基于结构共振理论的建筑物拆除新思路

摘 要：随着城市化进程的加快和旧城改造和新区建设的需要，房屋拆迁在当今时代以及未来，必然是一个热门的话题。该文针对建筑物拆除过程中传统方法的不足，提出了利用共振器给旧建筑施加与结构体系自振频率相同的外荷载使其发生破坏的新技术以达到可持续发展战略的要求，并且共振拆除的建筑物倒塌后解体效果好，有利于实现资源的回收再利用，如此类绿色环保的拆除方式在今后必将成为主流。

关键词：共振 框架结构 自振频率 可持续

中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（b）-0043-02

New ideas of dismantling the structure of buildings based on Resonance Theory

YANG Chen

College of civil engineering Shandong University of Science and Technology Shandong Qingdao 266510

Abstract：along with the city to speed up the process and the transformation of the old city and new construction of housing units in the modern era， and notHere， it is a hot topic. Aiming at the shortcomings of traditional methods of building demolition process， proposes the use of resonanceThe old building is to apply new technology self vibration frequency of the same external loads and structural system. The failure to achieve sustainable developmentDevelopment strategy of disintegration， good effect and resonance demolished buildings collapsed， is conducive to recovery and reuse the resources，Such green removing way in the future will become the mainstream.

Keywords：resonance frame structure vibration frequency sustainable

1 传统方法存在的问题

随着社会的不断发展，城市改造中需要拆除大量的废旧建筑物，建筑物的拆除已成为全球建筑行业和爆破界的焦点。由于目前城市高层建筑物结构类型多样，拆除方法也不尽相同，国内的相关技术有爆破法、人工拆除法、重力锤冲击破坏拆除法、切割拆除法、静态膨胀剂破碎法等，其中最常用要数爆破法，但由于如今爆破法的理论落后于经验，爆破工程设计不严密，技术不够完善，建筑物拆除过程中发生过很多危险事故。除了安全问题，爆破法还会有一系列的负面效应，诸如爆破飞石、超压气流、爆破噪声、爆破有害气体、塌落区占地空间大影响交通等问题。因此拆除爆破在有些国家很难获得批准，在日本拆除爆破受到来自民间和政府的抵制。

鉴于上述原因，寻求安全环保的建筑物拆除方式成为必要。本文提出了一种基于建筑结构振动理论，利用共振器拆除建筑物的方法。

2 共振的定义与运用

共振是物理学上的专业术语，对于一个振动系统，当外加策动力的频率与系统本身的自振频率相近或相同时，系统受迫振动的振幅将趋于最大值，这种现象叫做共振。美国发明家特斯拉曾将一个共振器夹在一根钢梁上，慢慢地，这根钢梁开始强烈颤抖并延伸至整座钢骨结构楼房，到最后连整个结构都开始吱吱作响。

共振现象被广泛应用于各个领域，比如共振法打桩，在修建桥梁时需要把管柱插入江底作为基础，如果使打桩机打击管柱的频率跟管柱的固有频率一致，管柱就会发生共振而激烈振动，使周围的泥沙松动，管柱就较容易克服泥沙的阻力下插到江底。同样，巧妙利用共振能给建筑物拆除带来优于以往拆除技术的总体效果。

3 共振拆除的原理与应用

现在大多数建筑物采用框架结构体系，下面用框架模型对共振拆除方法做具体分析。框架结构是一个空间受力体系。在框架结构中，梁、柱承担全部的荷载，框架间的填充墙只起围护和隔断作用，除承受自重荷载外，不起承重作用。结构设计时，为方便起见，常常忽略结构纵向和横向之间的空间联系，一般取出中间有代表性的一榀框架进行分析即可。

3.1 原理

建立建筑物的结构模型，运用结构动力学计算得到该结构的自振频率，在梁端和柱端选定的位置安装固定共振器，利用共振器给结构施加同频率的水平策动力，使结构达到共振以致破坏。当然这个共振频率应避开地面振动的卓越周期，否则会波及周边较大范围内其他重要物体的安全。用秋千作类比就是荡秋千的人可以重达两百磅，而帮助推秋千的是个弱小孩子，推力只有一磅。但是如果他推秋千的时间和秋千飞离他的时间正好重合，而且每次都施加一磅力，那么到最后非住手不可，否则坐秋千的人甚至会被甩到九霄云外。

3.2 模型计算（以两层框架为例）

已知第一层楼面和屋面的质量分别为m1、m2，第一层和第二层的层间剪切刚度分别为k1、k2。

计算结构的刚度系数，如图1：

求解频率方程得自振频率：

3.3 实施措施

钢筋混凝土框架结构高层建筑物具体措施共振拆除时，可先进行预处理打掉非承重的隔墙然后再安装共振器激振建筑结构使其破坏，所用的共振器可用发动机提供足够的动力。而对于框架剪力墙结构的建筑物而言，同样宜先进行预拆除，可以使用人工大锤或者风镐按照拆除方案进行预切断，每层剪力墙的预拆除高度不得小于1.0 m，为了预防剪力墙四周掏空而整体下落，保留了2 m左右宽度的墙柱，通过这样的处理，剪力墙变为若干个立柱，之后通过安装共振器给残余的结构施加同频率的策动力致使其破坏。

拆除时为了保护附近的建筑物，降低其受到结构体倒塌引起的地面震动的影响，可以在拆除区周围挖若干条一定深度和宽度的沟槽，构成固体与气体的分界面使振源所产生的应力波由分界面反射回去。为确保该区域地下管线不受损，在建筑物塌落范围内，用建筑垃圾铺设垫层。此外还采取搭设防护墙控制飞石、建筑物洒水控制烟尘等工程控制措施保证建筑物拆除安全达到理想的效果。

4 共振拆除的优点

共振拆除方法比以往拆除技术更加经济、环保、安全。此法可以控制和减少拆除爆破建筑物产生的爆破噪声和爆破有害气体对环境的影响。而且，这种方法中间环节的能量转换少，能量利用率较高，符合可持续发展战略要求。

另外，共振拆除利于部分资源的回收，传统的拆除方法作用于整体性好的框架或框剪结构时，建筑物倒塌后解体较差，，常成为横卧的逐层堆积体，增加了对建筑垃圾处理工序中初分、破碎、筛分的工作量和相关的费用投入。而在共振拆除过程中的混凝土被破坏得更彻底，这有利于钢筋和混凝土进行较好的分解，以便对钢筋进一步的清理，使建筑垃圾的回收更方便。

在理论设计上，此方法突破传统的主要承载结构失稳原理从建筑物空间整体结构出发使结构由一个几何不可变体系转变为几何可变体系，利用共振器拆除建筑物的原理简单明了，拆除前的预处理精度要求不像传统的爆破手段那么高，对从业人员来说比较容易控制和掌握。此种方法不局限于楼房的拆除，还能推广至桥梁等构筑物的拆除，在未来会成为绿色拆迁的主流。

5 结语

综观国内外拆除爆破的研究进展，不难发现拆除爆破的发展正经历着由经验到理论，由定性到定量的转变。该文提出了一种基于结构动力学的拆迁方法使结构共振破坏。但本技术还存在几点不足，第一该技术未得到实验验证，只是一个假想理论；再者，目前建筑物的结构体系多样，还需更深入地对各种体系进行理论计算。上述方面还有待于继续研究。但在将来，随着研究地深入，该技术会得到普遍推广与应用。

参考文献

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