路面交通誘發(fā)古建筑振動測試與分析

魏陸順 林霞娟 陳睦鋒 張璐

摘 要：對某古建筑在路面交通作用下的振動響應(yīng)進行了現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬。首先對結(jié)構(gòu)振動速度與加速度響應(yīng)進行了現(xiàn)場實測，然后計算了結(jié)構(gòu)模型在實測數(shù)據(jù)輸入下的振動響應(yīng)，最后分析了交通路況對古建筑的影響。分析結(jié)果表明：路面交通引起古建筑水平向振動主要在3～15Hz范圍內(nèi)，以低頻振動為主；豎向振動第一階頻率約為8Hz，振動豎向幅值較水平幅值大；結(jié)構(gòu)的一階頻率與車輛振動頻率接近是導(dǎo)致古建筑振動幅值較大的原因。

關(guān)鍵詞：交通振動；古建筑；振動響應(yīng)；模型分析

中圖分類號：TU311.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）11-0047-03

Abstract： The field measurement and numerical simulation of the vibration response of an ancient building under the action of road traffic are carried out. First， the vibration velocity and acceleration response of the structure are measured on the spot； then the vibration response of the structure model under the measured data input is calculated； finally， the influence of the traffic conditions on the ancient buildings is analyzed. The results show that the horizontal vibration of ancient buildings caused by road traffic is mainly within the range of 3～15 Hz， the low frequency vibration is dominant， the first order frequency of vertical vibration is about 8 Hz， and the vertical amplitude of vibration is larger than that of horizontal vibration. The first order frequency of the structure is close to the vibration frequency of the vehicle， which is the reason for the larger vibration amplitude of the ancient building.

Keywords： traffic vibration； ancient buildings； vibration response； model analysis

1 概述

交通振動是指因交通車輛引起的結(jié)構(gòu)振動通過周圍的介質(zhì)向外傳播，從而誘發(fā)附近建筑物（包括室內(nèi)設(shè)備，精密儀器，家具等）二次振動和噪聲，并造成建筑物地基下沉，墻體開裂。近年來，隨著我國的交通量持續(xù)增長，交通振動對古建筑的影響顯得日益突出[1]，因此，有必要根據(jù)振動技術(shù)規(guī)范對古建筑進行振動響應(yīng)測試和相關(guān)分析，進一步保護古建筑。孫獻倫[2]研究了一座四層的磚木結(jié)構(gòu)在不同車速下的典型車輛荷載激勵下的振動響應(yīng)；李宇東[3]對地鐵列車及路面交通引起木結(jié)構(gòu)古建筑微振動進行了預(yù)測研究；李克飛[4]研究了古建筑在既有地鐵交通和路面交通作用下的振動響應(yīng)及其結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的傳播規(guī)律；孟昭博[5]建立了多輛車并行時環(huán)形道路交通引起的地面振動衰減實用計算公式。

本文對一古建筑在路面交通作用下的振動響應(yīng)進行了現(xiàn)場測試和有限元模型的計算分析。依據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》（GB10070-1988）[6]對建筑各層樓面振動速度及底層、室外靠近路面一側(cè)的加速度響應(yīng)進行了現(xiàn)場測試，隨后建立結(jié)構(gòu)動力模型對其進行模態(tài)分析和動力響應(yīng)分析，根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果和計算結(jié)果分析了現(xiàn)況交通振動及路況改變后對結(jié)構(gòu)的影響。

2 古建筑概況

該建筑為三層券拱的西式建筑，混合結(jié)構(gòu)，屬于全國重點文物保護單位，具有重大的歷史價值、科學(xué)價值、社會價值。結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀如圖1所示，經(jīng)過現(xiàn)場勘察，個別處可見輕微裂縫，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。由于該建筑臨近繁忙的交通路線，為確定交通振動作用下對結(jié)構(gòu)影響，對該文物進行現(xiàn)場振動測試，并進行結(jié)構(gòu)分析。

依據(jù)《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》GB/T50452-2008[7]，古建筑容許振動限值應(yīng)符合表1的規(guī)定。

3 現(xiàn)場振動測試

測試系統(tǒng)采用丹麥B&K;公司PULSE系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)的二層、三層樓面各布置了2個測點，測點布置見圖2，現(xiàn)場測試如圖3所示。為模擬交通路況改變對結(jié)構(gòu)的影響，對結(jié)構(gòu)底層水平向和豎向加速度進行了現(xiàn)場測試，采用記錄到的加速度數(shù)據(jù)作為結(jié)構(gòu)模型的輸入，對結(jié)構(gòu)模型進行計算分析。

對二層、三層樓面A和B測點共進行了5次測試，其速度測試結(jié)果如表2所示，三層A測點的頻譜曲線如圖4所示?，F(xiàn)場測量二層、三層速度振動幅值滿足《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》（GBT50452-2008）限值0.15mm/s要求；車輛通過時對結(jié)構(gòu)振動有較大影響，此時三層樓面的速度幅值在0.038～0.069mm/s；現(xiàn)場測試的水平振動主要在3Hz～15Hz頻率范圍，為低頻振動為主。

4 結(jié)構(gòu)模型計算分析

采用SAP2000軟件建立的有限元模型如圖5所示。結(jié)構(gòu)X向1階頻率為3.25Hz（見圖6），Y向1階頻率為4.20Hz。

結(jié)構(gòu)振動速度幅值分析結(jié)果見表3。在現(xiàn)交通條件下，三層結(jié)構(gòu)振動幅值滿足規(guī)范限值0.15mm/s的要求，頂層結(jié)構(gòu)振動幅值接近限值0.15mm/s；結(jié)構(gòu)X、Y向一階頻在3.25～4.20Hz，與車輛通過測試的一階頻率接近，是結(jié)構(gòu)振動幅值較大的原因。

5 結(jié)束語

通過對一古建筑結(jié)構(gòu)在交通振動作用下的現(xiàn)場測試和有限元模型的計算，結(jié)果表明，車輛通過時對結(jié)構(gòu)振動有較大影響，三層結(jié)構(gòu)振動幅值滿足規(guī)范限值0.15mm/s的要求，而頂層結(jié)構(gòu)振動幅值接近規(guī)范限值0.15mm/s；路面交通引起古建筑水平向振動主要在3～15Hz范圍內(nèi)，以低頻振動為主；豎向振動第一階頻率約為8Hz，振動豎向幅值較水平幅值大；該古建筑結(jié)構(gòu)X、Y向一階頻率在3.25～4.20Hz，與汽車通過測試的一階頻率接近，是結(jié)構(gòu)振動幅值較大的原因。

參考文獻：

[1]Bata M. Effect on buildings of vibrations caused by traffic[J].Building Science，1985，99（1）：1-2.

[2]孫獻倫.道路交通荷載激勵下可園邀山閣振動響應(yīng)研究[D].華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.

[3]李宇東，馬蒙，等.地鐵列車及路面交通引起古建筑微振動預(yù)測研究[J].都市軌道交通，2014，27（3）.

[4]李克飛.交通振動對臨近古建筑的動力影響測試分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2011，35（1）.

[5]孟昭博.西安鐘樓的交通振動響應(yīng)分析及評估[D].西安建筑科技大學(xué)，2009.

[6]國家環(huán)境保護總局.城市區(qū)域環(huán)境振動標準：GB10070-1988[S].北京：中國標準出版社，1988.

[7]GB/T 50452-2008.古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.