[分享]你对共振了解多少？

      18世纪中叶，法国昂热市一座102米长的大桥上有一队士兵经过，当他们在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥时，桥梁突然断裂，造成226名官兵和行人丧生，类似的事件在俄国和美国等地也发生过。那么，是什么引发了这些呢？究其原因，是因为共振。当大队士兵迈正步走的频率正好与大桥的固有频率一致，引起了桥梁的共振，使桥的振动加强，当它的振幅达到最大以至超过桥梁的抗压力时，桥就垮塌了。那么，共振又是怎么一回事呢？

      一、共振

      共振是物理学上的一个运用频率非常高的专业术语。任何物体（系统）都有一个固有频率，其固有频率是由物体（系统）的材料、密度、外形等物理因素决定的。系统在周期性外力(强迫力)作用下发生受迫振动，如果外力的频率跟系统的固有振动频率接近或相等时，系统的受迫振动将达极大值，这种现象叫做共振，这些特定的频率称之为共振频率。在共振频率下，外力很小的周期性振动也可引发物体（系统）很大的反应，因为系统在周期性的振动过程中储存了动能。通俗地讲，就是当周期性的驱动力跟振动“合拍”时，每次驱动力都跟物体的速度方向一致，驱动力做的都是正功，故振幅越来越大，能量也越来越大；而当驱动力不与振动“合拍”时，即振动频率不同时，它做的一部分功是负功，振动系统所得能量要少，就很难引起共振。

      共振的分类有振幅共振和速度共振。顾名思义，振幅共振就是受迫振动位移振幅达到极大值，此时外力的频率接近于系统的固有频率；速度共振就是说受迫振动速度振幅达到极大值。

       二、楼房共振与地震

       地震有时也会引发房屋产生共振，比如5.12汶川地震，距离1200公里的上海，几乎所有的高楼都在摇晃，这是因为上海市的建筑地基主要为河湖相沉积深厚软土，对地震波有显著的放大效应，地震一来，自振周期超过一秒的普通高层建筑和金茂大厦这样自振周期能达到5-6s的超高层建筑，很容易与被软土放大的长周期地震波产生共振，即使是震级较小或者震中距很远，也能引起此类场地上高层建筑强烈的地震反应。一般来说，坚硬场地上的低层房屋和软弱场地上的高层建筑容易与地震产生共振而加重震害，这就是为什么上海相隔汶川1600公里，其高楼建筑物仍旧有如此大的反应。还有比如2016年2月6日的台湾高雄6.7级地震，远在浙江杭州的居民都能感觉到震感，而且能发现门咯吱咯吱作响，电灯不停摇摆，大楼也有摇晃，而且是10到16层的高层居民感觉更为强烈。台湾强震对杭州高层楼房产生影响的主要是地震面波，由于它频率与高层楼房的自振频率相对接近，所以容易引起高层楼房的共振反应。

      当然，建筑物的共振，除了与场地特性有关外，还与建筑物到震中的距离（震中距）有关。通常，距离震中越远，地震波中长周期波的比例越高，越有可能与高层建筑的自振周期重合，也会增大建筑物的晃动幅度。

      那么，你所在的大楼会因地震而产生共振吗？这里就不得不提到建筑的自振周期和建筑物的场地条件两个概念。

      三、建筑自震周期

      建筑结构自振周期是其固有的力学特性，与结构的刚度和质量相关。自振周期的大小会影响到结构在竖向荷载、风和地震作用下的效应是否满足我国高层建筑结构设计标准规范的有关要求，包括：整体稳定性、位移限值、承载力以及最小剪重比等。工程人员通过对大量的高层建筑的自振周期进行统计分析，归纳出了它们的分布规律和合理范围，我们也可以借助这些经验公式对自己所在的大楼的自振特性有一个大概的了解。20 世纪60 ～ 70 年代，国内外通过实测或对已有建筑物计算的基本周期进行统计分析，提出了高层建筑基本周期的合理范围，但统计的高层建筑高度大多为50m 以下，少量为50 ～ 100m 建筑。下面给出中国的经验公式：

① 纯框架结构:  T1 = 0.1n 

② 剪力墙结构:  T1 = 0.04n～0.06n 

③ 框架-剪力墙结构:  T1 = 0.014H 

上式中: n为高层建筑结构的层数；H为结构高度。

近年，也有专家给出了高层建筑结构（不含纯钢结构、框架结构）自振周期与结构高度的关系：（仅列出基本自振周期T1）

结构基本周期为T1：

       对于H＜50m的高层建筑，由于原有的基本自振周期与结构高度的线性关系精度能够满足工程需求，建议采用原有的合理分布范围即可，即T1 = 0.014H～0.025H或者T1 = 0.04n～0.075n。

      大楼的结构形式，并依据上述关系，可大致估算出你所在的大楼的基本周期T1。当地震波的频率（周期）与高层楼房的自振频率（周期）相对接近，所以就容易引起高层楼房的共振反应。

      四、场地条件

     建筑物受到的地震作用大小也与其所在的场地条件有关。在盆地效应的作用下，特殊工程地质性质的软土，能够放大地震波，增强地震烈度，加重地震灾害。强震区场地土条件对地震动特性的影响可导致地基土的卓越周期与建筑物的自振周期产生共振，这一效应使自振周期较长的工程结构在地震力的作用下破损并导致建筑物彻底毁坏。

      1985年9月19日,墨西哥城Michoacam发生里氏8.1级的地震。距震中400km处的墨西哥城出现了严重的震害，部分地区烈度达到9度，地面摇动强烈，地震引起许多建筑物基础产生非常大的沉陷和倾斜，不仅建筑物倒塌，而且建筑物的上部结构亦遭到破坏。其破坏程度大大超过该城市周围地区，比震中区造成的灾害还要重。墨西哥国立自治大学地球物理系Lomnit博士对那次大地震后的灾情作了调查，指出地震中破坏模式的一般范围为: 墨西哥城371座建筑物倒塌了，而且一般顶部被破坏，这部分比例大约占40%；另外38%在中间部位的楼层遭到破坏；22%在底部遭到破坏。瑞雷波在墨西哥城湖床地区有一个900米或大于500米的波长。墨西哥国立自治大学工程研究所在地震后作的调查也显示：墨西哥城中心区的所有9～12层建筑物中的13.5%遭到严重损害。

      处于软弱土层上的建筑物更容易由于盆地效应造成软土放大地震波而加重房屋震害。

文章来源：地震三点通