環境振動對建筑物的影響及其傳播規律研究

0城市公路與高架路誘發環境振動的關鍵技術研究隨著城市規模的擴大和人們生活質量的提高，城市交通的發展越來越激烈。地鐵、輕軌、公路和高架道路已成為城市重要的交通工具，在城市建設中發揮著重要作用。然而，交通線路引起的環境騷亂對結構安全、室內機器的使用、居民的工作和日常生活產生了越來越大的影響。一些城市居民的環境振動率占環境補救率的一半以上，這引起了國內外許多專家和科學家的關注，導致了這方面的研究。這項研究主要集中在軌鐵路和其他軌道交通的誘導環境振動的控制上，但對城市公路和高架道路交通的誘導環境振動研究較少。目前,對于城市公路與高架路誘發環境振動的研究尚處于起步階段,其研究方法主要體現在以下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構的動力相互作用3個方面,但體系尚不完善,有待發展.2)數值模擬方面,這方面的研究一般是采用子結構法建立研究體系的動力分析模型,得到模型的動力學方程,采用數值模擬方法求解整個模型的響應,其優點是計算簡化、分析效率高、通用性好,但是計算精度不高,仍需進一步改善.3)現場實測方面,大量、系統的現場實測數據對環境振動控制研究具有重大理論和現實意義,但國內在此方面的研究主要是針對某具體工程所做的環境影響報告書,其預測方法主要是簡單的定量預測法,如用經驗公式預測某點的Z振級,缺乏系統性和通用性,現實指導意義不大.本文針對某城市公路與高架路誘發沿線建筑物的振動進行了現場實測,并對測試數據進行了深入分析,得出振動傳播的規律,具有一定通用性,可為研究環境振動控制問題提供參考.1城市高架道路的運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,對某大學臨街體育館的三向振動加速度進行了現場測量,體育館位于校區的最南側,南臨環城高速高架路,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;體育館為框架結構,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測試測點布置測試過程和方法參照中華人民共和國國家標準（城市區域環境振動測量方法》進行.測量儀器符合ISO/DP8041-1984有關條款的規定.測試內容為豎直、水平順橋向和水平垂橋向加速度.考慮到路面行車的隨機性,每次測量采集時間為3～5min.測點布置如圖1所示,由公路至建筑物頂層共布置7個測點,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.每組測試工況均分2組進行: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的PULSE3560D通道振動分析儀和WIJ-200加速度傳感器.2數據分析根據測得的數據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、傳遞函數與振級等多方面進行分析.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公路的振動;高架路交通引發振動的傳播路徑為橋面—橋梁—橋墩—承臺—樁—土—層—建筑基礎—上部結構,高架路交通誘發的振動以地下傳播為主,振源是以橋墩為中心的逐個點振源;公路交通引發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,且結構的振動主要源于地表振動.根據振源分析得到的結論,體育館受地表振動影響較大,為進一步研究交通振動對結構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行對比分析.2.2加速度實踐對比由圖3分析可知,公路路邊的豎向加速度最為強烈,峰值達到6cm/s2,振動在地表傳播過程中不斷衰減,到達體育館一層時,加速度峰值不足3cm/s2;在建筑物內部,加速度隨著樓層的增加逐漸放大,頂層反應最大,加速度峰值為4cm/s2,為一層加速度反應的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,到達體育館一層時,加速度峰值衰減為0.9cm/s2;在建筑物內部,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,到達體育館一層衰減為0.35cm/s2;在建筑物內部,振動隨著樓層的增加而不斷放大,頂層反應最大,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,這與文獻中的結論一致;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,說明由交通荷載引起的地面振動傳至建筑結構中誘發了結構內部某些構件的高頻振動,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《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》規定中的方法對加速度Z振級進行加權,加權振級如表1所示.加權后公路路邊豎向振動最大振級為72dB,較水平垂橋向大10dB,這與文獻實測結果建筑物的豎向振動約比水平大10dB的結論是一致的.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《城市區域環境振動標準》中規定交通干線兩側或商業、混合區振動限制標準:晝間不超過75dB,夜間不超過72dB,每日所發生的沖擊振動,其最大值不允許超過標準值10dB,夜間不超過3dB.從測試結果可以看出,由公路、高架路交通荷載引起的環境振動均未超出國家有關規定,但是這并不能說明環境振動的影響可以忽視,交通荷載誘發建筑物內部構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《城市區域環境振動標準》作為城市交通振動對居民區的影響的尺度已不合時宜,新的標準亟待出臺.交通振動誘發建筑結構構件高頻振動的原因還有待進一步研究.3振動傳播規律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構中會隨著樓層的增加而放大,并且會誘發建筑結構內部構件的高頻振動;2)地面振動在多層建筑物內部的傳播規律為:豎向振動大于水平振動,