通過系統(tǒng)分析建筑結(jié)構(gòu)在人的活動及設(shè)備振動等使用荷載的激勵下產(chǎn)生振動的成因及危害，指出現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)抗振設(shè)計方法的不足并提出了改進措施，對采用tmd減振技術(shù)解決結(jié)構(gòu)振動問題提出了自己的看法，同時對建筑結(jié)構(gòu)振動的遠端傳遞問題進行了分析，提出了建立設(shè)備、結(jié)構(gòu)整體有限元分析的解決方法，為消除結(jié)構(gòu)共振問題提供了系統(tǒng)的解決方案。
建筑結(jié)構(gòu)在人的活動及設(shè)備振動等激勵下產(chǎn)生振動的問題雖然是工程界的一個老問題，但已有的文獻也僅是分別從結(jié)構(gòu)抗振或技術(shù)減振的某單一方面進行分析論證，研究振動遠端傳遞問題的文獻僅限于在出現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動問題后從結(jié)構(gòu)加固方面進行分析論證;實際上建筑結(jié)構(gòu)振動問題是一個綜合性的問題，工程設(shè)計中需對其進行系統(tǒng)性的分析;實踐中的情況也是大抵如此，近年來建筑結(jié)構(gòu)振動問題頻頻出現(xiàn)也正說明了這個問題。建筑結(jié)構(gòu)在人的活動及設(shè)備振動等激勵下產(chǎn)生振動的問題，一方面體現(xiàn)在民用建筑領(lǐng)域內(nèi)人的活動激勵導(dǎo)致的樓層振動，另一方面體現(xiàn)在工業(yè)建筑領(lǐng)域內(nèi)設(shè)備振動激勵引起的結(jié)構(gòu)振動。建筑結(jié)構(gòu)振動輕者會影響人們正常生活、工作的舒適度，重者影響生產(chǎn)的正常運行，更嚴重者會影響建筑結(jié)構(gòu)的主體安全。解決建筑結(jié)構(gòu)振動問題的思路歸納起來主要在于結(jié)構(gòu)抗振和技術(shù)減震兩個方面，但更重要是應(yīng)同時考慮結(jié)構(gòu)振動的遠端傳遞問題［1－3］。
1、結(jié)構(gòu)的抗振措施
結(jié)構(gòu)抗振的措施很多，對結(jié)構(gòu)抗振的研究也比較成熟。相比較振動荷載而言，常規(guī)靜荷載條件下僅考慮滿足結(jié)構(gòu)安全時結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度是相對較弱的，結(jié)構(gòu)抗振目的主要是協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)剛度與振動激勵力的頻率關(guān)系避免結(jié)構(gòu)與振動設(shè)備發(fā)生共振現(xiàn)象。在這一前提下，改變結(jié)構(gòu)主體及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度以減弱結(jié)構(gòu)本身對外干擾力的激勵響應(yīng)，通過改變結(jié)構(gòu)的自身頻率回避結(jié)構(gòu)自振頻率接近干擾頻率進而達到結(jié)構(gòu)抗振的目的，是工程設(shè)計人員在遇到結(jié)構(gòu)振動問題時首先要考慮的問題。
1.1 振動類型及成因分析
對民用建筑而言，居住類、辦公類建筑的振動問題尚不明顯，振動表現(xiàn)比較劇烈的主要涉及一些設(shè)有較大會議大廳的會展中心類公共建筑、體育場館類建筑及機場類建筑等，這類建筑的部分樓層在人的活動激勵下發(fā)生局部樓層振動甚或整棟建筑振動的現(xiàn)象較多。對工業(yè)建筑而言，發(fā)生建筑結(jié)構(gòu)振動問題的建筑主要涉及一些設(shè)有振動設(shè)備的多層工業(yè)廠房，振動設(shè)備開啟工作后其振動波通過設(shè)備支座激勵廠房結(jié)構(gòu)主體，最終引發(fā)廠房結(jié)構(gòu)振動問題的產(chǎn)生。根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，工業(yè)廠房建筑內(nèi)必然布置較多的機器設(shè)備，各設(shè)備質(zhì)量輕重不一，振動強弱不同，工作方式方法各異。即便是相同生產(chǎn)工藝的各個廠房建筑內(nèi)設(shè)備布置方式也千差萬別。單就其中的振動設(shè)備而言，各個振動設(shè)備的工作特性(即工作頻率和慣性力大小等)也差別不一。建筑結(jié)構(gòu)的振動和振動設(shè)備的工作特性有很大的相關(guān)性，鋼筋混凝土框架廠房建筑的豎向振動問題基本是由中、高頻振動設(shè)備的工作振動引起的，鋼筋混凝土框架廠房建筑的水平振動問題基本是由低頻振動設(shè)備的工作振動引起的。民用建筑一般不用考慮設(shè)備振動問題，但隨著經(jīng)濟的發(fā)展，建筑設(shè)計、施工技術(shù)均發(fā)生了巨大進步，設(shè)計計算方法的逐步改進，輕質(zhì)、高強新材料大量使用，建筑物的跨度和規(guī)模越做越大，其中一些有代表性的體育場館、會議展覽和機場建筑的樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計跨度越做越大，結(jié)構(gòu)體系變得越來越輕柔，大幅降低了樓蓋的剛度和阻尼，樓蓋自振頻率不斷降低，此時，人們的正?；顒泳统闪艘粋€主要的振動激勵源，當(dāng)樓蓋的自振頻率與室內(nèi)人們活動產(chǎn)生的振動頻率接近時，就會發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致較大的振動作用和振幅，影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用。
1.2 抗振措施
建筑結(jié)構(gòu)的振動主要是通過振幅和頻率這兩個振動特性反映結(jié)構(gòu)振動問題的。對一確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言振動激振力越大，結(jié)構(gòu)振動幅度就越大，也就是結(jié)構(gòu)自身對振動激勵的響應(yīng)程度也越大，降低結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，主要是降低結(jié)構(gòu)共振振幅，當(dāng)振幅小到一定程度時，也就沒有所謂振動問題了，這主要體現(xiàn)了振動的振幅屬性;同時當(dāng)結(jié)構(gòu)自身的自振頻率與振動設(shè)備的激勵頻率接近時，一個較弱的連續(xù)激勵也會引發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的振幅，這主要體現(xiàn)了振動的頻率影響。工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)振動問題與其自身建筑結(jié)構(gòu)的動力特性、振動設(shè)備的動力特性及振動設(shè)備的布置位置相關(guān)。廠房內(nèi)部的工藝設(shè)備布置決定了它的結(jié)構(gòu)布局，廠房的結(jié)構(gòu)布局同樣決定了其結(jié)構(gòu)動力特性。為從源頭避免建筑結(jié)構(gòu)振動問題的發(fā)生，在設(shè)計之初各相關(guān)專業(yè)設(shè)計人員就應(yīng)通力配合，工藝設(shè)計做到設(shè)備布置先進、合理;結(jié)構(gòu)布置做到構(gòu)件受力明確、結(jié)構(gòu)體系傳力路徑直接而迅捷。對具體建筑結(jié)構(gòu)而言，確定了整棟建筑結(jié)構(gòu)布局及其主要梁、柱斷面，也就確定了其整棟建筑結(jié)構(gòu)的自振特性。對直接承受設(shè)備振動干擾的結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，確定了其跨度、斷面及承受的載荷，其自振頻率也是固定的，對工程設(shè)計人員來說，需要做的就是對一建筑確定合理的結(jié)構(gòu)布置、合理的構(gòu)件截面，使振動設(shè)備的振動頻率在建筑結(jié)構(gòu)主體及其結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自振頻率的共振區(qū)間之外，不使結(jié)構(gòu)主體直接受荷構(gòu)件發(fā)生振動，進而達到使整棟建筑結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生振動，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗振的目的。具體到結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先應(yīng)做的是調(diào)整直接承受振動激勵的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度，一是減弱其對振動的激勵響應(yīng)、在不發(fā)生共振時降低振幅，二是使振動設(shè)備的頻率避開結(jié)構(gòu)的共振頻率區(qū)間、避免共振發(fā)生。一般而言，一個振動構(gòu)件的自振頻率隨其剛度的增大而增大，隨其質(zhì)量的增大而減小，同時，其振動的自振頻率數(shù)目等于其自由度的數(shù)目。從理論上講，研究結(jié)構(gòu)的共振問題必須根據(jù)振動結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的自振頻譜進行結(jié)構(gòu)振動計算，但從工程實踐上以及理論分析看，高階頻譜對結(jié)構(gòu)的影響較弱，一般不予考慮，僅需考慮振動結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的低階頻率就足夠滿足工程需要了。由于上述多數(shù)豎向振動問題是由振動設(shè)備的中、高頻工作振動引起的、多數(shù)水平振動問題是由振動設(shè)備的低頻工作振動引起的這一規(guī)律存在。對布置中、高頻振動設(shè)備的多層工業(yè)廠房，要對建筑結(jié)構(gòu)的豎向振動問題給予特別重視;對布置低頻振動設(shè)備的多層工業(yè)廠房，要對建筑結(jié)構(gòu)的水平振動問題著重考慮
2、結(jié)構(gòu)的減振技術(shù)措施
工程設(shè)計中應(yīng)對結(jié)構(gòu)振動問題一般以結(jié)構(gòu)抗振為首要措施，當(dāng)結(jié)構(gòu)抗振成本較高時，應(yīng)當(dāng)采用技術(shù)減振措施來應(yīng)對結(jié)構(gòu)振動問題。目前，采用調(diào)諧振動控制技術(shù)解決結(jié)構(gòu)振動問題是一個新途徑，其中tmd技術(shù)是結(jié)構(gòu)調(diào)諧振動控制中的一種重要型式。調(diào)諧振動控制系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)附加在主體上的子結(jié)構(gòu)的自振頻率實現(xiàn)對主結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)控制。該項技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)的減振控制工程中，目前，其在高層建筑、大跨橋梁、高聳結(jié)構(gòu)等工程中應(yīng)用較多，應(yīng)用于工業(yè)廠房建筑解決結(jié)構(gòu)振動問題的工程實例還不多。tmd技術(shù)是利用共振原理解決振動問題的，一個tmd系統(tǒng)由質(zhì)量塊、彈簧、阻尼器等部分組成，質(zhì)量塊通過彈簧和阻尼器與主結(jié)構(gòu)相連結(jié)。在主體結(jié)構(gòu)受到干擾力作用而振動時，質(zhì)量塊也隨即產(chǎn)生慣性運動，當(dāng)tmd系統(tǒng)的自振頻率與主結(jié)構(gòu)的激勵頻率相協(xié)調(diào)時，tmd系統(tǒng)將通過彈簧、阻尼器向主結(jié)構(gòu)施加反方向作用力來抵消振源設(shè)備傳入主結(jié)構(gòu)的擾動力，降低主結(jié)構(gòu)的對干擾力的振動響應(yīng)，tmd技術(shù)系統(tǒng)被動產(chǎn)生的消能能力大小和質(zhì)量塊的大小及它與主結(jié)構(gòu)之間的相對運動相關(guān)。tmd系統(tǒng)本身有頻率相關(guān)局限性。表現(xiàn)在當(dāng)tmd技術(shù)系統(tǒng)的頻率與主結(jié)構(gòu)的某一頻率接近時，結(jié)構(gòu)的該階頻率振動響應(yīng)會大幅減小，而結(jié)構(gòu)的其它頻率對其響應(yīng)則無確定性。為了克服tmd技術(shù)系統(tǒng)的這種與頻率相關(guān)的局限性，通?？稍谝粋€結(jié)構(gòu)中采用多個tmd技術(shù)系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)串聯(lián)，其中每個tmd分別調(diào)諧不同的模態(tài)頻率，采用多個tmd系統(tǒng)能夠在較寬頻率范圍內(nèi)控制結(jié)構(gòu)的振動。具體工程設(shè)計時可利用tmd原理在工程結(jié)構(gòu)中將結(jié)構(gòu)設(shè)計成為一個包含主、次結(jié)構(gòu)的一個tmd體系:結(jié)構(gòu)主體部分設(shè)計具有較大的剛度，同時設(shè)置較柔性的子結(jié)構(gòu)部分，通過子結(jié)構(gòu)來消能減振。tmd技術(shù)體系的概念十九世紀初首次由西方人frahm提出，后經(jīng)多次演變改進已基本完善。國內(nèi)對tmd技術(shù)的研究相對較晚，基本上是在20世紀初才開始引入該技術(shù)，目前，國內(nèi)大部分高校對此都進行了較深入的研究。tmd技術(shù)以往的研究主要是應(yīng)對風(fēng)和地震對建筑結(jié)構(gòu)的影響，其在西方的應(yīng)用實例較多、應(yīng)用效果比較明顯，除風(fēng)與地震荷載之外，國內(nèi)對它的研究應(yīng)用也在往更寬的范圍探索:如人的活動對大跨輕質(zhì)樓蓋的激勵振動影響、設(shè)備振動對工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)激勵振動的影響等?，F(xiàn)今該技術(shù)在國內(nèi)還處于推廣起步期。tmd減震技術(shù)應(yīng)用于實際工程中需進行詳細的時程分析計算。根據(jù)具體工程情況考慮質(zhì)量塊的增設(shè)問題、質(zhì)量塊相對建筑結(jié)構(gòu)的行程問題、系統(tǒng)支承面與質(zhì)量塊間摩擦阻尼問題。目前工業(yè)建筑應(yīng)對設(shè)備振動引發(fā)的結(jié)構(gòu)振動問題的減振措施主要是通過設(shè)備基座減震技術(shù)實現(xiàn)，具體地說，通過在設(shè)備基座與建筑結(jié)構(gòu)主體之間設(shè)置柔性彈簧、橡膠墊等一般措施，該項減震措施具有相對的局限性，減震效果也受到一定的限制，采用tmd調(diào)諧振動控制技術(shù)解決廠房結(jié)構(gòu)與設(shè)備共振問題的實例還不多。在這方面有很大的探索空間，可以通過移植、改進把這一先進技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)建筑領(lǐng)域內(nèi)，尤其是在一些超大型工業(yè)廠房工程建設(shè)中的應(yīng)用更具有廣闊的前景。
3、建筑結(jié)構(gòu)的振動遠端傳遞問題
結(jié)構(gòu)抗振及技術(shù)減振分別是解決建筑結(jié)構(gòu)振動問題的兩個主要方面，同時，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時對結(jié)構(gòu)、設(shè)備進行統(tǒng)一整體分析以避免發(fā)生振動遠端傳遞對解決結(jié)構(gòu)振動問題更為重要。廠房結(jié)構(gòu)振動問題主要分為結(jié)構(gòu)整體水平振動和樓層結(jié)構(gòu)豎向振動兩類，而且發(fā)生結(jié)構(gòu)水平振動事故較少、發(fā)生廠房樓層結(jié)構(gòu)豎向振動事故較多，這其中由振動的遠端傳遞引發(fā)的結(jié)構(gòu)振動事故占很大的比例。結(jié)構(gòu)的振動問題分為振源層振動和受振層振動兩類:振動設(shè)備和樓板振動問題產(chǎn)生在同一位置稱為振源層振動;振動設(shè)備和樓板振動問題產(chǎn)生不在同一位置稱為受振層振動。振源層由于布置有較多的設(shè)備，其樓面荷載較重，一般基于強度考慮而言其樓層剛度就設(shè)計的比較大，相反，受振層由于布置設(shè)備較少，一般設(shè)計人員基于常規(guī)理念僅考慮規(guī)范樓面活載，其樓層剛度就會設(shè)計的較弱;同時，由于振源層樓板豎向共振會帶來較直觀的結(jié)構(gòu)安全性問題，設(shè)計人員一般也都會比較關(guān)注，結(jié)果就容易造成振源層樓板結(jié)構(gòu)剛度過強、振源層樓板結(jié)構(gòu)剛度與受振層樓板結(jié)構(gòu)剛度差別過大等問題，導(dǎo)致即使振源層樓板產(chǎn)生微小振幅的振動，受振層樓板也會產(chǎn)生很大的動力響應(yīng)，這就是近年來發(fā)生受振層振動事故較頻繁的主要原因。在這里，受振層是一個廣義的概念，它是相對于振源層而言的，它可能是設(shè)備振源樓層的相鄰上、下樓層，也可能是設(shè)備振源樓層的同層左、右相鄰跨間，可能是設(shè)備振源樓層的遠端相鄰樓層、跨間，還可能是建筑結(jié)構(gòu)整體與其地基的共振?，F(xiàn)在的常規(guī)設(shè)計手段、設(shè)計方法也是產(chǎn)生振動遠端傳遞問題的癥結(jié)所在，大部分設(shè)計單位設(shè)計人員在遇到需考慮振動問題的工程時，基本都采用簡化的方法進行分析計算。一種方法是僅對直接承受振動荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件考慮振動效應(yīng)，即提高直接承受振動荷載的大梁剛度，不使振動設(shè)備與其產(chǎn)生共振，也就是對該承受振動荷載的大梁設(shè)計采用剛度控制，整體設(shè)計時按常規(guī)利用程序設(shè)計軟件進行空間建模計算，此時不再考慮設(shè)備振動對整體結(jié)構(gòu)的效應(yīng)影響，最多也就考慮一個很小的振動荷載放大系數(shù)，從另一方面說現(xiàn)行的一般軟件也沒有這個振動分析功能，這個設(shè)計方法現(xiàn)在在煤炭設(shè)計行業(yè)較為常用。另一種設(shè)計方法是不再對直接承受振動荷載的構(gòu)件進行單獨振動考慮，設(shè)計分析時直接利用現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件空間建模計算，在荷載輸入時再按相關(guān)規(guī)范對振動荷載乘上一個較大的動荷放大系數(shù)，這個方法在機械運輸行業(yè)常用。嚴格意義上講這兩種方法都不嚴謹、都有局限性，也都不能有效考慮振動的遠端傳遞問題。從理論研究的層面來看，有關(guān)的研究大都是在出現(xiàn)遠端振動問題后著眼于主要受力構(gòu)件和廠房整體的簡化分析上?？陀^情況是設(shè)備振動必然引發(fā)其支撐結(jié)構(gòu)振動，振動波就從設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)傳播到整個振源層結(jié)構(gòu)，繼而引發(fā)整個結(jié)構(gòu)體系的振動，從而使設(shè)備的振動波及到整個廠房結(jié)構(gòu)。當(dāng)某部分樓層結(jié)構(gòu)的自振頻率和設(shè)備工作頻率接近時，就會引發(fā)該部分樓層結(jié)構(gòu)共振，當(dāng)?shù)鼗鶙l件較差時，振動也會引起廠房地基共振問題，從而加劇受振層振害。這就是造成受振層樓板共振響應(yīng)的原因。另外，由于造成受振層振動的振源是振動設(shè)備，而設(shè)備和受振樓板并不在同一位置，在對其進行動力響應(yīng)分析時也很難采用簡化的模型。結(jié)構(gòu)發(fā)生遠端傳遞的位置是不特定的，可能是設(shè)備振源層上層、上上層，也可能是設(shè)備振源層下層、下下層;可能是設(shè)備振源層同層其他跨間樓板，還可能是是結(jié)構(gòu)整體與基礎(chǔ)共振，在這種情況下采用該文提到的部分結(jié)構(gòu)整體分析可能就不能完全判斷出振動遠端傳遞的受振層位置、進而徹底解決振動遠端傳遞問題。［3］要有效地解決振動遠端傳遞問題，至少需要從以下幾個方面考慮［4，5］:
1)修正現(xiàn)行的簡化設(shè)計方法。首先，現(xiàn)行采用的對直接承受振動荷載的大梁設(shè)計采用剛度控制，擴大其截面、提高其剛度，不使振動設(shè)備與其產(chǎn)生共振，這當(dāng)然正確，關(guān)鍵是下一步，因為剛度較弱的樓面結(jié)構(gòu)必然對振源的振動響應(yīng)較大，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時就應(yīng)該在直接受荷大梁的剛度滿足需要的同時，有意擴大其他非振動設(shè)備布置樓層的剛度，減小其與振動設(shè)備樓層的剛度比。當(dāng)然，這只是一個定性的感念，需要采用程序進行試算調(diào)整，由于具體的樓層荷載大小差異、振動頻率差異等原因，具體多大的剛度比合適，只能具體問題具體分析。
2)運用tmd等技術(shù)減小振動干擾對主體結(jié)構(gòu)的激勵。
3)利用新技術(shù)改變現(xiàn)行的設(shè)計手段。
各設(shè)計單位現(xiàn)行的設(shè)計手段一般是采用常規(guī)的設(shè)計軟件進行空間整體分析，如采用中國建筑科學(xué)研究院的pkpm系列軟件、北京盈建科軟件公司的盈建科軟件、廣東的廣廈軟件、上海佳構(gòu)軟件公司的佳構(gòu)stｒat軟件等，這些軟件都沒有這方面的振動分析的功能，利用其對振動荷載進行計算設(shè)計當(dāng)然要出問題，要解決這個問題結(jié)構(gòu)設(shè)計時最好采用具有有限元振動分析功能的設(shè)計軟件aysys等進行計算分析，同時振動分析應(yīng)盡對相關(guān)影響因素考慮全面，每一個忽視的因素都有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動問題發(fā)生，不完備的數(shù)據(jù)分析結(jié)果也是不可靠的，有條件的情況下最好采用第二程序分析復(fù)核。同時，由于受振層的動力響應(yīng)和整個廠房結(jié)構(gòu)體系都有關(guān)系，設(shè)計時必須建立包含設(shè)備、結(jié)構(gòu)在內(nèi)的整體有限元分析模型。當(dāng)?shù)鼗鶙l件較差時，應(yīng)考慮地基對結(jié)構(gòu)振動的影響及設(shè)備和結(jié)構(gòu)連接方式影響等一系列因素。
4、結(jié)語
建筑結(jié)構(gòu)振動是在結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用過程中經(jīng)常遇到的問題，它的成因比較復(fù)雜，并且由于每個建筑的實際情況各不相同，故沒有固定的解決模式可循?？傮w來說，結(jié)構(gòu)抗振和技術(shù)減振是工程設(shè)計中解決結(jié)構(gòu)振動問題的兩個主要方面，一般在工程設(shè)計中要以結(jié)構(gòu)抗振為主要應(yīng)對措施，在結(jié)構(gòu)抗振成本較高時要考慮設(shè)備減振和結(jié)構(gòu)減振等具體減振措施，同時，建立設(shè)備、結(jié)構(gòu)整體模型進行有限元分析計算是保證避免發(fā)生結(jié)構(gòu)振動遠端傳遞問題的有效手段。在具體工程中應(yīng)根據(jù)實際情況合理選擇經(jīng)濟合理的解決方案，避免工程中出現(xiàn)共振問題發(fā)生。