環(huán)境振動(dòng)對(duì)建筑物的影響及其傳播規(guī)律研究

環(huán)境振動(dòng)對(duì)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(dòng)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(lái)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(duì)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(lái)越大的影響。一些城市居民的環(huán)境振動(dòng)率占環(huán)境補(bǔ)救率的一半以上，這引起了國(guó)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(dòng)的控制上，但對(duì)城市公路和高架道路交通的誘導(dǎo)環(huán)境振動(dòng)研究較少。目前,對(duì)于城市公路與高架路誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)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(gè)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(dòng)力相互作用3個(gè)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(dòng)力分析模型,得到模型的動(dòng)力學(xué)方程,采用數(shù)值模擬方法求解整個(gè)模型的響應(yīng),其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)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(chǎng)實(shí)測(cè)方面,大量、系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境振動(dòng)控制研究具有重大理論和現(xiàn)實(shí)意義,但國(guó)內(nèi)在此方面的研究主要是針對(duì)某具體工程所做的環(huán)境影響報(bào)告書,其預(yù)測(cè)方法主要是簡(jiǎn)單的定量預(yù)測(cè)法,如用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)某點(diǎn)的Z振級(jí),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(duì)某城市公路與高架路誘發(fā)沿線建筑物的振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析,得出振動(dòng)傳播的規(guī)律,具有一定通用性,可為研究環(huán)境振動(dòng)控制問(wèn)題提供參考.1城市高架道路的運(yùn)行鼓勵(lì)建筑振動(dòng)的測(cè)量1.1高速高架路與高爾夫球場(chǎng)首先,對(duì)某大學(xué)臨街體育館的三向振動(dòng)加速度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(chǎng),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(cè)試測(cè)點(diǎn)布置測(cè)試過(guò)程和方法參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》進(jìn)行.測(cè)量?jī)x器符合ISO/DP8041-1984有關(guān)條款的規(guī)定.測(cè)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(cè)量采集時(shí)間為3～5min.測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示,由公路至建筑物頂層共布置7個(gè)測(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置豎向和水平2個(gè)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(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn).每組測(cè)試工況均分2組進(jìn)行:但為豎向+水平垂橋向振動(dòng);另一組為豎向+水平順橋向振動(dòng).觀測(cè)儀器采用丹麥生產(chǎn)的PULSE3560D通道振動(dòng)分析儀和WIJ-200加速度傳感器.2數(shù)據(jù)分析根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)分別對(duì)城市公路與高架路交通振源及其對(duì)體育館的影響從加速度、頻譜、傳遞函數(shù)與振級(jí)等多方面進(jìn)行分析.2.1豎向加速度臨街體育館的振動(dòng)主要來(lái)自高架路橋墩的振動(dòng)和體育館南側(cè)公路的振動(dòng);高架路交通引發(fā)振動(dòng)的傳播路徑為橋面—橋梁—橋墩—承臺(tái)—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(dòng)以地下傳播為主,振源是以橋墩為中心的逐個(gè)點(diǎn)振源;公路交通引發(fā)的振動(dòng)主要是地表振動(dòng),傳播主要是地表傳播,振源為地表的線振源.豎向加速度時(shí)程與頻譜分析見(jiàn)圖2.高架路橋墩的振動(dòng)較大,加速度峰值為9cm/s2,以5～45Hz的振動(dòng)為主;路面振動(dòng)較小,加速度峰值為6cm/s2,以5～25Hz的振動(dòng)為主;地下室的振動(dòng)頻率主要集中在5～25Hz,這與地表振動(dòng)的頻譜特性一致,而幅值為路面的1/4,說(shuō)明振動(dòng)在由地表向地下的傳播途中衰減較快,且結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主要源于地表振動(dòng).根據(jù)振源分析得到的結(jié)論,體育館受地表振動(dòng)影響較大,為進(jìn)一步研究交通振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響及其傳播特性,將公路交通振動(dòng)與體育館樓層振動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析.2.2加速度實(shí)踐對(duì)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(dòng)在地表傳播過(guò)程中不斷衰減,到達(dá)體育館一層時(shí),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(dòng);水平垂橋向振動(dòng)較小,路邊加速度峰值為1.4cm/s2,約為豎向振動(dòng)的1/4,振動(dòng)在地表傳播中不斷衰減,到達(dá)體育館一層時(shí),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(dòng)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(dòng)最小,路邊加速度峰值為0.6cm/s2,約為豎向振動(dòng)峰值的1/10,振動(dòng)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(dòng)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(dòng)由圖4頻譜分析可知,城市公路交通引起的地面振動(dòng)以5～25Hz的低頻振動(dòng)為主,豎向振動(dòng)大于水平垂橋向振動(dòng),水平垂橋向振動(dòng)大于水平順橋向振動(dòng),傳至建筑物中的振動(dòng)以5～20Hz的低頻振動(dòng)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(dòng)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(shuō)明由交通荷載引起的地面振動(dòng)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(dòng),并且這種振動(dòng)是逐層放大的.2.5水平順橋、垂橋向振級(jí)按照我國(guó)《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(duì)加速度Z振級(jí)進(jìn)行加權(quán),加權(quán)振級(jí)如表1所示.加權(quán)后公路路邊豎向振動(dòng)最大振級(jí)為72dB,較水平垂橋向大10dB,這與文獻(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果建筑物的豎向振動(dòng)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(jí)為65dB,水平順橋向和垂橋向振級(jí)分別為56和63dB;隨著樓層的增加,水平和豎向的振級(jí)均有所放大,頂層豎向振級(jí)為67dB,水平順橋向和垂橋向振級(jí)分別為62dB和67dB,垂橋向振級(jí)較順橋向大3～5dB.我國(guó)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)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(dòng)限制標(biāo)準(zhǔn):晝間不超過(guò)75dB,夜間不超過(guò)72dB,每日所發(fā)生的沖擊振動(dòng),其最大值不允許超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值10dB,夜間不超過(guò)3dB.從測(cè)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(dòng)均未超出國(guó)家有關(guān)規(guī)定,但是這并不能說(shuō)明環(huán)境振動(dòng)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(dòng)很有可能是居民感覺(jué)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(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》作為城市交通振動(dòng)對(duì)居民區(qū)的影響的尺度已不合時(shí)宜,新的標(biāo)準(zhǔn)亟待出臺(tái).交通振動(dòng)誘發(fā)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件高頻振動(dòng)的原因還有待進(jìn)一步研究.3振動(dòng)傳播規(guī)律1)由城市公路、高架路引起的地面振動(dòng)分別以5～25Hz、5～45Hz的低頻振動(dòng)為主,此振動(dòng)信號(hào)傳入建筑結(jié)構(gòu)中會(huì)隨著樓層的增加而放大,并且會(huì)誘發(fā)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的高頻振動(dòng);2)地面振動(dòng)在多層建筑物內(nèi)部的傳播規(guī)律為:豎向振動(dòng)大于水平振動(dòng),