环境振动对建筑物的影响及其传播规律研究

环境振动对建筑物的影响及其传播规律研究

0城市公路与高架路诱发环境振动的关键技术研究随着城市规模的扩大和人们生活质量的提高，城市交通的发展越来越激烈。地铁、轻轨、公路和高架道路已成为城市重要的交通工具，在城市建设中发挥着重要作用。然而，交通线路引起的环境骚乱对结构安全、室内机器的使用、居民的工作和日常生活产生了越来越大的影响。一些城市居民的环境振动率占环境补救率的一半以上，这引起了国内外许多专家和科学家的关注，导致了这方面的研究。这项研究主要集中在轨铁路和其他轨道交通的诱导环境振动的控制上，但对城市公路和高架道路交通的诱导环境振动研究较少。目前,对于城市公路与高架路诱发环境振动的研究尚处于起步阶段,其研究方法主要体现在以下3个方面:1)理论分析方面,主要集中在车辆荷载的模拟、道路不平顺和车辆与结构的动力相互作用3个方面,但体系尚不完善,有待发展.2)数值模拟方面,这方面的研究一般是采用子结构法建立研究体系的动力分析模型,得到模型的动力学方程,采用数值模拟方法求解整个模型的响应,其优点是计算简化、分析效率高、通用性好,但是计算精度不高,仍需进一步改善.3)现场实测方面,大量、系统的现场实测数据对环境振动控制研究具有重大理论和现实意义,但国内在此方面的研究主要是针对某具体工程所做的环境影响报告书,其预测方法主要是简单的定量预测法,如用经验公式预测某点的Z振级,缺乏系统性和通用性,现实指导意义不大.本文针对某城市公路与高架路诱发沿线建筑物的振动进行了现场实测,并对测试数据进行了深入分析,得出振动传播的规律,具有一定通用性,可为研究环境振动控制问题提供参考.1城市高架道路的运行鼓励建筑振动的测量1.1高速高架路与高尔夫球场首先,对某大学临街体育馆的三向振动加速度进行了现场测量,体育馆位于校区的最南侧,南临环城高速高架路,北临操场,高速高架路与体育馆中间有一条公路.高速高架路上车流量较大,重型车较多,车速为60km/h左右;公路上以小型车为主,车速在40km/h左右.体育馆与公路相距12m,与高架路的桥墩垂直距离为22m;体育馆为框架结构,共4层,地下1层,层高4m,地上3层,首层层高3.5m,第2、3层层高均为3.3m.1.2测试测点布置测试过程和方法参照中华人民共和国国家标准（城市区域环境振动测量方法》进行.测量仪器符合ISO/DP8041-1984有关条款的规定.测试内容为竖直、水平顺桥向和水平垂桥向加速度.考虑到路面行车的随机性,每次测量采集时间为3～5min.测点布置如图1所示,由公路至建筑物顶层共布置7个测点,依次为:公路路边(1#、2#),路边5m处(3#、4#),建筑物0.5m处(5#、6#),一层(7#、8#),二层(9#、10#),三层(11#、12#),楼顶(13#、14#),每个测点分别布置竖向和水平2个方向的加速度传感器,竖向传感器分别为1#,3#,5#,7#,9#,11#,13#;水平测点传感器依次为2#,4#,6#,8#,10#,12#,14#.另外,在高架路桥墩和地下室各布置1个测点.每组测试工况均分2组进行:但为竖向+水平垂桥向振动;另一组为竖向+水平顺桥向振动.观测仪器采用丹麦生产的PULSE3560D通道振动分析仪和WIJ-200加速度传感器.2数据分析根据测得的数据分别对城市公路与高架路交通振源及其对体育馆的影响从加速度、频谱、传递函数与振级等多方面进行分析.2.1竖向加速度临街体育馆的振动主要来自高架路桥墩的振动和体育馆南侧公路的振动;高架路交通引发振动的传播路径为桥面—桥梁—桥墩—承台—桩—土—层—建筑基础—上部结构,高架路交通诱发的振动以地下传播为主,振源是以桥墩为中心的逐个点振源;公路交通引发的振动主要是地表振动,传播主要是地表传播,振源为地表的线振源.竖向加速度时程与频谱分析见图2.高架路桥墩的振动较大,加速度峰值为9cm/s2,以5～45Hz的振动为主;路面振动较小,加速度峰值为6cm/s2,以5～25Hz的振动为主;地下室的振动频率主要集中在5～25Hz,这与地表振动的频谱特性一致,而幅值为路面的1/4,说明振动在由地表向地下的传播途中衰减较快,且结构的振动主要源于地表振动.根据振源分析得到的结论,体育馆受地表振动影响较大,为进一步研究交通振动对结构的影响及其传播特性,将公路交通振动与体育馆楼层振动进行对比分析.2.2加速度实践对比由图3分析可知,公路路边的竖向加速度最为强烈,峰值达到6cm/s2,振动在地表传播过程中不断衰减,到达体育馆一层时,加速度峰值不足3cm/s2;在建筑物内部,加速度随着楼层的增加逐渐放大,顶层反应最大,加速度峰值为4cm/s2,为一层加速度反应的1.5倍左右,但仍小于路边振动;水平垂桥向振动较小,路边加速度峰值为1.4cm/s2,约为竖向振动的1/4,振动在地表传播中不断衰减,到达体育馆一层时,加速度峰值衰减为0.9cm/s2;在建筑物内部,水平垂桥向振动随着楼层的增加而放大,顶层加速度峰值为2cm/s2,约为一层加速度反应的2倍.水平顺桥向振动最小,路边加速度峰值为0.6cm/s2,约为竖向振动峰值的1/10,振动在地表传播途中不断衰减,到达体育馆一层衰减为0.35cm/s2;在建筑物内部,振动随着楼层的增加而不断放大,顶层反应最大,峰值为1.2cm/s2,为一层的3倍左右.2.4水平垂桥向振动由图4频谱分析可知,城市公路交通引起的地面振动以5～25Hz的低频振动为主,竖向振动大于水平垂桥向振动,水平垂桥向振动大于水平顺桥向振动,传至建筑物中的振动以5～20Hz的低频振动为主,这与文献中的结论一致;但是,竖向45Hz以上、水平向60Hz以上的高频振动均有不同程度的放大,并且这种放大随着楼层的上升在逐层加强,说明由交通荷载引起的地面振动传至建筑结构中诱发了结构内部某些构件的高频振动,并且这种振动是逐层放大的.2.5水平顺桥、垂桥向振级按照我国《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》规定中的方法对加速度Z振级进行加权,加权振级如表1所示.加权后公路路边竖向振动最大振级为72dB,较水平垂桥向大10dB,这与文献实测结果建筑物的竖向振动约比水平大10dB的结论是一致的.如图5所示,建筑物一层竖向振级为65dB,水平顺桥向和垂桥向振级分别为56和63dB;随着楼层的增加,水平和竖向的振级均有所放大,顶层竖向振级为67dB,水平顺桥向和垂桥向振级分别为62dB和67dB,垂桥向振级较顺桥向大3～5dB.我国《城市区域环境振动标准》中规定交通干线两侧或商业、混合区振动限制标准:昼间不超过75dB,夜间不超过72dB,每日所发生的冲击振动,其最大值不允许超过标准值10dB,夜间不超过3dB.从测试结果可以看出,由公路、高架路交通荷载引起的环境振动均未超出国家有关规定,但是这并不能说明环境振动的影响可以忽视,交通荷载诱发建筑物内部构件的高频振动很有可能是居民感觉不适、投诉率增高的原因,单纯依靠1989年施行的《城市区域环境振动标准》作为城市交通振动对居民区的影响的尺度已不合时宜,新的标准亟待出台.交通振动诱发建筑结构构件高频振动的原因还有待进一步研究.3振动传播规律1)由城市公路、高架路引起的地面振动分别以5～25Hz、5～45Hz的低频振动为主,此振动信号传入建筑结构中会随着楼层的增加而放大,并且会诱发建筑结构内部构件的高频振动;2)地面振动在多层建筑物内部的传播规律为:竖向振动大于水平振动,