结构共振及对策研究

结构共振及对策研究摘要：本文阐明了结构共振问题的概念和定义，通过分析基础有简谐振动的体系的振动反应说明共振的原理。提出了防止共振产生的一些措施。关键词：共振；频率；措施；1906年，在俄国彼得格勒的爱纪华特大桥上，走过一支沙皇军队，步伐整齐，咧咧作响，突然间一声巨响，大桥崩塌了，顿时马嘶人嚎，纷纷落水。经过调查，破坏者就是受害者，士兵整齐的正步走所产生的振动周期，与桥梁挠度的振动周期相同，共振导致了桥毁人亡。当建筑物的自振周期与几个振源相同或接近时，建筑物自然会发生晃动。这些振源来自工厂机械的转动或振动、打桩机、爆破、车辆行进等，在城市中振源很多，可能单独作用，也可能共同作用，寻觅较困难。物理学告诉我们，凡是共振的两个物体，它们的固有频率相同或成简单的整数比，如l/l、l/2、2/3等，都会发生共振现象。1共振分析共振是当振动体在周期性变化的外力作用下，若外力的频率与振动体固有频率很接近或相等时，振动的幅度就会急剧增大。如图1所示,一基础有简谐振动的体系，设基础的振动方程为tsinYybb，物体的质量为m，弹簧刚度为K，阻尼器的阻尼值为C。取物体在静平衡位置的状态为初始状态。物体的运动方程为y（t）。以下分析物体在简谐振动荷载作用下的振动反应（物体的绝对位移反应）。取隔离体如图2所示物体受到的弹性力、惯性力、阻尼力分别为)y-K(ybsF、)y-yC(b。。CF、。。ymIF.列平衡方程0F有tsintcosyyymbbKYYCKC。。。等式右边可以看做等效简谐荷载）（rtsinP*O，其中222b222b*O41KYKCYP,arctan2KCarctanr.）（tYsiny其中222b41YY,2212arctanr21222222]41[）（为便于直观理解，引入绝对位移传递系数T,其中222222222T4141）（。下面对T进行讨论：（1）当1时，T=1，此时体系位移同基础位移。（2）当2时，T=1，此时T与阻尼无关且静平衡位置（）yb图1图2体系位移同基础位移。（3）当1时，T1,且有峰值，此种情况发生共振反应。（4）当2时，T1,此时物体振幅值小于基础振幅值。当体系无阻尼时，动力系数2211，其图形如图3所示。讨论：（1）1时，=1，可将p（t）看作静载。（2）10时，1,动力系数随频率比增大而增大。（3）1时，趋于无穷大，共振。一般认为1.250.75为共振区，工程设计中应避免。（4）1时，动力系数的绝对值随频率比增大而减小。为负时表示位移与荷载反向。（5）1时，趋于0。2减震原理受迫振动的频率与荷载的变化频率相同时，动位移、惯性力以及体系的动内力均与干扰力同时达到幅值。当时，动力系数0，动位移与干扰力方向相同。当时，动力系数0，动位移与干扰力方向相反。当时，趋于1，这种情况相当于静力作用。当时，趋于0，表明当干扰力频率远大于自振频率时，动位移趋于0。共振现象的形成是能量聚集的过程，引起的振幅是由小渐大，所以在电机转动转速骤增通过共振区时，一般不会引起结构过大的变形。在处理共振问题时，要区分共振前区和共振后区。在共振前区可采取刚性方案，例如增加梁的截面使刚度增加，从而也使自振频率增加。在共振后区可采取柔性方案，例如在满足强度要求的情况下通过减小梁的截面使自振频率减小。设计时一定要注意，不能盲目增加构件的尺寸。有时增大构件尺寸可能对结构动力响应不利。3减震措施从震灾害调查资料可以看出，建筑物固有频率与地震主频相接近，是造成结构共振破坏的主要原因。因此，在进行高层建筑抗展设计时，首先应测量建筑场地的脉动频率，据此估算该场地的地震主频，然后，在结构设计时，使结构固有频率避开地震主频。软弱场地土在远震作用下会激发长周期的振动，对高层建筑十分不利。故高层建筑的场地应避免选择在软弱场地上。另外在多层及高层工业厂房中，由于工艺布置流程，一些设备在使用过程中会产生较大的往复振动，这些往复振动直接作用在楼层上，会导致楼盖产生竖向振动或水平振动。在竖向振动时由于设备的自振频率和直接承受动力荷载的梁的自身频率相重叠，产生共振导致梁的竖向振幅叠加急剧增大，影响设备的正常使用，甚至危害承重构件的安全，这种情况在动力荷载较大时尤为明显。因此，在设计时应避免设备产生的竖向振动的频率与承重结构的自身频率产生共振。减震措施：(1)刚性减振刚性减振，就是提高支承结构(包括基础)的刚度和整体性，从而减小振源振动的输出。为了满足动力荷载作用下的结构强度受振结构通过动力分析，确定其必要的断面和刚度。此外，尚应避免降低结构垂直自振频率，造成与干扰频率接近或一致，而出现共振现象。除增加构件断面外，还可增设减小结构跨度的立柱或斜撑，从而提高支承结构的自振频率。对于基础，一般可采用硅化或灌注水泥浆胶结松散地基;在基础周边打桩;加大设备基础底面积;加深基础或加强地面与设备基础上部的整体联接:均能在一定程度上达到提高地基刚度的目的。（2）隔离振源隔离振源，就是采取积极隔振措施减少振源输出的振动能量。当设备因生产线流程的需要，无法改变位置，而增大支承结构刚度又不经济时，应对该设备基础采取柔性隔振。4结论在解决建筑结构中的异常振动问题时,首先应通过振动计算和振动测试,查明发生异常振动的原因,然后根据其产生的原因采取相应的对策。在确定解决方案时,也应先通过试算确定方案中的各项参数,以找到经济、合理的解决办法。