去年，泉州大樓倒塌，有韓國(guó)三豐做為前例；今年賽格振動(dòng)，韓國(guó)亦有先例。真是好朋友。

同樣都是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，同樣都是豎向震動(dòng)，韓國(guó)2011年發(fā)生的39層建筑豎向振動(dòng)的原因分析非常值得借鑒。

39層辦公樓豎向震動(dòng)事故及原因分析

藍(lán)涌1號(hào)、大原公園*2號(hào)和成植宇31號(hào)

韓國(guó)丹國(guó)大學(xué)建筑工程系教授

韓國(guó)丹國(guó)大學(xué)建筑工程系助理教授

韓國(guó)現(xiàn)代建筑師和工程師協(xié)會(huì)技術(shù)服務(wù)組/結(jié)構(gòu)和土木工程團(tuán)隊(duì)經(jīng)理

摘要

2011年7月5日上午10時(shí)許，位于首爾古伊洞的Techno Mart 21號(hào)樓發(fā)生10至15分鐘的建筑物晃動(dòng)，導(dǎo)致居民緊急疏散。因?yàn)檫@座建筑是一座39層的建筑，從上層疏散需要很長(zhǎng)時(shí)間。在事故發(fā)生的最初階段，韓國(guó)政府運(yùn)營(yíng)的韓國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施安全公司（Korea Infrastructuresafety Corporation）進(jìn)行了緊急安全評(píng)估，確定該建筑結(jié)構(gòu)是安全的。在專家組審查振動(dòng)源之前，向新聞界發(fā)布的關(guān)于地基沉降、風(fēng)振和氣候振動(dòng)的推測(cè)性報(bào)告進(jìn)一步加劇了這種社會(huì)恐慌。因此，有必要發(fā)現(xiàn)振動(dòng)原因并提出解決方案。

研究的目的是對(duì)振動(dòng)原因進(jìn)行初步調(diào)查，通過對(duì)預(yù)測(cè)的振動(dòng)源進(jìn)行調(diào)查和結(jié)構(gòu)分析，確定振動(dòng)的確切原因，并制定適當(dāng)?shù)拇胧乐勾祟愂鹿试俅伟l(fā)生。

1.簡(jiǎn)介

1.1事故概述

2011年7月5日上午10時(shí)左右，位于首爾貴洞的Techno Mart 21發(fā)生了10到15分鐘的建筑物晃動(dòng)，導(dǎo)致租戶緊急疏散。因?yàn)檫@座建筑是一座39層的建筑，從上層疏散需要很長(zhǎng)時(shí)間。據(jù)報(bào)道，9·11恐怖襲擊期間，高層人員疏散用了一個(gè)多小時(shí)，因此，高層建筑疏散的風(fēng)險(xiǎn)問題是租戶的敏感問題。此外，由于1995年三浦百貨公司倒塌期間約有500人死亡，韓國(guó)人對(duì)建筑事故的反應(yīng)更為敏感，這已成為一個(gè)重大的社會(huì)問題。在事故發(fā)生的最初階段，韓國(guó)政府運(yùn)營(yíng)的韓國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施安全公司（Korea Infrastructuresafety Corporation）進(jìn)行了緊急安全評(píng)估，確定該建筑結(jié)構(gòu)是安全的。然而，由于振動(dòng)源仍然不明，導(dǎo)致大廈租戶和使用者更加焦慮和擔(dān)憂，導(dǎo)致在商場(chǎng)購物的人數(shù)減少，商家收入隨之下降。在專家組審查振動(dòng)源之前，向新聞界發(fā)布的關(guān)于地基沉降、風(fēng)振和氣候振動(dòng)的推測(cè)性報(bào)告進(jìn)一步加劇了這種社會(huì)焦慮。因此，有必要發(fā)現(xiàn)振動(dòng)源并提出解決方案。

研究的目的是對(duì)振動(dòng)源進(jìn)行初步調(diào)查，通過對(duì)預(yù)測(cè)的振動(dòng)源進(jìn)行調(diào)查和結(jié)構(gòu)分析，確定振動(dòng)的確切原因，并制定適當(dāng)?shù)拇胧┓乐勾祟愂鹿试俅伟l(fā)生。

1.2建筑概況

發(fā)生異常振動(dòng)事故的建筑物概況見表1。

表1.建筑物概況

類別	Description
建筑規(guī)模	地下6層，地上39層
結(jié)構(gòu)型式	結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)+鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)
竣工時(shí)間	1998年8月18日
運(yùn)行時(shí)間	約13年
主要用途	辦公、購物、演藝和體育設(shè)施
最大高度	188.7m

 

2.振動(dòng)事故調(diào)查

2.1振動(dòng)事故及描述

本節(jié)描述了發(fā)生振動(dòng)之日（2011年7月5日至8月11日）期間發(fā)生的事故和采取的措施。詳細(xì)說明了第一次振動(dòng)事故，并向國(guó)家應(yīng)急管理局（NationalEmergency Management Agency）報(bào)告了當(dāng)?shù)卣扇〉拇胧A(yù)防中心和建筑運(yùn)營(yíng)部，天花板突然塌陷，以及初次報(bào)告后大約一個(gè)月發(fā)生的第二次振動(dòng)事故。

1)第1次振動(dòng)事故

2011年7月5日上午10點(diǎn)10分起，位于首爾光津谷谷洞的Techno Mart大樓持續(xù)振動(dòng)10到15分鐘，國(guó)家應(yīng)急管理局收到報(bào)告。工程處于下午2時(shí)緊急疏散大樓租戶，并召集建筑結(jié)構(gòu)專家開會(huì)，制定對(duì)策。會(huì)上，他們決定委托專門從事大型結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的韓國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施安全公司對(duì)該建筑進(jìn)行緊急安全評(píng)估。

安全評(píng)價(jià)結(jié)果表明，建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和基礎(chǔ)沒有引起異常振動(dòng)，相關(guān)專家初步認(rèn)為是由異常振動(dòng)引起的共振效應(yīng)。然而，異常振動(dòng)的原因仍然不明，因此決定進(jìn)行調(diào)查，以追查確切原因。

2)天花板塌陷

第1次振動(dòng)事故發(fā)生后，2011年8月3日，商業(yè)大廈10層天花板飾面材料突然掉落，租戶向國(guó)家應(yīng)急管理局報(bào)告了該事件。有關(guān)部門召集參加第一次振動(dòng)事故調(diào)查的專家進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。根據(jù)實(shí)地調(diào)查的結(jié)果，證實(shí)在這起事件發(fā)生之前，已對(duì)天花板內(nèi)部進(jìn)行了定期安全檢查。特別是在墜落的天花板上發(fā)現(xiàn)了安全檢查人員的腳印和損壞痕跡，由此證實(shí)，這起事件并非振動(dòng)所致。

3)第二次振動(dòng)事故

在第一次振動(dòng)事故調(diào)查結(jié)束前后，8月11日上午11時(shí)許，類似第一次振動(dòng)事故的振動(dòng)發(fā)生了1至2分鐘，租戶再次向國(guó)家應(yīng)急管理局報(bào)告了這起事件。召集參加第一次振動(dòng)事故調(diào)查的專家開會(huì)。這起事件發(fā)生時(shí)，專家們正在確定最初事故的原因并計(jì)劃對(duì)事故進(jìn)行演示，這增加了他們對(duì)最初調(diào)查結(jié)果的信心。

2.2推測(cè)的振動(dòng)源

研究人員無法準(zhǔn)確了解振動(dòng)事故發(fā)生的情況。因此，他們提出了可能的振動(dòng)源進(jìn)行分析和再現(xiàn)，以推斷振動(dòng)源。研究人員提出的可能的振動(dòng)源包括風(fēng)荷載、空調(diào)控制室機(jī)械振動(dòng)、基礎(chǔ)沉降和結(jié)構(gòu)裂縫；具體如圖1所示。

圖1 推測(cè)建筑物震動(dòng)源

1)風(fēng)荷載：由風(fēng)吹到結(jié)構(gòu)上引起的渦流等因素引起的垂直振動(dòng)

2)空調(diào)控制室機(jī)械振動(dòng)：位于Techno Mart辦公樓各層的空調(diào)控制室內(nèi)的空調(diào)設(shè)備引起的機(jī)械振動(dòng)引起的共振現(xiàn)象

3)辦公樓12層健身中心：健身中心因旋轉(zhuǎn)、跑步機(jī)、集體有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)等引起的振動(dòng)共振現(xiàn)象引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)

4)商業(yè)大廈9層CGV4D影院：4D放映設(shè)備振動(dòng)共振現(xiàn)象引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

此外，還提出了前一天暴雨引起的地基沉降和基礎(chǔ)失效的問題，但在實(shí)地考察中，確定這種現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生，不會(huì)引起這種振動(dòng)。因此，對(duì)上述四種可能的原因進(jìn)行了分析。

3.設(shè)計(jì)文件審查

3.1一般細(xì)節(jié)

Techno-mart21大樓的設(shè)計(jì)文件必須包含生產(chǎn)和安裝結(jié)構(gòu)所需的明確信息，如每個(gè)構(gòu)件的尺寸和位置、柱中心、帶肋部件的尺寸、螺栓的尺寸和數(shù)量、焊接尺寸和其他細(xì)節(jié)。因此，為了了解建筑物的現(xiàn)狀和信息，確定其是否按照設(shè)計(jì)文件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在安全評(píng)估中使用這些信息，本節(jié)介紹了設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)計(jì)算文件的審查結(jié)果。

3.2結(jié)構(gòu)圖主要內(nèi)容

1)辦公樓的所有梁和柱都是用鋼制造的。大跨方向?yàn)榭箯澘蚣埽炭绶较驗(yàn)橹慰蚣埽诵膲榧袅﹁旒軌ΑＫ鼈儽辉O(shè)計(jì)成雙重體系，能夠抵抗風(fēng)和地震荷載。

2)二層及以上采用鋼模橋面板體系，一層及以下采用鋼筋混凝土板體系。

3)辦公樓地下層的梁和柱都是鋼制。

4)商場(chǎng)地下層柱采用型鋼混凝土，地下一、二層梁采用型鋼混凝土，地下三、五層梁采用鋼筋混凝土。

5)地下室外墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

6）購物中心采用獨(dú)立基礎(chǔ)，和辦公樓的采用筏板基礎(chǔ)。

7)花崗巖在頂部用600 mm的板填充，并設(shè)計(jì)為在集水坑處排放預(yù)計(jì)的進(jìn)水。

8)辦公樓的鋼柱為箱形柱，直至第13層。14層及以上大跨方向（不含核心）外柱按箱型柱設(shè)計(jì)，其余柱按H型柱設(shè)計(jì)。

9)辦公樓框架結(jié)構(gòu)（不含核心）短跨方向跨度主要為10.2m和7.5m，大跨方向跨度主要為7.2m。

3.3設(shè)計(jì)文件評(píng)審

建筑設(shè)計(jì)文件的審查結(jié)果可如下：

1)設(shè)計(jì)圖紙和報(bào)告的審查結(jié)果證實(shí)，設(shè)計(jì)文件中準(zhǔn)確提供了所有信息。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合KBC-19963標(biāo)準(zhǔn)。

3)結(jié)構(gòu)計(jì)算書中所述的構(gòu)件和接頭詳圖與設(shè)計(jì)圖紙中所示的構(gòu)件和詳圖一致。

4)對(duì)設(shè)計(jì)文件的審查證實(shí)，該建筑的設(shè)計(jì)符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，在受力方面沒有問題。

4.振源預(yù)測(cè)

4.1一般細(xì)節(jié)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和演示如圖2所示。對(duì)推測(cè)出的振動(dòng)源，包括風(fēng)荷載、來自空調(diào)控制室、健身中心和4D影院的機(jī)械振動(dòng)等，進(jìn)行了振動(dòng)源的識(shí)別。具體情況如下：

圖2  振動(dòng)測(cè)量和推測(cè)的振動(dòng)源

4.2振源預(yù)測(cè)與再現(xiàn)

4.2.1風(fēng)荷載引起的振動(dòng)

韓國(guó)氣象局向公眾提供了以單元為單位的恒定風(fēng)速測(cè)量。根據(jù)資料顯示，振動(dòng)事故發(fā)生時(shí)的風(fēng)力比平時(shí)平緩，據(jù)此判斷，風(fēng)荷載引起的振動(dòng)沒有比平時(shí)更大的原因。然而，由風(fēng)荷載引起的振動(dòng)是最常見的，有許多專家預(yù)測(cè)振動(dòng)事故是由風(fēng)荷載引起的。因此，決定在建筑物附近出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)等高強(qiáng)度風(fēng)的情況下測(cè)量建筑物的振動(dòng)。

預(yù)計(jì)事故發(fā)生40天后，臺(tái)風(fēng)“梅花”將帶來高強(qiáng)度風(fēng)，并對(duì)建筑物的振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果顯示，當(dāng)時(shí)沒有人感覺到任何振動(dòng)，建筑物的上部也沒有顯示因振動(dòng)而放大。

4.2.2 4D劇場(chǎng)機(jī)械振動(dòng)

該建筑包含4D影院，在座椅移動(dòng)過程中產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。在電影放映過程中向觀眾呈現(xiàn)更真實(shí)的體驗(yàn)。但是，振動(dòng)事故發(fā)生在4D電影放映前，座椅振動(dòng)發(fā)生在電影開始30分鐘后。根據(jù)這些結(jié)果，確定4D影院的機(jī)械振動(dòng)對(duì)上午10點(diǎn)左右發(fā)生的振動(dòng)沒有影響。

表2. 4D影院時(shí)間表

放映電影	變形金剛3
第一次放映時(shí)間	10:30
第二次放映時(shí)間	13:00

 

4.2.3健身房集體韻律操

在健身中心有各種各樣的鍛煉項(xiàng)目，根據(jù)室內(nèi)人員的位置不同，可能會(huì)出現(xiàn)各種形式的振動(dòng)。因此，檢查由集體有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)（Taebo）等引起的加速度和振動(dòng)的大小是否可以傳遞到22、26、30和34層，這些運(yùn)動(dòng)可以周期性地在地板上產(chǎn)生強(qiáng)烈或持續(xù)的振動(dòng)。特別是，由于26樓有空辦公室，沒有理由產(chǎn)生異常振動(dòng)，如果外部荷載與建筑物的固有頻率相匹配，共振現(xiàn)象發(fā)生的可能性最大。

1)人體激振實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證2.7Hz的頻率，隨著跑步機(jī)的運(yùn)行，該頻率被略微放大，在G.X.室內(nèi)使用節(jié)拍器進(jìn)行了激振實(shí)驗(yàn)，并檢查了振動(dòng)傳輸和放大。

1振動(dòng)激勵(lì)和測(cè)量計(jì)劃

圖3以及圖4顯示12層健身中心G.X.室的視圖，在該視圖中進(jìn)行了振動(dòng)激勵(lì)實(shí)驗(yàn)。

圖3  12層平面圖（健身中心）

圖4  12樓健身中心G.X.室人體激振

圖5  12層結(jié)構(gòu)振動(dòng)激勵(lì)的時(shí)程及FFT分析

在2.7Hz頻率下進(jìn)行垂直振動(dòng)，確定可能引起垂直振動(dòng)，每隔一定時(shí)間使用節(jié)拍器，14人，振動(dòng)激發(fā)時(shí)間為3分鐘。如圖5所示，對(duì)12層樓板的加速度響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量。

2)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

在建筑物上部進(jìn)行加速度時(shí)程分析和頻率分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，加速度在一段時(shí)間后增加，與兩種測(cè)量的跆拳道鍛煉項(xiàng)目不同，這種趨勢(shì)在所有測(cè)量的樓層都顯示出來。此外，加速度響應(yīng)的放大在上層樓層更為突出，證實(shí)振動(dòng)激勵(lì)的頻率（2.7Hz）是在垂直方向放大振動(dòng)的頻率。

圖6 Taebo 34層和36層的FFT分析

加速度響應(yīng)的放大如圖7、8所示，這是頻率分析的結(jié)果。如圖示在人類的振動(dòng)激勵(lì)下，旋轉(zhuǎn)和跑步機(jī)的頻率分析結(jié)果中看到的特定數(shù)量振動(dòng)的放大率更大，并且證實(shí)地板越高，放大率越高。

圖7  人激勵(lì)振動(dòng)加速度的時(shí)程分析

圖8   人激勵(lì)振動(dòng)后的頻率分析結(jié)果

表3和表4顯示了12層和34層加速度響應(yīng)的最大值和均方根值的比較。如表3所示，在均方根響應(yīng)的情況下，進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)的樓層的加速度較高，34層的響應(yīng)分布較低，但高于旋轉(zhuǎn)或跑步機(jī)操作引起的響應(yīng)。

表3.集體運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度的比較（RMS）

表4.使用團(tuán)體運(yùn)動(dòng)的加速度比較（峰值）

4.2.4機(jī)械室和風(fēng)引起的振動(dòng)

空調(diào)控制室現(xiàn)有設(shè)備處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。因此，沒有理由認(rèn)為它是一個(gè)新的振動(dòng)源。機(jī)械室中的各種機(jī)器產(chǎn)生的振動(dòng)頻率明顯高于建筑物的固有振動(dòng)頻率，因此確定空調(diào)控制室產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)與振動(dòng)事故無關(guān)。此外，根據(jù)韓國(guó)氣象局提供的氣象數(shù)據(jù)，確認(rèn)振動(dòng)事故發(fā)生時(shí)的風(fēng)荷載較低，如表所示。

4.3共振現(xiàn)象

一切物質(zhì)都有其獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的特征在數(shù)學(xué)上被稱為固有頻率和固有周期。當(dāng)物體的固有振動(dòng)頻率等于外力的振動(dòng)頻率時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。在一般振動(dòng)的情況下，振動(dòng)在遠(yuǎn)離震中的地方減弱，而在共振的情況下，振動(dòng)在遠(yuǎn)離震中的地方變得更強(qiáng)。這種現(xiàn)象可以根據(jù)[Eq.1]所示結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)放大系數(shù)來理解。

[Eq.1]表示根據(jù)外力振動(dòng)頻率和結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率的位移放大系數(shù)，基于此的振動(dòng)頻率比如圖9所示。該方程表明，當(dāng)外力和結(jié)構(gòu)的自振頻率相匹配（fp/fn=1）時(shí)，位移響應(yīng)幾乎被無限放大，這種放大效應(yīng)稱為共振現(xiàn)象。

圖9 共振現(xiàn)象的概念

然而，由于阻尼效應(yīng)干擾了實(shí)際結(jié)構(gòu)和物體的運(yùn)動(dòng)，放大率隨強(qiáng)度的增加而減小，如圖8中實(shí)線所示(阻尼（1.0%）和無限放大在現(xiàn)實(shí)中并不存在。法國(guó)安格爾大橋（1850年）、美國(guó)華盛頓塔科馬大橋（1940年）和千禧橋的倒塌都是由共振現(xiàn)象引起的；這些事故的發(fā)生是由于行人的振動(dòng)頻率或與結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)頻率相匹配的風(fēng)荷載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移放大所致。

這座建筑的情況非常不尋常，因?yàn)槿祟惣w有節(jié)奏的運(yùn)動(dòng)在結(jié)構(gòu)的縱向發(fā)生了共振，位移的放大太小，對(duì)建筑的安全沒有影響，但卻給建筑使用者帶來了不適。

共振現(xiàn)象不僅有負(fù)面影響，而且在現(xiàn)實(shí)生活中非常有用。例如，切換到某個(gè)無線電或電視頻道集中有關(guān)的外部頻率信號(hào)，以引起與接收器的共振，并允許用戶接收廣播。

5.結(jié)論

對(duì)預(yù)測(cè)的振動(dòng)源（包括健身中心、4D影院、風(fēng)荷載和機(jī)械振動(dòng)）進(jìn)行了測(cè)量/演示，并測(cè)量了風(fēng)致振動(dòng)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，審查了每個(gè)振動(dòng)源的加速度響應(yīng)，結(jié)果如下：

（1)對(duì)于辦公樓12層的健身中心，對(duì)振動(dòng)事故發(fā)生時(shí)可能產(chǎn)生振動(dòng)的集體有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)、在跑步機(jī)上旋轉(zhuǎn)和跑步進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和演示，結(jié)果表明，在跑步機(jī)上旋轉(zhuǎn)和跑步對(duì)建筑物上層的振動(dòng)沒有影響。此外，像Taebo這樣的練習(xí)確實(shí)有傳遞到上層的頻率特性，但沒有放大振動(dòng)。

（2)在2.7Hz重復(fù)的有節(jié)奏的運(yùn)動(dòng)情況下，這是建筑物的垂直振動(dòng)模式，頻率特性被傳遞到上層，加速度的放大在高層增加。由一組人進(jìn)行的重復(fù)性有節(jié)奏的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起共振并增加振動(dòng)水平，并被確定為2011年7月5日發(fā)生的振動(dòng)源。

致謝

本研究由丹國(guó)大學(xué)研究基金于2014年進(jìn)行。

工具書類

1)新聞報(bào)道，http://www/news/nation/2011/07/1190308.html

2)ParkTW，《三浦百貨大樓倒塌原因檢查》，法醫(yī)學(xué)國(guó)際，2012年；217:第119-126頁。

3)建設(shè)和運(yùn)輸部，韓國(guó)建筑規(guī)范-1996。

4)http://www.kma.go.kr/weather.obsrvation/pastcal.jsp，韓國(guó)氣象局網(wǎng)站。

5)Min，KW，Lee，SH，Kim，JK，（2004）帶粘彈性阻尼器的5層鋼框架振動(dòng)試驗(yàn)，工程結(jié)構(gòu)，第26卷，第6期，第831-839頁。

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完

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