交通荷載引起的環(huán)境振動危害研究綜述

郭靳時，李翔 （吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118）

1 引言

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，交通荷載引起的環(huán)境振動普遍存在于人們的日常生活中。環(huán)境振動一般通過巖、土層介質(zhì)向地表四周或地下傳播，傳播過程中會引起地面建筑物或地下建筑物振動響應(yīng)，雖然沒有地震那么強烈，但這種振動長期存在，影響著人們的身心健康，干擾精密儀器的正常使用，嚴重時會使建筑物內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)變，當殘余應(yīng)變積累到一定程度，建筑結(jié)構(gòu)會發(fā)生疲勞破壞，降低結(jié)構(gòu)強度[1-3]。介于環(huán)境振動對人們的身心健康和生產(chǎn)活動產(chǎn)生的影響日益嚴重，國內(nèi)外越來越多的學(xué)者對環(huán)境振動所產(chǎn)生的危害，進行深入的探討和研究。

2 交通引起環(huán)境振動的危害

2.1 對鄰近建筑物的影響

2006年曹艷梅[4]等建立了列車—軌道—路基解析分析模型，計算出單個車輪對地基的作用力，采用疊加的方式計算得到整列車對路基的動荷載。通過有限元軟件加載的方法，研究了此動荷載對附近某一高層建筑的振動影響，得出如下規(guī)律：①列車所引起的振動隨著樓層的增高有增大的趨勢；②在車速為60km/h～120km/h的范圍內(nèi)，建筑結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)隨車速增大而增大，大致呈線性關(guān)系。每當車速增加20km/h，建筑結(jié)構(gòu)振動加速度增加4dB～7dB；③建筑結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)隨著與動荷載作用位置的水平距離增大而減小，每當距離增加10m，建筑結(jié)構(gòu)的振動加速度減小2dB～5dB。

2006年鄭薇[5]利用有限元軟件Ansys數(shù)值模擬和實測相結(jié)合的研究方法，對浙江省某鄰近火車站的樓盤進行環(huán)境振動影響評估，通過研究發(fā)現(xiàn)：①列車經(jīng)過建筑物附近時引起的豎向振動要比水平振動更大，這是因為豎向振動主要由結(jié)構(gòu)共振和局部振動共同作用所產(chǎn)生的，而水平振動則主要由結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生；②豎向振動和水平振動隨震距增大而單調(diào)遞減。豎向振動和水平振動的振級總體呈現(xiàn)樓層增加而增加的趨勢，但其中存在一個拐點；③通過分別建立十層框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)有限元計算模型比對模擬發(fā)現(xiàn)，剪力墻結(jié)構(gòu)的振級相比框架結(jié)構(gòu)的振級更大，因此說明剪力墻并不能絕對地更好抑制振動；④結(jié)構(gòu)的跨度因素對豎向振動的影響程度要比樓板厚度因素對振動影響更顯著。

2008年文強[6]采用了有限元分析和數(shù)值模擬的方法，分析了距離、車速、隧道埋深、巖土層性質(zhì)、列車軸重和軌道不平順等因素對地鐵引起的振動問題的影響，進而研究了列車行駛引起的振動對建筑結(jié)構(gòu)的影響，分析建筑物自身特性的改變和振動響應(yīng)之間的關(guān)系，得到以下結(jié)論：①隨著與隧道距離增加，相應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)總體越小，但并非單調(diào)遞減，而是存在一個反彈區(qū)；②與隧道距離一定的建筑，振動隨樓層的增高而增大，頂層最大；③框架梁的剛度和質(zhì)量對結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)的影響顯著，剛度和質(zhì)量越大，振動響應(yīng)越小。

2014年宗琳[7]利用ANSYS建立了一個六層框架結(jié)構(gòu)分析模型，并以實測地鐵運行產(chǎn)生的振動波作為激勵對模型進行加載，得出以下結(jié)論：①地鐵在運行過程中產(chǎn)生的地面振動頻率集中在0～100Hz，且在40Hz～60Hz區(qū)間的振動分量較大。在振動傳播的過程中，高頻振動部分會衰減得更快；②振動加速度隨著與隧道的距離增大而減小，但并非單調(diào)衰減，而是在一定范圍內(nèi)存在一個回升區(qū)，且主要以豎向加速度為主；③在建筑物基礎(chǔ)底部裝置橡膠減振墊，有助于減小結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，且對地震也有一定的減振效果。

2016年楊凱[8]利用ANSYS軟件分別建立了隧道—土體—建筑物二維和三維模型，采用激勵函數(shù)來模擬列車動荷載，研究表明：①當?shù)罔F列車勻速運行時，地面振動隨著與隧道水平距離增大而減小，但是在25m左右出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，二維模型比三維模型反彈更明顯，而這個距離恰好可能出現(xiàn)在建筑物區(qū)域；②隧道埋深對振動強度相關(guān)性明顯，豎向振動加速度隨著埋深的增加而減小，因此深埋地鐵隧道能有效減振。

2.2 對人的影響

1993年張朝群等[9]對全身振動環(huán)境舒適性進行了系統(tǒng)性評價，介紹了乘坐舒適性系數(shù)法、吸收功率法、1/3倍頻程分析法、矢量疊加法、單一不舒適性指數(shù)法等舒適度評價方法，并對這幾種方法進行了比較，建議以均方根加速度對振動頻率的關(guān)系作為舒適性的評價指標。

2003年韋光毅等[10]對83名長期接受全振人員和40名非接振人員進行健康檢查和腰椎X射線正側(cè)位拍片，進行對照實驗。實驗結(jié)果表明，頭暈、惡心、耳鳴、失眠、多夢、記憶力減退、食欲不振、心悸、關(guān)節(jié)酸軟、上腹痛及頸、肩、背、腰部和上下肢疼痛等為受全振人員的主訴癥狀，相比之下對照組的發(fā)生率明顯更小。

2016年劉娟等[11]在學(xué)術(shù)會議中指出，環(huán)境振動會引起受振人群泌尿系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、運動系統(tǒng)和心血管及循環(huán)系統(tǒng)等多種系統(tǒng)的病理學(xué)效應(yīng)，以及生理學(xué)和心理學(xué)效應(yīng)，并提出了減振、吸振和隔振措施。

2.3 對精密儀器的影響

2007年栗瑞德等[12]利用傳感器實地測量正常運營的地鐵和汽車的豎向振動加速度，將地面振動時程轉(zhuǎn)換到國際通用的1/3倍頻程頻譜研究地面振動特性，以討論交通引起的環(huán)境振動對精密儀器的影響。得出以下結(jié)果：①作者提出“等振頻率”的概念，即在同一振源下，“等振頻率”對應(yīng)的地面振動的振級，不隨距震源的距離而改變。當振動頻率小于“等振頻率”區(qū)間時，地面振動主要受到背景振動影響；當?shù)孛嬲駝哟笥凇暗日耦l率”的區(qū)間時，地面振動主要受到距離因素影響，但背景振動的影響依然存在；②參照某儀器的環(huán)境振動限值，結(jié)合地面振動特性，總結(jié)出地面振動頻率分別大于和小于“等振頻率”的情況下對精密儀器的影響規(guī)律。

2011年馬蒙等[13]以北京某地鐵線穿過科研實驗室為背景，對精密實驗儀器平臺的環(huán)境振動進行了檢測和評價。將實測樓外振動響應(yīng)通過傳遞比曲線折算到精密儀器上，以評價振動對精密實驗儀器的影響。研究表明：道路車流荷載產(chǎn)生的環(huán)境振動對實驗儀器平臺水平方向的振動較大；當列車低于60km/h且勻速行駛，振動對精密儀器影響不明顯；當車速大于60km/h勻速通過時，振動的影響較大，為保證儀器正常使用，應(yīng)采取減振措施。

2020年高廣運等[14]等利用意大利進口設(shè)備TROMINO測試合肥某顯示驅(qū)動芯片廠房微振動，將得到的有效實測數(shù)據(jù)用1/3倍頻程法進行分析，得到地面微振動特性，得到如下有用結(jié)論：①由于廠房地坪長期受豎向荷載作用，其豎向剛度大于水平向剛度，因此豎向振動比水平向振動明顯；②車輛在廠區(qū)內(nèi)行駛，廠房二層振動響應(yīng)明顯大于一層，尤其在8Hz～250Hz頻段的振動顯著增加，并且在80Hz～90Hz頻段出現(xiàn)振動放大現(xiàn)象。

3 減振與隔振建議

①對于地鐵設(shè)計，增加隧道埋深能顯著降低環(huán)境振動，穿過居民區(qū)時，應(yīng)適當降低行駛速度。

②軌道列車盡可能避開市區(qū)，當無法避開時，應(yīng)使用減振軌道，并且在距離軌道中心線水平方向25m振動反彈區(qū)內(nèi)，不宜建造居民樓房、辦公樓和有精密儀器的廠房或科研所。

③車流密集的城市道路，在限速的基礎(chǔ)上，還應(yīng)增加道路的平整度，并且降低路面剛度。

④城市軌道、快速路、高速路、城市干道臨近區(qū)域不宜建造高層建筑。