小議交通誘發(fā)建筑結構振動的實測論文
建筑結構及振源環(huán)境
實測建筑物為廣州市某職業(yè)學院內一棟綜合樓(見圖1)，該樓為框架結構，地下一層，層高4.2米，地上四層，首層層高3.5米，二、三、四層層高均為3.3米。該綜合樓所受環(huán)境振動影響不僅有地面道路交通誘發(fā)的振動，還包括高架路誘發(fā)的振動，是一個多振源的復雜振動環(huán)境。環(huán)城高速上車流量較大，重型車較多，車速約為70km/h；城市道路內以小型車和公交車為主，車速約為40km/h。
現場實測
1測試概況
。建筑結構內共布置5個測點，包括：建筑物一層3號測點、二層4號測點、三層5號測點、四層6號測點、樓頂7號測點，為消除建筑結構構件局部振動的影響，將建筑結構內的測點布置在走廊樓梯處靠近柱子的位置，柱子的豎向剛度大。為比較室外地面和建筑結構內的振動差異，在靠近建筑物室外的路旁布置了兩個測點，即位于公路路邊的1號測點和距路邊5米處的2號測點。為對比城市道路系統(tǒng)誘發(fā)的建筑結構振動在豎向和水平向的不同，在每個測點分別布置豎向和水平兩個方向的加速度傳感器，豎向測點傳感器編號分別為1、3、5、7、9、11、13；水平測點傳感器編號分別為2、4、6、8、10、12、14。由于數據采集系統(tǒng)通道數的限制，通過調整水平向加速度拾振器的方向來分別測試結構順橋水平向振動和垂橋水平向振動。試驗儀器為丹麥B&K公司的PULSE振動及聲學信號采集分析系統(tǒng)和B&K-8340型加速度拾振器。各儀器和傳感器在測試前均進行了調試和標定。測試過程和方法參照國家標準《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》[13]進行。測試從下午4時開始，于晚間10時結束，共測試了10組數據，每次采集時間為3~5min，其中前三組數據和最后兩組數據的實測內容為豎向、水平垂橋向振動，第四組到第八組實測內容為豎向、水平順橋向振動，第六次測試數據由于設備故障而不予采用。所有試驗數據均進行了濾波處理。
2測試結果分析
沒有呈現車輛誘發(fā)地面振動時的周期性峰值現象[8]，這是由于該綜合樓所受環(huán)境振動影響不僅僅是地面道路交通誘發(fā)的振動，還包括高架路誘發(fā)的振動，是一個多振源的復雜振動環(huán)境。為說明環(huán)境振動在地面和建筑結構內的頻譜分布狀況，圖3選取2號(地面)、3號(建筑結構首層)、5號(建筑結構中間層)、7號測點(建筑結構頂層)，分別給出了豎向、垂橋水平向、順橋水平向加速度功率譜，目的是得出振動加速度信號的能量分布和頻率成分，以了解引起振動的原因及其與能量輸入的相互關系。由于GB10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》[13]和GB/T50355-2005《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》[14]在評價環(huán)境振動時，其考慮的頻率范圍為1~80Hz，因此本節(jié)在進行功率譜分析時，考慮的頻率范圍為1～90Hz。圖3表明：地面上和建筑物內豎向、垂橋水平向、順橋水平向加速度的頻率范圍均在30Hz以下；當振動傳入建筑物內后時，豎向高頻成分放大明顯，產生這種現象的原因是結構的豎向振型位于高頻區(qū)。以往研究成果表明，地鐵[7]引起的地面豎向振動頻率范圍主要以60～80Hz的振動最為顯著；對于城軌交通[15]地面線路誘發(fā)的環(huán)境振動，當距離振源較近時，地面振動加速度頻率范圍為50～60Hz，較遠時主要頻率范圍為25～30Hz；對于普通列車[8]誘發(fā)的地面振動，在振源附近100Hz左右的頻率貢獻最大，遠距離處頻譜主要由20～50Hz的頻率控制；最新的針對高鐵[6]的研究成果表明，當距軌道中心線水平距離60m以內時，地面振動的主頻主要集中在40Hz左右，當距離振源更遠時，地面振動的低頻成分上升。本文實測得到的城市道路系統(tǒng)誘發(fā)的地面振動，不論是豎向還是垂橋水平向和順橋水平向，雖然距離振源較近，但其頻率范圍都在30Hz以內。以上分析表明，各種交通振源誘發(fā)環(huán)境振動頻率的范圍不同，特別是振源附近的振動，但隨著與振源距離的增加，卓越頻率減小。因此，文獻[14]采用分頻限值方式作為評價標準，這與輸入結構振動波的特性和結構本身的特性有很大關系，因此，在進行環(huán)境振動敏感建筑物設計時，應綜合考慮建筑物所在地環(huán)境振動的特點和結構的.動力特性，以滿足評價標準的要求。通過將各次實測得到的加速度峰值和加速度振級進行平均計算，(其中加速度振級根據GB10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》計算得到)得出了豎向、垂橋水平向、順橋水平向加速度峰值和振級對比(見圖4、圖5)。由圖可見，不論是加速度峰值還是加速度振級，垂直向均大于水平向，說明交通振源系統(tǒng)誘發(fā)環(huán)境振動的加速度峰值主要以豎向振動為主；且豎向加速度峰值和振級均隨樓層的增加而單調增加，水平向不隨樓層的增加而單調增加。圖4中建筑物內豎向最大加速度峰值為0.026m/s2，水平向為0.013m/s2。圖5中建筑物內豎向最大加速度振級為66.2dB，水平向為66.1dB，兩個方向的最大加速度振級相當。由此可見，在建筑結構內，雖然垂直加速度峰值明顯大于水平加速度峰值，但是豎向與水平向加速度振級相差較小，特別是在建筑結構頂層，說明對一些振動敏感的建筑物結構內只考慮豎向環(huán)境振動是不夠的。
數值模擬分析
本文研究的建筑結構修建時間相對比較久遠，沒有找到相關的圖紙數據，精度有限，綜合樓有限元模型見圖6。該模型采用Rayleigh阻尼，阻尼比選取為0.05。在輸入振動波的選取上，除包括實測綜合樓的室外和地下室共三條振動波外，為與環(huán)境振動進行相關的對比分析，還選擇了一條地震波(ElCentro波)作為輸入波。為了能使環(huán)境振動波和地震波功率譜在同一張圖上清晰地表現出來，本文在進行功率譜分析時，對所有水平輸入波或豎向輸入波進行處理，使其最大加速度峰值均與水平向或豎向環(huán)境振動波3相同。圖7給出了水平向環(huán)境振動波、地震波的功率譜。由圖可見：水平向環(huán)境振動波和地震波的主要頻率范圍存在明顯差異，ElCentro波的主要頻率范圍為0~5Hz，環(huán)境振動波的主要頻率范圍為5~20Hz；即使是環(huán)境振動波，相互之間頻率范圍也不同，其中環(huán)境振動波1的主要頻率范圍為10~15Hz，環(huán)境振動波2為5~10Hz，環(huán)境振動波3為15~20Hz。圖8給出了豎向環(huán)境振動波、地震波的功率譜。由圖可見，豎向地震波的頻率范圍分布比較寬，與環(huán)境振動較為接近，環(huán)境振動波豎向頻率范圍主要為5~20Hz，雖然各環(huán)境振動波之間的頻率范圍有所不同，但沒有水平振動明顯。為驗證模型的正確性，表1給出了環(huán)境振動波3加速度峰值實測與計算結果的對比，由表可見：不論是豎向振動還是水平振動，實測結果和計算結果兩者在變化趨勢還是比較一致，即豎向振動隨著樓層的增加基本呈現增加趨勢，水平向振動則沒有這種趨勢，這與實測分析得到的結論一致。圖9、圖10分別給出了垂直向、水平向加速度功率譜的實測和計算結果對比，對比分析表明實測和計算結果在變化趨勢上比較一致，對于垂直向加速度，隨著樓層的增加，其功率譜頻率分布范圍基本沒有變化，即整個結構在做整體的豎向振動，與實測分析結論一致。由表1、圖9、圖10可見實測結果與分析結果在數值上差別較大，特別是水平向，產生這種狀況的原因有多種：首先由于沒有結構圖紙，且忽略了許多構件的影響，所以誤差與實際房屋結構相差比較大；再者實測時受影響的因素比較多，包括人為因素、設備因素等。雖然實測與計算結果存在較大的誤差，但總體上來說，分析結果還是能夠反映結構受環(huán)境振動影響的分布特點，可用于對結構受環(huán)境振動影響的定性分析。圖11給出了實測建筑結構輸入不同振動波時的分析結果，水平ElCentro波的分析結果已縮小到原計算結果的1/10。圖示分析表明，垂直向加速度隨著樓層的增加而增加，水平向加速度則不存在這一規(guī)律。
結論
通過上述分析，可得如下主要結論。1)時域內的加速度峰值分析表明不論地面振動還是建筑物內的振動，豎向加速度明顯要大于水平向加速度。但是，豎向和水平向的加速度振級最大值相當，說明對于一些環(huán)境振動敏感的特殊結構，建筑結構內只考慮豎向環(huán)境振動是不夠的。2)通過建立實測建筑結構的有限元模型，對比實測和計算結果，表明計算結果能夠反映環(huán)境振動在結構樓層間的傳播規(guī)律，可用于對結構受環(huán)境振動影響的定性分析和敏感性分析。3)實測和數值分析結果表明：不論是加速峰值還是加速度振級，豎向幅值均隨樓層的增加而單調增加，但水平向幅值并不會隨著樓層的增加而單調增加。綜合已有研究成果和本文實測分析結果，表明各種交通振源誘發(fā)環(huán)境振動的頻率范圍不同。文獻[14]采用分頻限值方式作為評價標準，與輸入結構振動波的特性和結構自身固有動力特性有很大關系，因此，在進行環(huán)境振動敏感建筑物設計時，應綜合考慮建筑物所在地環(huán)境振動的特點和結構的動力特性，以滿足分頻限值評價標準的要求。
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