惊人相似！2011年韩国39层钢骨混凝土结构办公楼竖向震动事故及原因分析！

去年，泉州大楼倒塌，有韩国三丰做为前例；今年赛格振动，韩国亦有先例。真是好朋友。

同样都是钢管混凝土结构，同样都是竖向震动，韩国2011年发生的39层建筑竖向振动的原因分析非常值得借鉴。

39 层办公楼竖向震动事故及原因分析

蓝涌 1 号、大原公园 *2 号和成植宇 31 号

韩国丹国大学建筑工程系教授

韩国丹国大学建筑工程系助理教授

韩国现代建筑师和工程师协会技术服务组 / 结构和土木工程团队经理

摘要

2011 年 7 月 5 日上午 10 时许，位于首尔古伊洞的 Techno Mart 21 号楼发生 10 至 15 分钟的建筑物晃动，导致居民紧急疏散。因为这座建筑是一座 39 层的建筑，从上层疏散需要很长时间。在事故发生的最初阶段，韩国政府运营的韩国基础设施安全公司（ Korea Infrastructuresafety Corporation ）进行了紧急安全评估，确定该建筑结构是安全的。在专家组审查振动源之前，向新闻界发布的关于地基沉降、风振和气候振动的推测性报告进一步加剧了这种社会恐慌。因此，有必要发现振动原因并提出解决方案。

研究的目的是对振动原因进行初步调查，通过对预测的振动源进行调查和结构分析，确定振动的确切原因，并制定适当的措施，防止此类事故再次发生。

1. 简介

1.1 事故概述

2011 年 7 月 5 日上午 10 时左右，位于首尔贵洞的 Techno Mart 21 发生了 10 到 15 分钟的建筑物晃动，导致租户紧急疏散。因为这座建筑是一座 39 层的建筑，从上层疏散需要很长时间。据报道， 9·11 恐怖袭击期间，高层人员疏散用了一个多小时，因此，高层建筑疏散的风险问题是租户的敏感问题。此外，由于 1995 年三浦百货公司倒塌期间约有 500 人死亡，韩国人对建筑事故的反应更为敏感，这已成为一个重大的社会问题。在事故发生的最初阶段，韩国政府运营的韩国基础设施安全公司（ Korea Infrastructuresafety Corporation ）进行了紧急安全评估，确定该建筑结构是安全的。然而，由于振动源仍然不明，导致大厦租户和使用者更加焦虑和担忧，导致在商场购物的人数减少，商家收入随之下降。在专家组审查振动源之前，向新闻界发布的关于地基沉降、风振和气候振动的推测性报告进一步加剧了这种社会焦虑。因此，有必要发现振动源并提出解决方案。

研究的目的是对振动源进行初步调查，通过对预测的振动源进行调查和结构分析，确定振动的确切原因，并制定适当的措施防止此类事故再次发生。

1.2 建筑概况

发生异常振动事故的建筑物概况见表 1 。

表 1. 建筑物概况

类别	Description
建筑规模	地下 6 层，地上 39 层
结构型式	结构钢结构 + 钢骨混凝土结构
竣工时间	1998 年 8 月 18 日
运行时间	约 13 年
主要用途	办公、购物、演艺和体育设施
最大高度	188.7m

 

2. 振动事故调查

2.1 振动事故及描述

本节描述了发生振动之日（ 2011 年 7 月 5 日至 8 月 11 日）期间发生的事故和采取的措施。详细说明了第一次振动事故，并向国家应急管理局（ NationalEmergency Management Agency ）报告了当地政府采取的措施，预防中心和建筑运营部，天花板突然塌陷，以及初次报告后大约一个月发生的第二次振动事故。

1) 第 1 次振动事故

2011 年 7 月 5 日上午 10 点 10 分起，位于首尔光津谷谷洞的 Techno Mart 大楼持续振动 10 到 15 分钟，国家应急管理局收到报告。工程处于下午 2 时紧急疏散大楼租户，并召集建筑结构专家开会，制定对策。会上，他们决定委托专门从事大型结构安全评估的韩国基础设施安全公司对该建筑进行紧急安全评估。

安全评价结果表明，建筑物的结构构件和基础没有引起异常振动，相关专家初步认为是由异常振动引起的共振效应。然而，异常振动的原因仍然不明，因此决定进行调查，以追查确切原因。

2) 天花板塌陷

第 1 次振动事故发生后， 2011 年 8 月 3 日，商业大厦 10 层天花板饰面材料突然掉落，租户向国家应急管理局报告了该事件。有关部门召集参加第一次振动事故调查的专家进行了现场调查。根据实地调查的结果，证实在这起事件发生之前，已对天花板内部进行了定期安全检查。特别是在坠落的天花板上发现了安全检查人员的脚印和损坏痕迹，由此证实，这起事件并非振动所致。

3) 第二次振动事故

在第一次振动事故调查结束前后， 8 月 11 日上午 11 时许，类似第一次振动事故的振动发生了 1 至 2 分钟，租户再次向国家应急管理局报告了这起事件。召集参加第一次振动事故调查的专家开会。这起事件发生时，专家们正在确定最初事故的原因并计划对事故进行演示，这增加了他们对最初调查结果的信心。

2.2 推测的振动源

研究人员无法准确了解振动事故发生的情况。因此，他们提出了可能的振动源进行分析和再现，以推断振动源。研究人员提出的可能的振动源包括风荷载、空调控制室机械振动、基础沉降和结构裂缝；具体如图 1 所示。

图 1 推测建筑物震动源

1) 风荷载：由风吹到结构上引起的涡流等因素引起的垂直振动

2) 空调控制室机械振动：位于 Techno Mart 办公楼各层的空调控制室内的空调设备引起的机械振动引起的共振现象

3) 办公楼 12 层健身中心：健身中心因旋转、跑步机、集体有节奏运动等引起的振动共振现象引起的结构振动

4) 商业大厦 9 层 CGV4D 影院： 4D 放映设备振动共振现象引起的结构振动。

此外，还提出了前一天暴雨引起的地基沉降和基础失效的问题，但在实地考察中，确定这种现象不会发生，不会引起这种振动。因此，对上述四种可能的原因进行了分析。

3. 设计文件审查

3.1 一般细节

Techno-mart21 大楼的设计文件必须包含生产和安装结构所需的明确信息，如每个构件的尺寸和位置、柱中心、带肋部件的尺寸、螺栓的尺寸和数量、焊接尺寸和其他细节。因此，为了了解建筑物的现状和信息，确定其是否按照设计文件进行设计，并在安全评估中使用这些信息，本节介绍了设计和结构计算文件的审查结果。

3.2 结构图主要内容

1) 办公楼的所有梁和柱都是用钢制造的。大跨方向为抗弯框架，短跨方向为支撑框架，核心墙为剪力桁架墙。它们被设计成双重体系，能够抵抗风和地震荷载。

2) 二层及以上采用钢模桥面板体系，一层及以下采用钢筋混凝土板体系。

3) 办公楼地下层的梁和柱都是钢制。

4) 商场地下层柱采用型钢混凝土，地下一、二层梁采用型钢混凝土，地下三、五层梁采用钢筋混凝土。

5) 地下室外墙采用钢筋混凝土结构。

6 ）购物中心采用独立基础，和办公楼的采用筏板基础。

7) 花岗岩在顶部用 600 mm 的板填充，并设计为在集水坑处排放预计的进水。

8) 办公楼的钢柱为箱形柱，直至第 13 层。 14 层及以上大跨方向（不含核心）外柱按箱型柱设计，其余柱按 H 型柱设计。

9) 办公楼框架结构（不含核心）短跨方向跨度主要为 10.2m 和 7.5m ，大跨方向跨度主要为 7.2m 。

3.3 设计文件评审

建筑设计文件的审查结果可如下：

1) 设计图纸和报告的审查结果证实，设计文件中准确提供了所有信息。

2) 结构设计符合 KBC-19963 标准。

3) 结构计算书中所述的构件和接头详图与设计图纸中所示的构件和详图一致。

4) 对设计文件的审查证实，该建筑的设计符合结构设计标准，结构分析结果表明，在受力方面没有问题。

4. 振源预测

4.1 一般细节

现场测量和演示如图 2 所示。对推测出的振动源，包括风荷载、来自空调控制室、健身中心和 4D 影院的机械振动等，进行了振动源的识别。具体情况如下：

图 2   振动测量和推测的振动源

4.2 振源预测与再现

4.2.1 风荷载引起的振动

韩国气象局向公众提供了以单元为单位的恒定风速测量。根据资料显示，振动事故发生时的风力比平时平缓，据此判断，风荷载引起的振动没有比平时更大的原因。然而，由风荷载引起的振动是最常见的，有许多专家预测振动事故是由风荷载引起的。因此，决定在建筑物附近出现台风等高强度风的情况下测量建筑物的振动。

预计事故发生 40 天后，台风 “ 梅花 ” 将带来高强度风，并对建筑物的振动进行了测量。结果显示，当时没有人感觉到任何振动，建筑物的上部也没有显示因振动而放大。

4.2.2 4D 剧场机械振动

该建筑包含 4D 影院，在座椅移动过程中产生机械振动。在电影放映过程中向观众呈现更真实的体验。但是，振动事故发生在 4D 电影放映前，座椅振动发生在电影开始 30 分钟后。根据这些结果，确定 4D 影院的机械振动对上午 10 点左右发生的振动没有影响。

表 2. 4D 影院 时间表

放映电影	变形金刚 3
第一次放映时间	10:30
第二次放映时间	13:00

 

4.2.3 健身房集体韵律操

在健身中心有各种各样的锻炼项目，根据室内人员的位置不同，可能会出现各种形式的振动。因此，检查由集体有节奏运动（ Taebo ）等引起的加速度和振动的大小是否可以传递到 22 、 26 、 30 和 34 层，这些运动可以周期性地在地板上产生强烈或持续的振动。特别是，由于 26 楼有空办公室，没有理由产生异常振动，如果外部荷载与建筑物的固有频率相匹配，共振现象发生的可能性最大。

1) 人体激振实验为了验证 2.7Hz 的频率，随着跑步机的运行，该频率被略微放大，在 G.X. 室内使用节拍器进行了激振实验，并检查了振动传输和放大。

1 振动激励和测量计划

图 3 以及图 4 显示 12 层健身中心 G.X. 室的视图，在该视图中进行了振动激励实验。

图 3  12 层平面图（健身中心）

图 4  12 楼健身中心 G.X. 室人体激振

图 5  12 层结构振动激励的时程及 FFT 分析

在 2.7Hz 频率下进行垂直振动，确定可能引起垂直振动，每隔一定时间使用节拍器， 14 人，振动激发时间为 3 分钟。如图 5 所示，对 12 层楼板的加速度响应进行了测量。

2) 实验测量结果

在建筑物上部进行加速度时程分析和频率分析的实验结果如图 6 所示。

如图 6 所示，加速度在一段时间后增加，与两种测量的跆拳道锻炼项目不同，这种趋势在所有测量的楼层都显示出来。此外，加速度响应的放大在上层楼层更为突出，证实振动激励的频率（ 2.7Hz ）是在垂直方向放大振动的频率。

图 6 Taebo 34 层和 36 层的 FFT 分析

加速度响应的放大如图 7 、 8 所示，这是频率分析的结果。如图示在人类的振动激励下，旋转和跑步机的频率分析结果中看到的特定数量振动的放大率更大，并且证实地板越高，放大率越高。

图 7   人激励振动加速度的时程分析

图 8    人激励振动后的频率分析结果

表 3 和表 4 显示了 12 层和 34 层加速度响应的最大值和均方根值的比较。如表 3 所示，在均方根响应的情况下，进行振动激励的楼层的加速度较高， 34 层的响应分布较低，但高于旋转或跑步机操作引起的响应。

表 3. 集体运动时加速度的比较（ RMS ）

表 4. 使用团体运动的加速度比较（峰值）

4.2.4 机械室和风引起的振动

空调控制室现有设备处于连续运行状态。因此，没有理由认为它是一个新的振动源。机械室中的各种机器产生的振动频率明显高于建筑物的固有振动频率，因此确定空调控制室产生的机械振动与振动事故无关。此外，根据韩国气象局提供的气象数据，确认振动事故发生时的风荷载较低，如表所示。

4.3 共振现象

一切物质都有其独特的运动，运动的特征在数学上被称为固有频率和固有周期。当物体的固有振动频率等于外力的振动频率时，就会发生共振现象。在一般振动的情况下，振动在远离震中的地方减弱，而在共振的情况下，振动在远离震中的地方变得更强。这种现象可以根据 [Eq.1] 所示结构中出现的动态放大系数来理解。

[Eq.1] 表示根据外力振动频率和结构振动频率的位移放大系数，基于此的振动频率比如图 9 所示。该方程表明，当外力和结构的自振频率相匹配（ fp/fn=1 ）时，位移响应几乎被无限放大，这种放大效应称为共振现象。

图 9 共振现象的概念

然而，由于阻尼效应干扰了实际结构和物体的运动，放大率随强度的增加而减小，如图 8 中实线所示 ( 阻尼（ 1.0% ）和无限放大在现实中并不存在。法国安格尔大桥（ 1850 年）、美国华盛顿塔科马大桥（ 1940 年）和千禧桥的倒塌都是由共振现象引起的；这些事故的发生是由于行人的振动频率或与结构固有振动频率相匹配的风荷载导致结构位移放大所致。

这座建筑的情况非常不寻常，因为人类集体有节奏的运动在结构的纵向发生了共振，位移的放大太小，对建筑的安全没有影响，但却给建筑使用者带来了不适。

共振现象不仅有负面影响，而且在现实生活中非常有用。例如，切换到某个无线电或电视频道集中有关的外部频率信号，以引起与接收器的共振，并允许用户接收广播。

5. 结论

对预测的振动源（包括健身中心、 4D 影院、风荷载和机械振动）进行了测量 / 演示，并测量了风致振动。根据测量结果，审查了每个振动源的加速度响应，结果如下：

（ 1) 对于办公楼 12 层的健身中心，对振动事故发生时可能产生振动的集体有节奏运动、在跑步机上旋转和跑步进行了现场测量和演示，结果表明，在跑步机上旋转和跑步对建筑物上层的振动没有影响。此外，像 Taebo 这样的练习确实有传递到上层的频率特性，但没有放大振动。

（ 2) 在 2.7Hz 重复的有节奏的运动情况下，这是建筑物的垂直振动模式，频率特性被传递到上层，加速度的放大在高层增加。由一组人进行的重复性有节奏的运动会引起共振并增加振动水平，并被确定为 2011 年 7 月 5 日发生的振动源。

致谢

本研究由丹国大学研究基金于 2014 年进行。

工具书类

1) 新闻报道， http://www/news/nation/2011/07/1190308.html

2)ParkTW ，《三浦百货大楼倒塌原因检查》，法医学国际， 2012 年； 217: 第 119-126 页。

3) 建设和运输部，韩国建筑规范 -1996 。

4)http://www.kma.go.kr/weather.obsrvation/pastcal.jsp ，韩国气象局网站。

5)Min ， KW ， Lee ， SH ， Kim ， JK ，（ 2004 ）带粘弹性阻尼器的 5 层钢框架振动试验，工程结构，第 26 卷，第 6 期，第 831-839 页。

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