈度的定义中去是困难的。国际上对于公害振动，广泛采用加速度来进行评价【5】。选取加速度来评价振动破坏效应具有以下优点。首先，对在相同烈度嗲随机取样的地面震动的平均值进行相关分析可知加速度峰值与宏观烈度有良好的线性相关性。其次，在地震中，加速度峰值与震级和震中具有良好的相关性。而根据以往爆破的工程的实际经验，加速度峰值与爆破所用的药量及爆心距也有较好的相关性。在其他公害振动中也可望得到相似的结果。另外，利用加速度，能和振动产生的惯性力相联系，惯性力可直接从加速度记录得出，便于作用于建筑物的振动荷载的换算，并进行建筑物的应力分析。此外，加速度和速度峰值也有一定的相关性。最后，加速度峰值可用简单的仪器方便的测得。建筑物基底的最大最大加速度可以由预测地震强度的经验公式得到，应用反应谱理论就可得到建筑物沿高度分布的振动所产生的惯性力，可以进行建筑物的强度和稳定的验算，从而进行建筑物抗振的设计或安危程度鉴定。这一方法是比较合理的，它即考虑了建筑物的动力特征，又考虑了地震动频谱的特征。虽然计算比较复杂，计算工作量大，但是若预先通过电子计算机分析整理，规定设计反应谱和相应的系数，是可以使计算简化的对于公害振动，可将dB作为单位应用于振动的评价中。实际上，所谓dB就是两个参量之比的常用对数。假设某点在某一方向的振动加速度的有效值为时，令L=20log(a/a0)(dB)（1）即可以a0=10-5m/s2时的值来定义振动加速度等级。据日本环境厅所作的居民反应调差发现，建筑物受害的投诉率与振动加速度级之间具有明显的关系，虽然这一因果关系尚未得到清楚的解释，但当振动加速度级超过70dB。当然，这仅可供我们参考，确定我们自己的这个临界值还需要大量详尽的实测资料，并进行大量的统计分析工作，但是，这项工作无疑具有极其重要的现实意义。3.3振动加速度等级的测量要使我们制定的建筑振动破坏标准具有一定的可操作性，还必须对有关参量的测量进行必要的规定。一般情况下振动加速度等级的测量要注意以下几点【6】：（1）本地振动与所测振动的关系要测量某一地点的振动时，即使这种振动没有发生，也可能存在由其他振源产生的振动，把它称为对应于所测振动的本地振动。若所测振动较小，与本底振动相差小（5dB以下）时，为准确弄清所测振动，可以再本地振动出现少的时间内进行测量，或关掉碍事的振源。振动加速度级差为10dB以上时，不必进行修正。（2）测量地点本来，，公害振动是因振动传递到建筑而产生的，而且由于受到建筑物振动特性的影响，地表与建筑物内并非以同样的程度振动，而是随频率增大或衰减。由于振动在地面传递的异常，建筑物对振动响应的不一，也有振源处的振动加速度等级不一定于所受损建筑物相符合的情况。因此，对建筑物场所的测量应成为很重要的评价量，但这样又会勉强的将测量的复杂性、各种场合对振动响应的不同涉入限制和规定的范畴。便姑且选择振源处作为测量地点。不过我们可以想象，在调查振动的基础上，为了保证安全即使没有达到建筑物破损的程度，人们也希望将建筑物四周的地表振动量视为评价对象。（3）周围环境的影响压电型传感器在其表面温度发生急剧变化时，会产生杂音。因此，对直接受到强风、雨淋等场所的测量要采取防护措施。压电型传感器的压电元件大部分为瓷质的，随压电形式的不同，受温度影响很大，但目前也出现了影响较小的型式、对于采用电磁型传感器的型式，若在大型变压器或发电机旁，有时会受到很大的电磁影响。因此，要注意选择场所，在确认无多大影响后在进行测量。另外，在传感器和放大器之间增设延长电缆进行测量时，要特别注意接地的方法，避免出现交流电的影响。（4）振动传感器的安防相对一般的地表振动而言，垂直振动多数强于振动，在公害振动的频域内，人们明显感觉到的是垂直振动，因此，可仅以垂直方向的振动作为控制对象。安防传感器时，要注意以下几点。要在地面尽可能平坦且能充分确保水平的位置上安防。要选择充分踩踏结实的地面，尤其是要避免杂草等堆积而成的柔软地面。4建筑振动破坏的防护措施建筑振动破坏的防护，基本上可对振源、传递系统和受振部位分别采取有效措施。但必须根据措施的规模、经费、技术要求等确定其处理方法。下面分别按振动的不同部分考虑防止房屋振动破坏的措施。（1）消除振源。如果恩能够以收效相同但振动轻微的机械设备或职工方法取代并消除振源，则效果最佳。如对工厂机械所产生的振动来说，机械产生的激振力，可通过维修和改良加以消除，以及通过改进操作来尽量减小，同时，还必须考虑激振力的指向性。机械在正常运转时，也会因其它复合的机械的影响而出现强弱不等的振动，此时，就需要一复合影响的观点来考虑振源，而不只是限于单个机械。（2）使设备基础的运动降低到最小。例如，通过增加基础重量，增强基础下部的支撑力，能降低基础的振幅，但需要采取机械的激振力难以传递到基础的方式。如在机械的基础处采用弹起材料作为支撑。一般工厂机械的主要防振措施，就是采用这种弹性支撑。用于防止公害振动的支撑材料一般有：金属弹簧、防振橡胶、空气弹簧等【7】。防振材料有着各自不同的特点，需要结合使用情况加以选择。根据固有频率的不同，选择的标准大致为：4Hz以上时，采用防振橡胶;4Hz以下时，采用金属弹簧、空气弹簧、扭转型防振橡胶；0.5Hz以下时，采用空气弹簧（3）使振动在地基传递过程中减弱。波动在介质中传播时，一般是距离增大则振动减弱，也就是随距离而衰减。这将涉及振源的迁徙、厂区的扩大的等属于工厂和设施的地理位置条件及布置问题。另外，在振源与有可能出现问题的场所之间，采用挖沟的方法来隔离振动，也有望取得防止建筑物振动破坏的效果，但这方面尝试成功的例子较少，在现阶段应用的效果尚不明显。（4）减小受振部位的振动响应。从建筑物基础传递过来的振动，不仅使建筑结构摇动，而且还会使建筑物的部件（如玻璃，拉门等）晃动。在减少振动传递的同时，防止部件的共振和松动，尽管是头痛医头，仍不失为一种重要的措施。在选择最佳措施时，如上述所述，必须依赖于准确的判断和经验，不能只限于考虑某一种措施【8】5结语本文考虑到当然初地震以外的常见振动，对人们生活的不良影响已越来越严重，而又较少有人涉及对建筑振动破坏标准问题研究的现状，针对一般公害振动的自身特点，提出了用振动加速度级来评价一般公害振动的办法，并相应的提出了振动加速度级的测量和建筑振动破坏的一般防护措施。该方法简便实用，符合实际，能较好的评价一般的公害振动，有效的防止建筑物由于一般公振动而受到损害，而且易于工程应用人员掌握。但是由于目前国内关于这方面的统计资料较为匮乏，该方法还不能很快的投入实用并加以推广，只能为以后的研究作一参考。考虑到这方面规范化工作重要的现实意义，建议开展进一步的研究工作。参考文献：[1]曹艳梅，夏禾。振动对建筑物的影响及其控制标准[A]。第十一届全国结构工程学术会议论文集[C]，Vol.Ⅱ:388-392[2]周福霖。工程结构减震控制[M]北京：地震出版社，1997[3]伯野元彦（日），李明昭等译，土木工程振动手册[M].北京：