環(huán)境振動對建筑物的影響及其傳播規(guī)律研究

環(huán)境振動對建筑物的影響及其傳播規(guī)律研究

0城市公路與高架路誘發(fā)環(huán)境振動的關(guān)鍵技術(shù)研究隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和人們生活質(zhì)量的提高，城市交通的發(fā)展越來越激烈。地鐵、輕軌、公路和高架道路已成為城市重要的交通工具，在城市建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。然而，交通線路引起的環(huán)境騷亂對結(jié)構(gòu)安全、室內(nèi)機(jī)器的使用、居民的工作和日常生活產(chǎn)生了越來越大的影響。一些城市居民的環(huán)境振動率占環(huán)境補(bǔ)救率的一半以上，這引起了國內(nèi)外許多專家和科學(xué)家的關(guān)注，導(dǎo)致了這方面的研究。這項(xiàng)研究主要集中在軌鐵路和其他軌道交通的誘導(dǎo)環(huán)境振動的控制上，但對城市公路和高架道路交通的誘導(dǎo)環(huán)境振動研究較少。目前,對于城市公路與高架路誘發(fā)環(huán)境振動的研究尚處于起步階段,其研究方法主要體現(xiàn)在以下3個方面:1)理論分析方面,主要集中在車輛荷載的模擬、道路不平順和車輛與結(jié)構(gòu)的動力相互作用3個方面,但體系尚不完善,有待發(fā)展.2)數(shù)值模擬方面,這方面的研究一般是采用子結(jié)構(gòu)法建立研究體系的動力分析模型,得到模型的動力學(xué)方程,采用數(shù)值模擬方法求解整個模型的響應(yīng),其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡化、分析效率高、通用性好,但是計(jì)算精度不高,仍需進(jìn)一步改善.3)現(xiàn)場實(shí)測方面,大量、系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對環(huán)境振動控制研究具有重大理論和現(xiàn)實(shí)意義,但國內(nèi)在此方面的研究主要是針對某具體工程所做的環(huán)境影響報告書,其預(yù)測方法主要是簡單的定量預(yù)測法,如用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測某點(diǎn)的Z振級,缺乏系統(tǒng)性和通用性,現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義不大.本文針對某城市公路與高架路誘發(fā)沿線建筑物的振動進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測,并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析,得出振動傳播的規(guī)律,具有一定通用性,可為研究環(huán)境振動控制問題提供參考.1城市高架道路的運(yùn)行鼓勵建筑振動的測量1.1高速高架路與高爾夫球場首先,對某大學(xué)臨街體育館的三向振動加速度進(jìn)行了現(xiàn)場測量,體育館位于校區(qū)的最南側(cè),南臨環(huán)城高速高架路,北臨操場,高速高架路與體育館中間有一條公路.高速高架路上車流量較大,重型車較多,車速為60km/h左右;公路上以小型車為主,車速在40km/h左右.體育館與公路相距12m,與高架路的橋墩垂直距離為22m;體育館為框架結(jié)構(gòu),共4層,地下1層,層高4m,地上3層,首層層高3.5m,第2、3層層高均為3.3m.1.2測試測點(diǎn)布置測試過程和方法參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》進(jìn)行.測量儀器符合ISO/DP8041-1984有關(guān)條款的規(guī)定.測試內(nèi)容為豎直、水平順橋向和水平垂橋向加速度.考慮到路面行車的隨機(jī)性,每次測量采集時間為3～5min.測點(diǎn)布置如圖1所示,由公路至建筑物頂層共布置7個測點(diǎn),依次為:公路路邊(1#、2#),路邊5m處(3#、4#),建筑物0.5m處(5#、6#),一層(7#、8#),二層(9#、10#),三層(11#、12#),樓頂(13#、14#),每個測點(diǎn)分別布置豎向和水平2個方向的加速度傳感器,豎向傳感器分別為1#,3#,5#,7#,9#,11#,13#;水平測點(diǎn)傳感器依次為2#,4#,6#,8#,10#,12#,14#.另外,在高架路橋墩和地下室各布置1個測點(diǎn).每組測試工況均分2組進(jìn)行:但為豎向+水平垂橋向振動;另一組為豎向+水平順橋向振動.觀測儀器采用丹麥生產(chǎn)的PULSE3560D通道振動分析儀和WIJ-200加速度傳感器.2數(shù)據(jù)分析根據(jù)測得的數(shù)據(jù)分別對城市公路與高架路交通振源及其對體育館的影響從加速度、頻譜、傳遞函數(shù)與振級等多方面進(jìn)行分析.2.1豎向加速度臨街體育館的振動主要來自高架路橋墩的振動和體育館南側(cè)公路的振動;高架路交通引發(fā)振動的傳播路徑為橋面—橋梁—橋墩—承臺—樁—土—層—建筑基礎(chǔ)—上部結(jié)構(gòu),高架路交通誘發(fā)的振動以地下傳播為主,振源是以橋墩為中心的逐個點(diǎn)振源;公路交通引發(fā)的振動主要是地表振動,傳播主要是地表傳播,振源為地表的線振源.豎向加速度時程與頻譜分析見圖2.高架路橋墩的振動較大,加速度峰值為9cm/s2,以5～45Hz的振動為主;路面振動較小,加速度峰值為6cm/s2,以5～25Hz的振動為主;地下室的振動頻率主要集中在5～25Hz,這與地表振動的頻譜特性一致,而幅值為路面的1/4,說明振動在由地表向地下的傳播途中衰減較快,且結(jié)構(gòu)的振動主要源于地表振動.根據(jù)振源分析得到的結(jié)論,體育館受地表振動影響較大,為進(jìn)一步研究交通振動對結(jié)構(gòu)的影響及其傳播特性,將公路交通振動與體育館樓層振動進(jìn)行對比分析.2.2加速度實(shí)踐對比由圖3分析可知,公路路邊的豎向加速度最為強(qiáng)烈,峰值達(dá)到6cm/s2,振動在地表傳播過程中不斷衰減,到達(dá)體育館一層時,加速度峰值不足3cm/s2;在建筑物內(nèi)部,加速度隨著樓層的增加逐漸放大,頂層反應(yīng)最大,加速度峰值為4cm/s2,為一層加速度反應(yīng)的1.5倍左右,但仍小于路邊振動;水平垂橋向振動較小,路邊加速度峰值為1.4cm/s2,約為豎向振動的1/4,振動在地表傳播中不斷衰減,到達(dá)體育館一層時,加速度峰值衰減為0.9cm/s2;在建筑物內(nèi)部,水平垂橋向振動隨著樓層的增加而放大,頂層加速度峰值為2cm/s2,約為一層加速度反應(yīng)的2倍.水平順橋向振動最小,路邊加速度峰值為0.6cm/s2,約為豎向振動峰值的1/10,振動在地表傳播途中不斷衰減,到達(dá)體育館一層衰減為0.35cm/s2;在建筑物內(nèi)部,振動隨著樓層的增加而不斷放大,頂層反應(yīng)最大,峰值為1.2cm/s2,為一層的3倍左右.2.4水平垂橋向振動由圖4頻譜分析可知,城市公路交通引起的地面振動以5～25Hz的低頻振動為主,豎向振動大于水平垂橋向振動,水平垂橋向振動大于水平順橋向振動,傳至建筑物中的振動以5～20Hz的低頻振動為主,這與文獻(xiàn)中的結(jié)論一致;但是,豎向45Hz以上、水平向60Hz以上的高頻振動均有不同程度的放大,并且這種放大隨著樓層的上升在逐層加強(qiáng),說明由交通荷載引起的地面振動傳至建筑結(jié)構(gòu)中誘發(fā)了結(jié)構(gòu)內(nèi)部某些構(gòu)件的高頻振動,并且這種振動是逐層放大的.2.5水平順橋、垂橋向振級按照我國《汽車平順性隨機(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法》規(guī)定中的方法對加速度Z振級進(jìn)行加權(quán),加權(quán)振級如表1所示.加權(quán)后公路路邊豎向振動最大振級為72dB,較水平垂橋向大10dB,這與文獻(xiàn)實(shí)測結(jié)果建筑物的豎向振動約比水平大10dB的結(jié)論是一致的.如圖5所示,建筑物一層豎向振級為65dB,水平順橋向和垂橋向振級分別為56和63dB;隨著樓層的增加,水平和豎向的振級均有所放大,頂層豎向振級為67dB,水平順橋向和垂橋向振級分別為62dB和67dB,垂橋向振級較順橋向大3～5dB.我國《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定交通干線兩側(cè)或商業(yè)、混合區(qū)振動限制標(biāo)準(zhǔn):晝間不超過75dB,夜間不超過72dB,每日所發(fā)生的沖擊振動,其最大值不允許超過標(biāo)準(zhǔn)值10dB,夜間不超過3dB.從測試結(jié)果可以看出,由公路、高架路交通荷載引起的環(huán)境振動均未超出國家有關(guān)規(guī)定,但是這并不能說明環(huán)境振動的影響可以忽視,交通荷載誘發(fā)建筑物內(nèi)部構(gòu)件的高頻振動很有可能是居民感覺不適、投訴率增高的原因,單純依靠1989年施行的《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》作為城市交通振動對居民區(qū)的影響的尺度已不合時宜,新的標(biāo)準(zhǔn)亟待出臺.交通振動誘發(fā)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件高頻振動的原因還有待進(jìn)一步研究.3振動傳播規(guī)律1)由城市公路、高架路引起的地面振動分別以5～25Hz、5～45Hz的低頻振動為主,此振動信號傳入建筑結(jié)構(gòu)中會隨著樓層的增加而放大,并且會誘發(fā)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的高頻振動;2)地面振動在多層建筑物內(nèi)部的傳播規(guī)律為:豎向振動大于水平振動,