某文物建筑不同振動(dòng)源的振動(dòng)影響實(shí)測(cè)分析

王 昆 WANG Kun 謝永健 XIE Yongjian

0 引言

隨著現(xiàn)代城市的快速發(fā)展，城市地區(qū)文物建筑所處的振動(dòng)環(huán)境正在逐漸惡化，交通、施工等引起的振動(dòng)對(duì)文物建筑的環(huán)境影響尤為顯著。振動(dòng)環(huán)境中，文物建筑的保護(hù)涉及建筑結(jié)構(gòu)安全性和建筑完整性。一方面，受自身結(jié)構(gòu)壽命的影響，文物建筑的建筑構(gòu)件對(duì)環(huán)境更加敏感，對(duì)振動(dòng)環(huán)境的要求也相對(duì)更高；另一方面，由于文物建筑的歷史文化特殊性和破壞不可逆性，其對(duì)“建筑破壞”的定義遠(yuǎn)比現(xiàn)代建筑嚴(yán)格[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于交通振動(dòng)環(huán)境下古建筑的振動(dòng)研究已比較成熟。例如，許多學(xué)者先后通過理論分析、數(shù)值建模和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，評(píng)估地鐵等交通環(huán)境振動(dòng)對(duì)建筑物的影響，分析環(huán)境振動(dòng)變化規(guī)律，并開展相應(yīng)的評(píng)估與預(yù)測(cè)研究[2-3]；亦有學(xué)者通過實(shí)際應(yīng)用案例，分析地鐵隧道等深基坑的開挖與施工對(duì)古建筑的振動(dòng)影響[4-6]。但對(duì)于同一古建筑不同振動(dòng)源引起的振動(dòng)影響，尚缺乏完善的研究。

本文結(jié)合實(shí)際工程，研究地鐵振動(dòng)、裝修施工及周邊工程建設(shè)造成的偶然沖擊荷載等3 種振動(dòng)源對(duì)古建筑帶來的影響，為今后類似工程的監(jiān)測(cè)方案提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

某文物建筑始建于1922 年，為近現(xiàn)代全國(guó)重點(diǎn)文物。建筑原為4 層（局部5 層）磚木結(jié)構(gòu)，后經(jīng)多次修繕，內(nèi)部改為框架結(jié)構(gòu)。其建筑平面呈“回”字形布置，內(nèi)設(shè)天井，主體4 層，前部屋頂設(shè)2 層塔樓，建筑總高度約為21.6 m，建筑面積4245m2；房屋底層層高4.5m，二、三層層高均為3.4 m，四層層高為3.3 m。該建筑地處城市鬧市區(qū)，其北側(cè)不到30 m 處有一條運(yùn)營(yíng)中的地鐵，且周邊300 m 范圍內(nèi)有4 處建筑工地；同時(shí)，其本身正在進(jìn)行裝修施工。為調(diào)查建筑周邊振動(dòng)源及其振動(dòng)的關(guān)聯(lián)情況，持續(xù)對(duì)該房屋進(jìn)行6 d 振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前，與文物建筑相關(guān)的振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，主要有《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T50452—2008）[7]（以下簡(jiǎn)稱《古建筑規(guī)范》）和《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50868—2013）[8]。其中，《古建筑規(guī)范》對(duì)全國(guó)重點(diǎn)文物磚結(jié)構(gòu)的容許振動(dòng)值規(guī)定為“承重結(jié)構(gòu)最高處振動(dòng)速度響應(yīng)不超過0.15 mm/s”；而《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50868—2013）僅對(duì)“振動(dòng)敏感、具有保護(hù)價(jià)值、不能劃分上述兩類的建筑（即未核定為文物保護(hù)單位的不可移動(dòng)的、具有歷史、藝術(shù)、科學(xué)價(jià)值且需要保護(hù)的古建筑、古文化遺址、古墓群、近現(xiàn)代史跡和代表性建筑等）”進(jìn)行了規(guī)定，且交通振動(dòng)的容許振動(dòng)值為2.5 mm/s，建筑施工容許振動(dòng)值為3.0 mm/s。鑒于該建筑為全國(guó)重點(diǎn)文物建筑，且作為紀(jì)念館，館內(nèi)存有許多珍貴展品，故振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)較高，其振動(dòng)水平的評(píng)價(jià)應(yīng)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《古建筑規(guī)范》中的容許值0.15 mm/s。

同時(shí)，由于建筑臨近運(yùn)營(yíng)中的地鐵，其地鐵運(yùn)營(yíng)引起的振動(dòng)應(yīng)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 170—2009）[9]（以下簡(jiǎn)稱《軌交標(biāo)準(zhǔn)》）相關(guān)要求；且全國(guó)重點(diǎn)文物建筑屬于對(duì)振動(dòng)要求很高的特殊建筑，應(yīng)按0 類或1 類區(qū)域考慮，故室內(nèi)的晝間振動(dòng)限值為65 dB，夜間振動(dòng)限值為62 dB。

2.2 測(cè)試儀器設(shè)備及測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試方案主要根據(jù)上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。測(cè)試時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況布置測(cè)點(diǎn)及拾振器，采用由中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所制造的941B 型拾振器接收速度信號(hào)，并采用INV3062T 云智慧采集儀進(jìn)行離線采集和存儲(chǔ)。國(guó)內(nèi)外大量工程實(shí)踐表明，地面質(zhì)點(diǎn)峰值速度與建筑物的破壞程度相關(guān)性最好[10]。本測(cè)試方案采用的914B 型拾振器，是一種廣泛用于多種場(chǎng)合的低頻振動(dòng)測(cè)量和監(jiān)測(cè)儀器。基于動(dòng)圈式往復(fù)擺的運(yùn)動(dòng)原理，將拾振器水平向或鉛錘向與被測(cè)結(jié)構(gòu)固定后，拾振器的運(yùn)動(dòng)部分構(gòu)成速度擺，拾振器則構(gòu)成加速度計(jì)。通過接通不同的微型撥動(dòng)開關(guān)，儀器可輸出速度或加速度參量。經(jīng)過與數(shù)據(jù)采集儀的配接，即可在終端設(shè)備上實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的離線采錄。

測(cè)點(diǎn)布置的主要原則是：底層布置加速度傳感器，且測(cè)量的鉛垂向加速度依據(jù)《軌交標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求評(píng)價(jià)振動(dòng)水平；其它樓層布置速度傳感器，并依據(jù)《古建筑規(guī)范》評(píng)價(jià)振動(dòng)水平。測(cè)點(diǎn)的布置詳見表 1 和圖1。

表1 測(cè)點(diǎn)布置說明

圖1 各層測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 地鐵振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

部分文獻(xiàn)曾對(duì)列車行駛軌跡與相鄰古建筑振動(dòng)特性展開測(cè)試研究。他們認(rèn)為，列車振動(dòng)引起古建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)隨水平距離和豎向距離的改變呈有規(guī)律的變化，其中，在地下結(jié)構(gòu)部分以豎直方向響應(yīng)為主，超過一定高度后，地上結(jié)構(gòu)振動(dòng)以水平方向響應(yīng)為主，且地上結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)高于地下結(jié)構(gòu)[2]。亦有文獻(xiàn)對(duì)地鐵隧道穿過建筑物正下方及隧道位于建筑物一側(cè)時(shí)的傳遞損失特性進(jìn)行了研究：當(dāng)?shù)罔F隧道穿過建筑物正下方時(shí)，傳遞損失最小；當(dāng)隧道穿過建筑物旁側(cè)時(shí)，則傳遞損失較大；且隨著隧道與建筑物間的水平距離增加，傳遞損失顯著增大?？梢姡黾铀淼琅c建筑物之間的水平距離，能夠有效地減小建筑物振動(dòng)[11]。這些均表明：地鐵的行駛路線與建筑物的水平距離會(huì)對(duì)地鐵振動(dòng)造成有規(guī)律的影響。

本項(xiàng)目中，地鐵最近處從建筑北側(cè)30 m 斜向而過，且相鄰地鐵的載客運(yùn)營(yíng)時(shí)段為 6:30—22:00。為專門分析地鐵運(yùn)營(yíng)的影響，應(yīng)盡量減少周邊工地振動(dòng)及地面交通振動(dòng)對(duì)地鐵振動(dòng)分析結(jié)果的干擾，故抽取19:00 以后周邊工地停工、道路地面交通減少時(shí)段的速度、加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)典型振動(dòng)時(shí)程曲線（圖2），對(duì)振動(dòng)時(shí)程曲線進(jìn)行頻譜變換，可得出功率譜密度曲線（圖3）。可以看出，地鐵從建筑北側(cè)經(jīng)過時(shí)，底層加速度測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)先逐漸變大，后又逐漸變小，時(shí)程曲線外包絡(luò)線呈梭形，反映了地鐵靠近建筑后又遠(yuǎn)離建筑的過程；通過頻譜變換，可知底層加速度測(cè)點(diǎn)的鉛垂向主要響應(yīng)頻率為10.5～12.5 Hz。

圖2 底層3 個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線

圖3 底層3 個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度功率譜密度曲線

3.1.1 按《古建筑規(guī)范》評(píng)價(jià)振動(dòng)影響

表2 列舉了地鐵從房屋北側(cè)經(jīng)過時(shí)，各層樓板典型時(shí)段的最大響應(yīng)速度。可以看出，地鐵經(jīng)過時(shí)的各層樓板水平方向最大響應(yīng)速度介于0.011～0.026 mm/s 之間，小于《古建筑規(guī)范》中的容許值0.15 mm/s，均滿足規(guī)范要求。

表2 地鐵影響下各層樓板最大響應(yīng)速度

3.1.2 按《軌交標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)價(jià)振動(dòng)影響

根據(jù)《軌交標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)截取的5輛列車經(jīng)過時(shí)底層測(cè)點(diǎn) P1～P3的最大分頻振級(jí)進(jìn)行計(jì)算（表3），其中，各車次經(jīng)過測(cè)點(diǎn)的時(shí)間為7～10 s。由表3 可知，地鐵引起室內(nèi)振動(dòng)的最大分頻振級(jí)為51.7 dB，滿足標(biāo)準(zhǔn)晝間振動(dòng)限值（65 dB）的要求（地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間為6:30—22:00，屬于晝間時(shí)段，故只分析晝間振動(dòng)情況）。

表3 地鐵影響下底層測(cè)點(diǎn)最大分頻振級(jí)

3.2 裝修施工影響

監(jiān)測(cè)期間，房屋三、四層處于裝修施工階段，振動(dòng)干擾較大；特別是在進(jìn)行敲鑿粉刷作業(yè)時(shí)，振動(dòng)最為明顯。其典型測(cè)點(diǎn)的速度時(shí)程曲線見圖4，功率譜曲線見圖5，且內(nèi)部裝修施工荷載作用下各層測(cè)點(diǎn)5 次振動(dòng)測(cè)試的最大響應(yīng)速度測(cè)試結(jié)果見表4。由此可知，距離裝修施工最近的三、四層樓板振動(dòng)峰值最大，超過《古建筑規(guī)范》中0.15 mm/s 容許值的測(cè)點(diǎn)較多；距離裝修施工較遠(yuǎn)的二層樓板和屋面樓板振動(dòng)較小，超過《古建筑規(guī)范》容許值的測(cè)點(diǎn)較少。因此，裝修施工振動(dòng)主要影響的是局部臨近裝修施工的樓層。

圖4 裝修施工影響下三層測(cè)點(diǎn)速度時(shí)程曲線

圖5 裝修施工影響下三層測(cè)點(diǎn)速度功率譜曲線

表4 裝修施工影響下各層樓板最大響應(yīng)速度

3.3 工程建設(shè)偶然沖擊荷載振動(dòng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

監(jiān)測(cè)期間，曾采集到2 次明顯沖擊荷載振動(dòng)，每次持續(xù)時(shí)間約5 s，其典型時(shí)程曲線見圖6，頻譜變換后的頻譜曲線見圖7。從圖6 的時(shí)程曲線可以看出，沖擊荷載振動(dòng)快速達(dá)到峰值，然后又快速衰減。兩次沖擊對(duì)應(yīng)的最大響應(yīng)速度測(cè)試結(jié)果如表5 所示?？梢钥闯觯航ㄖ菝鎸?xùn)|西方向和南北方向的最大響應(yīng)速度分別為0.221 mm/s 和0.205 mm/s，四層?xùn)|西方向和南北方向的最大響應(yīng)速度分別 為0.181 mm/s 和0.167 mm/s，均超過0.15 mm/s 的容許值；二、三層則未超過0.15 mm/s。根據(jù)振動(dòng)響應(yīng)曲線，結(jié)合周邊工程建設(shè)情況，可以推測(cè)，這種短時(shí)的振動(dòng)可能是由周邊建設(shè)過程中存在較大沖擊能量的大型機(jī)械施工振動(dòng)引起。此外，受樓層高度影響，房屋在同一沖擊荷載下，較低樓層加速度與上部樓層加速度差別較大，施工時(shí)，應(yīng)對(duì)不同樓層加速度開展專項(xiàng)監(jiān)測(cè)。

表5 偶然沖擊振動(dòng)影響下樓板最大響應(yīng)速度

圖6 偶然沖擊荷載影響下三層測(cè)點(diǎn)速度時(shí)程曲線

圖7 偶然沖擊荷載影響下三層測(cè)點(diǎn)速度功率譜曲線

3.4 不同影響源的振動(dòng)影響比較分析

本文研究的振動(dòng)源主要為相鄰地鐵運(yùn)營(yíng)振動(dòng)、裝修施工振動(dòng)及周邊工程建設(shè)引起的沖擊荷載振動(dòng)。

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員的振感分析：沖擊荷載振動(dòng)最為明顯；裝修施工振動(dòng)也較明顯，尤其是鑿除粉刷層的施工，但能感受到的范圍有限；地鐵振動(dòng)基本不太明顯。

（2）根據(jù)作用時(shí)間：地鐵振動(dòng)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)；裝修振動(dòng)次之；沖擊荷載振動(dòng)作用時(shí)間最短，每次僅持續(xù)數(shù)秒，且監(jiān)測(cè)的 6 d 內(nèi)僅發(fā)現(xiàn)2次。

（3）根據(jù)典型振動(dòng)時(shí)程曲線：地鐵振動(dòng)由于和列車運(yùn)行有關(guān)，時(shí)程曲線外包絡(luò)線呈梭形，近似呈周期性影響；沖擊荷載振動(dòng)的時(shí)程曲線快速到達(dá)峰值，然后快速衰減；裝修振動(dòng)，基本維持在較低水平，偶爾有一個(gè)較大的峰值。

（4）根據(jù)振動(dòng)頻率：地鐵振動(dòng)因其影響源較為單一，影響的主頻比較明顯，集中為10.5～12.5 Hz；裝修振動(dòng)頻率較多，有低頻有高頻，主要集中于65.0～73.5 Hz，這與裝修影響源頻率多樣化有關(guān)；沖擊荷載頻率較低，主要為3.5～6.0 Hz。

本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)過程中，沖擊荷載振動(dòng)和裝修振動(dòng)均超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)房屋的影響較為明顯；但從房屋的長(zhǎng)期振動(dòng)角度來考慮，振動(dòng)的潛在影響還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語

本文針對(duì)某文物建筑不同振動(dòng)源引起的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，分析地鐵振動(dòng)、裝修施工振動(dòng)、相鄰工程建設(shè)施工偶然沖擊荷載振動(dòng)的時(shí)程曲線特點(diǎn)、頻譜特征及幅值大小，并按照相應(yīng)規(guī)范評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)建筑的影響，為判斷振動(dòng)源并制訂針對(duì)性的監(jiān)測(cè)方案提供研究基礎(chǔ)，繼而為今后文物建筑或類似建筑的保護(hù)監(jiān)測(cè)提供參考。需注意的是，振動(dòng)對(duì)文物建筑的長(zhǎng)期影響，尚需將振動(dòng)監(jiān)測(cè)與房屋結(jié)構(gòu)損傷調(diào)查、分析結(jié)合起來，開展更為長(zhǎng)期深入的研究，才能更好地為文物建筑及類似建筑的保護(hù)提供科學(xué)有效的方法。