汽車所致虎門遺址振動(dòng)全過程性能化研究

葛家琪，馬伯濤，龐玉濤，王仕俊，楊維國，張 楠

(1.中國航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100120；2.聊城市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)院有限公司，山東 聊城 252000；3.河南藝術(shù)中心，鄭州 450046；4.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

隨著我國鐵路、高鐵、公路及城市軌道建設(shè)的迅猛發(fā)展，交通網(wǎng)絡(luò)不斷密集，流量不斷增加。工業(yè)、交通振動(dòng)對建筑及文物危害屬微振動(dòng)疲勞損傷，短期內(nèi)難易發(fā)覺，但已逐漸被重視，并研究各種防振技術(shù)措施[1-2]。交通振動(dòng)主要有軌道、公路交通。周裕德等[3]結(jié)合上海音樂廳遷址工程，采用類比調(diào)查法在衡山路段附近進(jìn)行測試，距地鐵線8 m處，地鐵經(jīng)過時(shí)振級約84 dB，主要頻段在40～100 Hz；某城市地鐵列車在建筑首層以15～25 km/h速度通過時(shí)，建筑3層樓面實(shí)測加速度達(dá)85 dB，西直門城鐵附近100 m處5層居民樓，列車通過時(shí)室內(nèi)感覺到強(qiáng)烈振動(dòng)，門窗、家具等玻璃發(fā)出響聲，甚至一段時(shí)間后家具因振動(dòng)而移位[4]；歐洲某公路或軌道交通線附近古磚石建筑因車輛通過時(shí)引起的振動(dòng)產(chǎn)生裂縫最終倒塌[5]。

虎門炮臺舊址為第二批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。修建的威遠(yuǎn)島環(huán)島路在定洋炮臺區(qū)段由于道路穿行山中，曲率半徑不得小于200 m，評估前環(huán)島路機(jī)動(dòng)車行車道距文物本體(清兵營房)僅48 m，見圖1。公路交通荷載引起的振動(dòng)可能對文物產(chǎn)生不利影響，應(yīng)進(jìn)行交通振動(dòng)的文物性能化評估及預(yù)測，保證文物在全壽命期內(nèi)的安全性。文物安全性能化研究為綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)高等分析手段與工程方法達(dá)到既定文物安全性能目標(biāo)的系統(tǒng)研究，包括安全指標(biāo)確定、振動(dòng)響應(yīng)預(yù)測及振動(dòng)響應(yīng)控制，即據(jù)文物結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、重要等級等確定不同的安全控制指標(biāo)，采用適宜試驗(yàn)實(shí)測及分析評估預(yù)測方法及防護(hù)措施。目前我國文物防振保護(hù)研究尚處初級階段，預(yù)測及評估方法有待結(jié)合具體工程進(jìn)一步完善[6]。

1 防振安全性能化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

針對不同振源對古建筑物影響，GB/T 50452- 2008《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：古建筑結(jié)構(gòu)容許振動(dòng)速度應(yīng)據(jù)結(jié)構(gòu)類型、保護(hù)級別及彈性波在古建筑結(jié)構(gòu)中的傳播速度選用。古建筑磚結(jié)構(gòu)容許振動(dòng)速度見表1。定洋炮臺區(qū)兵房結(jié)構(gòu)及炮臺結(jié)構(gòu)實(shí)測彈性波速Vp分別為1078 m/s及2073 m/s。由于該炮臺為全國重點(diǎn)保護(hù)文物，故由表1獲得兵房、炮臺結(jié)構(gòu)振動(dòng)允許速度分別為0.15 mm/s及0.19 mm/s。

表1 古建筑磚結(jié)構(gòu)容許振動(dòng)速度v (mm/s)

2 計(jì)算機(jī)仿真模型與試驗(yàn)驗(yàn)證研究

2.1 重車激振現(xiàn)場實(shí)測

現(xiàn)場實(shí)測采用55 t重型卡車，以60 km/h車速駛過待建公路路基，同時(shí)測量兵房拱頂、基座及公路路基三方向振動(dòng)。位置關(guān)系示意見圖2,測試結(jié)果見表2。

由表2可得公路路基至兵房基座的衰減系數(shù)(后者與前者速度比)在順路向、橫路向及垂向分別為0.192、0.469，0.363；兵房拱頂相對兵房基座在順路向、橫路向及垂向分別放大2.27，3.69，2.62。

表2 公路近地面測試記錄峰值統(tǒng)計(jì)

圖2 公路、兵房、炮臺位置關(guān)系示意圖

2.2 性能化模型分析與校準(zhǔn)

據(jù)地形圖、地質(zhì)勘查資料建立有限元模型。用solid95實(shí)體單元模擬土體，用shell63殼單元模擬兵房，見圖3、圖4。土體模型中最大單元格尺寸為2 m，可滿足所需結(jié)果精度，邊界條件用粘彈性人工邊界[7], 避免邊界反射等造成的影響[8]。

為驗(yàn)證有限元模型的正確性及可靠性，對模型施加車重、速度及行車位置均與實(shí)測相同，即車重55 t，速度60 km/h，路邊測點(diǎn)距行車線約7 m。本文模型車輛荷載以接地壓力形式傳至路面單元，按等效節(jié)點(diǎn)荷載形式施加于單元節(jié)點(diǎn)。汽車以移動(dòng)荷載列形式在有限元模型中加載[9]。提取的有限元模型中與工程實(shí)測點(diǎn)相同位置處動(dòng)力響應(yīng)見表3。由表3看出，有限元分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好；個(gè)別數(shù)值差別較大。原因?yàn)楣方煌ㄕ駝?dòng)能量較小，且處于施工階段，路面不平易造成汽車搖擺；外界干擾(如人員的走動(dòng)等)對測試結(jié)果影響較大。因此認(rèn)為用有限元模型模擬工程實(shí)際振動(dòng)可行。據(jù)模型對道路不同工況的車輛荷載進(jìn)行分析，給出各工況振動(dòng)激勵(lì)對文物保護(hù)區(qū)各方向振動(dòng)響應(yīng)，評估文物的安全性。

表3 有限元計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測速度對比

3 性能化分析研究

3.1 分析荷載選取

該公路等級為二級，為提高安全儲備，用一級公路標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。據(jù)JTGB01- 2003《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，一級公路為專供汽車分向、分車道行駛，并據(jù)所需控制出入多車道公路；六車道高速公路能適應(yīng)將各種汽車折合成小客車的年平均日交通量25000～55000輛。《中華人民共和國道路交通安全法》規(guī)定：高速公路行駛車速超過100 km/h時(shí)安全車距為100 m；低于100 km/h時(shí)最小安全車距不得小于50 m。

3.2 工況

為研究不同車速、車重及隔振溝深度對振動(dòng)傳遞及振動(dòng)響應(yīng)影響，本文考慮3種工況。

(1)動(dòng)力效應(yīng)研究。計(jì)算無隔振溝時(shí)土體衰減規(guī)律及兵房拱頂動(dòng)力放大系數(shù)。主要分析固定車重(55 t)時(shí)改變車速為40 km/h，60 km/h，80 km/h；固定車速(60 km/h)時(shí)改變車重為5 t，10 t，55 t。

(2)隔振溝尺度研究。計(jì)算有隔振溝時(shí)土體的振動(dòng)衰減規(guī)律。用車重55 t、車速60 km/h時(shí)重型車激勵(lì)，溝寬1 m，改變溝深為0 m，1.5 m，3 m，6 m。

(3)多車效應(yīng)研究。據(jù)(2)確定的溝深，考慮多車行駛時(shí)的振動(dòng)影響。多車行駛分為多車道同向并行與同車道多車同向行駛兩種。據(jù)一級公路及法規(guī)規(guī)定，考慮最不利的多車組合，即55 t，10 t兩種情況，3車道3車并行及同車道2車同向行駛時(shí)分析古建筑文物的振動(dòng)響應(yīng)。

3.3 各工況計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 工況1動(dòng)力效應(yīng)研究

(1)對車重55 t，車速40 km/h，60 km/h，80 km/h時(shí)分析不同車速對地面振動(dòng)影響。用有限元分析獲得順路向、橫路向及垂向峰值速度隨距離變化規(guī)律見圖5。由圖5看出，隨距離的增加地面振動(dòng)響應(yīng)減小。

表4 改變車速時(shí)衰減系數(shù)對比

表5 改變車速時(shí)兵房拱頂最大速度及動(dòng)力放大系數(shù)

兵房基座(35 m)、炮臺處(85 m)振動(dòng)速度響應(yīng)衰減見表4。由表4看出，車速越快順路向、橫路向及垂向衰減越明顯；距行車道越近衰減速度越快。綜合考慮兵營基底處速度衰減系數(shù)取0.35，即65%的衰減；炮臺處速度衰減系數(shù)取0.25，即75%的衰減。

兵房拱頂最大速度及兵房拱頂相對兵房基座放大系數(shù)見表5。順路向、垂向兵房拱頂動(dòng)力放大系數(shù)變化分別為2.3～2.6及2.7～3.4；橫路向兵房拱頂動(dòng)力放大系數(shù)隨速度增加而減小，且車速每增加20 km/h，動(dòng)力放大系數(shù)減小為50%。

(2)對車速60 km/h、車重5 t，10 t，55 t時(shí)分析不同車重對地面振動(dòng)響應(yīng)影響。計(jì)算分析獲得順路向、橫路向及垂向峰值速度隨距離的變化規(guī)律見圖6。由圖6看出，距離越遠(yuǎn)地面振動(dòng)響應(yīng)越??；車輛載重增加振動(dòng)響應(yīng)基本呈線性增加。

圖5 改變車速時(shí)振動(dòng)響應(yīng)

圖6 變車重時(shí)振動(dòng)響應(yīng)

改變車重，兵房基座(35 m)及炮臺處(85 m)振動(dòng)速度衰減見表6。由表6看出，改變車重三方向衰減變化不明顯，車重為5 t，10 t，55 t時(shí)兵房基座振動(dòng)速度衰減51%～68%、51%～68%、51%～ 67%；炮臺振動(dòng)速度衰減50%～85%、54%～80%、60%～85%。綜合考慮兵房基底處速度衰減系數(shù)取0.35，即65%的衰減；炮臺處速度衰減系數(shù)取0.2，即80%的衰減。

表6 改變車重時(shí)衰減系數(shù)對比

兵房拱頂最大速度及放大系數(shù)見表7。由表7看出，車重不同，順路向、垂向拱頂動(dòng)力放大系數(shù)變化為依次為2.3～2.5，3.4～3.7；橫路向拱頂動(dòng)力放大系數(shù)隨車重的增加而增加，車重越大動(dòng)力系數(shù)增加越緩慢。

表7 改變車重時(shí)兵房拱頂最大速度及動(dòng)力放大系數(shù)

由以上分析及表1知，車重為55 t時(shí)不采取任何減振措施，汽車行駛造成兵房拱頂水平速度接近或超過限值0.15 mm/s，55 t車重時(shí)對兵房可能造成損壞；車重5 t，10 t的單輛車以40 km/h、60 km/h、80 km/h速度行駛所致兵房拱頂水平振動(dòng)速度遠(yuǎn)小于0.15 mm/s，不會(huì)對兵房造成破壞。

3.3.2 工況2隔振溝尺度研究

用車重55 t、車速60 km/h重型卡車，改變隔振溝深度，分別取無溝(0 m)，1.5 m，3.0 m，6.0 m進(jìn)行計(jì)算，研究隔振溝對振動(dòng)響應(yīng)衰減規(guī)律影響。獲得順路向、橫路向、垂向峰值速度變化曲線見圖7。兵房基座及炮臺處振動(dòng)速度響應(yīng)衰減見表8。由表8看出，兵房基座處橫路向、順路向振動(dòng)速度隨隔振溝深度增加而減小，溝深6 m時(shí)振動(dòng)速度較無溝時(shí)降低12%，垂向速度響應(yīng)衰減不明顯，溝深6 m時(shí)降低7%；炮臺處橫路向、順路向振動(dòng)速度隨隔振溝深度增加而降低，溝深6 m時(shí)振動(dòng)速度較無溝時(shí)降低8%，垂向速度響應(yīng)衰減不明顯，溝深6 m時(shí)衰減8%。

由以上分析知，在路邊設(shè)置隔振溝有利于控制土體振動(dòng)響應(yīng)，且隔振溝深度與隔振效果成正比，即隔振溝愈深隔振效果愈明顯；水平隔振效果優(yōu)于豎向；但考慮工程實(shí)施情況，隔振溝設(shè)置太深會(huì)限制其效率發(fā)揮。本工程建議排水溝兼做隔振溝，深3 m，可使振動(dòng)速度減小約8%。結(jié)合工況1及表5、表7結(jié)果知，車速控制在60 km/h以內(nèi)時(shí)，3種車重引起的兵房拱頂水平最大速度不超0.15 m/s，可滿足表1要求。

3.3.3 工況3多車效應(yīng)研究

用工況2結(jié)論，取溝深3 m分析多車行駛時(shí)地面的振動(dòng)響應(yīng)?？紤]多條車道并行及同車道多車影響。通過施加在有限元模型同向、同速兩輛移動(dòng)車輛荷載，分析同車道多車振動(dòng)效應(yīng)疊加影響。多車道主要參考相關(guān)規(guī)范對單車道、多車道荷載組合及折減方法。車道數(shù)越多出現(xiàn)最不利加載幾率越小。橋涵設(shè)計(jì)車道數(shù)≥2時(shí)汽車荷載所致效應(yīng)按JTG D60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的多車道橫向折減系數(shù)折減，見表9，折減后效應(yīng)不得小于兩條設(shè)計(jì)車道荷載效應(yīng)。

圖7 改變隔振溝深振動(dòng)響應(yīng)

表8 改變溝深衰減系數(shù)對比

3.3.3.1 多車道并行

圖8 車重55t三車道振動(dòng)響應(yīng)

考慮車重55 t、10 t，速度60 km/h 時(shí)3輛汽車并行情況。用表9折減系數(shù)計(jì)算兩種多車并行結(jié)果見圖8、圖9。由圖8、圖9看出，與工況1中(2)分析結(jié)論一致，地面振動(dòng)響應(yīng)與車重近似正比關(guān)系。

車重55 t據(jù)工況1計(jì)算所得兵房拱頂動(dòng)力放大系數(shù)規(guī)律，3車并行時(shí)兵房拱頂最大速度峰值超過表1限值0.15 mm/s，應(yīng)予以避免；車重10 t以下3車并行時(shí)所致振動(dòng)遠(yuǎn)小于0.15 mm/s，不會(huì)對古建筑文物產(chǎn)生破壞。

表9 多車道橫向折減系數(shù)

3.3.3.2 同車道多車行駛與單車對比

車重10 t、55 t，速度60 km/h時(shí)兩車相距60 m同車道行駛，與單車行駛對比見表10。由表10看出，10 t時(shí)公路路基處兩車產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)分別是單車時(shí)的0.9～2.1倍，兵房基座處兩車產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)分別是單車時(shí)的1.6～3.2倍，炮臺處兩車產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)分別是單車時(shí)的1.1～1.5倍；55t時(shí)，公路路基處兩車產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)分別是單車時(shí)的0.8～ 2.0倍，兵房基座處兩車產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)分別是單車時(shí)的1.6～3.2倍，炮臺處兩車產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)分別是單車時(shí)的1.1～1.5倍。

圖9 車重10 t三車道振動(dòng)響應(yīng)

表10 單車與多車振動(dòng)響應(yīng)對比

據(jù)分析結(jié)果，多車振動(dòng)響應(yīng)與單車振動(dòng)響應(yīng)比值不會(huì)隨車重的改變而改變；除兵房基座附近外，多車速度響應(yīng)不會(huì)超過單車響應(yīng)乘以車輛數(shù)；兵房基座處多車響應(yīng)超過單車響應(yīng)乘以車輛數(shù)的原因?yàn)橛捎趦绍嚠a(chǎn)生的振動(dòng)波在此處疊加發(fā)生駐波所致。綜合考慮三向振動(dòng)，在有限元分析中模擬單車道多車振動(dòng)響應(yīng)可用相同數(shù)量單車振動(dòng)響應(yīng)折減獲得，折減系數(shù)范圍0.44～1.05，建議取0.8。距行車道大于35 m處，地面振動(dòng)響應(yīng)局部略有增加，其原因可能與振動(dòng)傳播中不同土層間反射、土體參數(shù)及地形地貌等因素有關(guān)，與文獻(xiàn)[10]實(shí)測結(jié)果吻合。

4 建 議

為充分保障文物安全，在性能化分析基礎(chǔ)上，對工程建設(shè)提出幾點(diǎn)建議：

(1) 定洋炮臺區(qū)段整個(gè)文物建設(shè)控制地帶內(nèi)，路邊應(yīng)設(shè)置隔振溝，溝寬1 m，溝深3 m；

(2) 文物相關(guān)路段應(yīng)合理安排施工計(jì)劃，先進(jìn)行隔振溝施工。在確保工程質(zhì)量前提下，文物區(qū)段應(yīng)采用振動(dòng)最小的小型機(jī)械設(shè)備，確保道路施工過程中路面三方向最大振動(dòng)速度實(shí)測值不大于0.15 mm/s、最大振動(dòng)加速度實(shí)測值不大于3.0 mm/s2；

(3) 文物相關(guān)路段路面設(shè)計(jì)時(shí)宜選減振效果良好的路面及路基結(jié)構(gòu)，確保道路設(shè)計(jì)運(yùn)營期(15年)內(nèi)車流量及60 km/h車速時(shí)路面三方向最大振動(dòng)速度實(shí)測值不大于0.15 mm/s，最大振動(dòng)加速度實(shí)測值不大于3.0 mm/s2；

(4) 文物區(qū)段車速應(yīng)控制在60 km/h以內(nèi)，運(yùn)營車流量不應(yīng)超出二級公路限值；

(5) 道路與文物本體間在不影響景觀效果前提下盡可能多種植高大植被；

(6) 建議盡早對危險(xiǎn)古建筑文物修繕、加固。

5 結(jié) 論

本文以環(huán)島路建設(shè)與運(yùn)營對虎門炮臺舊址影響評估為工程背景，提出全過程性能化分析方法，通過有限元分析與現(xiàn)場實(shí)測等手段對古建文物進(jìn)行振動(dòng)安全性評估，結(jié)論如下：

(1) 現(xiàn)場實(shí)測確定關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及有限元分析進(jìn)行參數(shù)化研究、預(yù)測的性能化分析方法可用于預(yù)測公路交通所致古建文物振動(dòng)安全性及公路交通規(guī)劃，方法可靠、可行；

(2) 通過實(shí)測、計(jì)算、研究給出的古建文物振動(dòng)速度與車輛運(yùn)行車重、車速、同行車輛數(shù)變化規(guī)律及與隔振溝尺度變化規(guī)律；

(3) 城市內(nèi)公路設(shè)計(jì)車輛(非超載、超速)運(yùn)行時(shí)按本文建議可實(shí)現(xiàn)古建筑文物振動(dòng)控制指標(biāo)。

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