地鐵運(yùn)行引起鄰近建筑物振動的實(shí)測與分析

畢 偉 李 靜 趙園園

(邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054000)

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地鐵運(yùn)行引起鄰近建筑物振動的實(shí)測與分析

畢 偉 李 靜 趙園園

(邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054000)

通過對地鐵鄰近建筑物的振動響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測及數(shù)據(jù)分析，探討了建筑結(jié)構(gòu)各樓層的振動加速度響應(yīng)，得出了地鐵運(yùn)行引起環(huán)境的振動在鄰近建筑結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律。

地鐵，建筑物，環(huán)境振動，加速度

0 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵由于具有快捷、準(zhǔn)時和運(yùn)量大的特點(diǎn)，成了緩解城市交通壓力的一種有效手段。然而地鐵運(yùn)營引起過量的環(huán)境振動及噪聲，會對人們的生活產(chǎn)生較大的影響[1-4]。

現(xiàn)場實(shí)測是研究環(huán)境振動的重要手段。通過現(xiàn)場實(shí)測可以研究地鐵振動的傳播規(guī)律、評價建筑物內(nèi)振動是否滿足國家相關(guān)法規(guī)的要求、地鐵列車振動的減振措施效果等大量實(shí)際工程問題。

本文對地鐵振動激勵下地鐵附近的大廈振動響應(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，測得地鐵鄰近建筑物各層的振動加速度響應(yīng)。通過計算分析，評價建筑物內(nèi)振動是否滿足國家相關(guān)法規(guī)的要求，總結(jié)出地鐵運(yùn)行引起的振動在鄰近建筑結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律。

1 工程概況及實(shí)驗簡介

1.1 工程概況

實(shí)測建筑物是一座18層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑，該大廈距離地鐵和馬路的水平距離僅15 m。其所受環(huán)境振動影響不僅有路面道路交通誘發(fā)的振動，還包括地鐵運(yùn)營誘發(fā)的振動，是一個多振源的復(fù)雜環(huán)境振動。

通過現(xiàn)場實(shí)測建筑結(jié)構(gòu)各樓層的振動響應(yīng)，以此來實(shí)現(xiàn)以下兩個主要目的：

1)評價建筑物內(nèi)振動是否滿足GB 10070—88城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)環(huán)境振動的要求；

2)研究地鐵運(yùn)行引起的振動在該建筑物中的傳播規(guī)律。

現(xiàn)場實(shí)測時采用中國地震局工程力學(xué)研究所研發(fā)的941B型超低頻測振儀，該儀器是測量超低頻或低頻振動的多功能儀器，主要用于測量地面和結(jié)構(gòu)物的脈動振動。采集儀是選取北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV-3018A型USB采集儀。此外選取北京交通大學(xué)自行研發(fā)的BJTU-DZ3型測振儀底座。

1.2 測點(diǎn)布置

根據(jù)GB 10070—88城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)、GB 10071—88城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法的相關(guān)規(guī)定，地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動以無規(guī)則振動考慮，因此每次采樣時間取1 000 s，現(xiàn)場實(shí)測時的采樣頻率取為512 Hz。在本實(shí)驗測試中，測試儀均置小速度檔位，并利用DASPV10軟件將采集到的速度信號微分為加速度信號，現(xiàn)場實(shí)測如圖1所示。

選取并測量大廈內(nèi)18個有代表性位置的豎向振動加速度時程，實(shí)驗共測18個測點(diǎn)，10個樓層，測點(diǎn)布置圖如圖2所示。

2 現(xiàn)場實(shí)測方法及內(nèi)容

通過測量大廈關(guān)鍵樓層位置點(diǎn)的豎向振動加速度整理計算得到各樓層的VLz10振級，評價建筑物內(nèi)振動是否滿足GB 10070—88城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)環(huán)境振動的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)控制》的相關(guān)要求，目標(biāo)建筑物采用居民夜間振動標(biāo)準(zhǔn)67 dB，晝間70 dB的評價標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范[5-7]，地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動按無規(guī)則振動考慮。因此，在進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測時每測次均取1 000 s，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時將1 000 s分為1 000個1 s的時間段。對每個1 s時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)做1/3倍頻程分析，計入豎向的計權(quán)系數(shù)，得到每個1 s時間段內(nèi)的瞬時VLz值，將該1 000個瞬時的VLz值按從小到大的順序進(jìn)行排列，取900個和901個VLz值的平均值作為VLz10值，再將得到的VLz10值與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值相比較。

3 實(shí)驗結(jié)果

建筑物各層豎向振動加速度時程曲線如圖3所示。

現(xiàn)場實(shí)測均在地鐵正常運(yùn)營時段進(jìn)行。由于各測點(diǎn)的時程曲線均因地鐵通過而發(fā)現(xiàn)比較明顯的變化，因此，可以認(rèn)為地鐵運(yùn)行對大廈的振動有顯著影響。

建筑物各樓層豎向振動振級VLz10與樓層關(guān)系如圖4所示。

根據(jù)圖4的豎向振動振級隨樓層的變化曲線，可以得出以下結(jié)論：

1)所有測次中最大VLz10振級為49.01 dB，滿足GB 10070—88城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)的晝間70 dB，夜間67 dB的振動要求。

2)隨著樓層的升高，豎向振動振級VLz10隨樓層的增加而增加，在9層時出現(xiàn)了峰值為49.01 dB?？赡苁怯捎诘罔F運(yùn)行引起的振動波傳至樓層頂部反彈的結(jié)果。

4 地鐵振動影響分析

對于環(huán)境振動而言，其時程曲線可以看成振幅不同和頻率不同的簡諧波的疊加，對實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程處理，可以得到各個測點(diǎn)振動中1 Hz～80 Hz的1/3倍頻程中心頻率對應(yīng)的有效振動加速度。對于每個中心頻率下的振動加速度為：

(1)

對于地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動問題，其樓層各點(diǎn)始終圍繞著平衡點(diǎn)振動，故速度為：

(2)

故每個1/3倍頻程各個頻段的振動能量為：

(3)

由式(3)我們可以看出振動能量比與1/3倍頻程對應(yīng)的各個中心頻率成反比，與其振幅成正比。

將測量數(shù)據(jù)處理分析，得到各個0 Hz～80 Hz頻段內(nèi)1/3倍頻程中心頻率對應(yīng)的能量百分比，各個典型樓層的振動能量分布如圖5，圖6所示。

綜合圖5，圖6的實(shí)測數(shù)據(jù)分析，可以得出如下結(jié)論：

1)地鐵所致大廈振動的主頻率為30 Hz～50 Hz，而5 Hz～16 Hz屬于樓板的局部振動。

2)分別比較圖5，圖6的各樓層的振動能量分布，結(jié)構(gòu)樓層(包括地下各層結(jié)構(gòu))越低，振動信號中30 Hz～50 Hz較高頻振動能量百分比越大；樓層越高，30 Hz～50 Hz較高頻振動能量百分比越小。

3)具體原因可能是隨著樓層的升高，建筑物各層的較低頻樓板振動也逐漸增大。而地鐵引起的較高頻振動在傳遞過程中逐步衰減導(dǎo)致地鐵激勵振動在各樓層樓板振動的總能量中所占的比重不斷減小。

為研究地鐵通過時對建筑物內(nèi)部各測點(diǎn)的振動影響，記錄了每次地鐵通過的時間，并從測試記錄中提取這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，整理和計算出地鐵通過時各測點(diǎn)的VLz振級。

地鐵通過時建筑物各樓層測點(diǎn)的VLz振級如圖7所示。

由圖7可以得出以下結(jié)論：

1)振動曲線可視為建筑物在地鐵振動影響下各樓層測點(diǎn)的振動響應(yīng)。

2)建筑物地上各樓層振動由于附近地鐵運(yùn)行引起的振動呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。大廈各樓層在地鐵影響下的豎向Z振級在43 dB～54 dB之間，其中8層樓板的振級最大約54 dB。大廈地下各層在地鐵影響下的豎向振動振級在44.2 dB～59.7 dB

之間，其中-3層出現(xiàn)最大豎向振級為59.7 dB。

[1] 劉衛(wèi)豐,劉維寧,聶志理,等.地鐵列車運(yùn)行引起的振動對精密儀器影響的預(yù)測研究[J].振動與沖擊,2013,32(8):18-23.

[2] 夏 禾,曹艷梅.軌道交通引起的環(huán)境振動問題[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2004(1):44-51.

[3] 裴 強(qiáng),陶夏新.軌道交通振動對鄰近建筑物的影響及其評價[J].地震工程與工程振動,2011,31(4):77-83.

[4] DING D Y,GUPTA S,LIU W N,etc..Prediction of Vibrations induced by trains on line 8 of Beijing metro[J].Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering),2010(4):280-293.

[5] GB 10070—88，城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] GB 10071—88，城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法[S].

[7] GB/T 13441—92，人體全身振動環(huán)境的測量規(guī)范[S].

The measurement and analysis on adjacent buildings vibration caused by subway operation

Bi Wei Li Jing Zhao Yuanyuan

(XingtaiPolytechnicCollege,Xingtai054000,China)

Through the site measurement and data analysis on vibration response of adjacent subway building, discussed the vibration acceleration response of each floor of building structure, obtained the propagation law of environmental vibration caused by adjacent building structure of subway operation.

subway, building, environmental vibration, acceleration

1009-6825(2016)28-0055-03

2016-07-24

畢 偉(1989- )，男，碩士，助教； 李 靜(1976- )，女，副教授； 趙園園(1989- )，女，碩士，助教

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