建筑振動(dòng)及其測(cè)試評(píng)價(jià)方法研究

魏曉斌，郭建祥，孫正華

（江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，江蘇 南京 210033）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全、居住舒適度及工作環(huán)境的影響受到越來越多的關(guān)注［1］。建筑振動(dòng)是建筑在激振源的影響下產(chǎn)生了往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，這種激振源一方面來自于建筑內(nèi)部，主要體現(xiàn)在設(shè)備振動(dòng)激勵(lì)引起建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)［2］；另一方面體現(xiàn)在建筑外部，施工、交通等振源通過土層等介質(zhì)把振動(dòng)能量傳遞給建筑結(jié)構(gòu)［3］。建筑物受振動(dòng)的影響程度，直觀表現(xiàn)為裝飾物開裂脫落［4］。振動(dòng)是一個(gè)能量轉(zhuǎn)變過程，強(qiáng)烈的振動(dòng)有可能會(huì)瞬間形成一個(gè)大范圍的動(dòng)應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)螺栓等產(chǎn)生瞬間動(dòng)力，造成結(jié)構(gòu)疲勞和破壞，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)直接造成結(jié)構(gòu)的失衡和基礎(chǔ)的沉降，使基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)等部位構(gòu)件受牽拉作用而最終導(dǎo)致斷裂破壞。此外，過于頻繁的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，也會(huì)對(duì)室內(nèi)環(huán)境中的人體舒適度產(chǎn)生影響［5］。

振動(dòng)對(duì)建筑的危害程度與很多因素有關(guān)，例如，振源的基本特性、激振源與建筑之間的傳播距離、振源與建筑之間的傳輸介質(zhì)、建筑物對(duì)振動(dòng)的抵抗能力以及建筑物的振動(dòng)響應(yīng)特性等。因此，研究振動(dòng)對(duì)建筑物的危害及建筑物內(nèi)人員的舒適度的影響，除了要研究振源的特性外，對(duì)結(jié)構(gòu)、設(shè)備、系統(tǒng)等進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試也是必不可少的手段。振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度能反映建筑物振動(dòng)時(shí)能量值大小，與建筑物的破壞有著直接的關(guān)聯(lián)。因此，在振動(dòng)測(cè)試中，常用振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度評(píng)價(jià)建筑物的振動(dòng)響應(yīng)程度［6］。

本文結(jié)合以往學(xué)者對(duì)振動(dòng)測(cè)試的研究，總結(jié)了振動(dòng)的產(chǎn)生及傳播模式，分析了不同規(guī)范中的振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，為今后類似的工程振動(dòng)檢測(cè)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 振動(dòng)分類及其傳播特性

目前的研究表明，振源可概括為：工業(yè)振源、工程振源、道路交通振源及自然振源等。

1.1 工業(yè)振源

工業(yè)振源主要指的是工廠內(nèi)的一些生產(chǎn)運(yùn)作，例如機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)、傳動(dòng)軸、管道振動(dòng)等［7，8］。在工業(yè)生產(chǎn)中，撞擊作業(yè)的機(jī)械稱為瞬態(tài)振源，由于器械本身的自重大這一特點(diǎn)，其產(chǎn)生的振動(dòng)能量也很大，例如在建筑中進(jìn)行的鍛錘和沖壓等生產(chǎn)，通常布置于一層地面，當(dāng)布置于樓面時(shí)，其振動(dòng)波在房屋內(nèi)沿著房屋結(jié)構(gòu)傳播，長期以往，對(duì)建筑的安全影響較大，現(xiàn)已成為危害建筑安全最突出的振源之一。若機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生有規(guī)律、周期性、反復(fù)作用的振動(dòng)，則稱為穩(wěn)態(tài)振源，通常有冷凍機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和空壓機(jī)等，這類振源當(dāng)布置于樓面時(shí)，其產(chǎn)生的振動(dòng)相對(duì)較小，但是對(duì)人體舒適度的影響較為明顯，需設(shè)置專用的基座。工業(yè)廠房中的吊車等設(shè)備屬于隨機(jī)性振源，通常支承在柱或梁上，其對(duì)吊車梁的影響要大于支撐柱。

1.2 工程振源

工程振源主要指的是施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械作業(yè)產(chǎn)生的振源，包括：打樁機(jī)、強(qiáng)夯機(jī)、水泥攪拌機(jī)、輾軋?jiān)O(shè)備、爆破以及各種大型運(yùn)輸機(jī)等［9］。在工程作業(yè)中，其振動(dòng)主要來自于地下工程施工作業(yè)、樁基施工以及拆除作業(yè)等。在城市地下工程施工中，爆破作業(yè)主要用于破除堅(jiān)硬的巖石層，其特點(diǎn)是產(chǎn)生的幅值高、振動(dòng)衰減快，通常爆破振動(dòng)頻率在 15～100 Hz，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間在 1 s 之內(nèi)。打樁、強(qiáng)夯等地基基礎(chǔ)施工以及建筑拆除施工，其產(chǎn)生的振動(dòng)主要通過地面?zhèn)鞑ィ瑢?duì)周邊建筑物的影響隨距離的增大而減小，通常其主要對(duì)精密儀器運(yùn)行和人體舒適度會(huì)產(chǎn)生一定的影響，以及對(duì)陳舊的磚混結(jié)構(gòu)房屋可能產(chǎn)生損壞［10］。

1.3 交通振源

交通振源可分為公路振源和鐵路振源，公路振源主要是車輪和路面的摩擦產(chǎn)生振動(dòng)，而鐵路振源主要指的是鐵軌與軌道連接處的撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)。軌道和道路交通振源主要來自于列車對(duì)軌道的沖擊作用和車輛與路面的相互作用，兩者之間的原理相似，主要是對(duì)精密儀器、人體舒適度和建筑物本身產(chǎn)生影響。這種振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)波，通過周邊土層傳播，進(jìn)而誘發(fā)附近地下空間結(jié)構(gòu)二次振動(dòng)。

1.4 自然振源

自然界中的一些現(xiàn)象引起建筑振動(dòng)稱之為自然振源［11］，包括地震、風(fēng)荷載、海嘯等。地震作用危害性巨大，現(xiàn)有規(guī)范已對(duì)地震作用做出了響應(yīng)的抗振處理。風(fēng)荷載屬于一種隨機(jī)振源，對(duì)于一般建筑特別是高層建筑引起振動(dòng)較為明顯。其他振動(dòng)，如洪水、海嘯等，類似于地震，這類振源對(duì)建筑是毀滅性的。

2 既有建筑動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試方法

目前，對(duì)于建筑振動(dòng)的研究已有很多理論方面的成果，然而，振動(dòng)問題僅僅依靠理論分析不能滿足工程應(yīng)用的需要，且與實(shí)際情況有所偏差，因此，需要在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行建筑現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)。振動(dòng)檢測(cè)方法是目前最常用的評(píng)估振動(dòng)對(duì)建筑物影響程度的手段。結(jié)構(gòu)振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)已有成套的軟件及設(shè)備。常見的振動(dòng)檢測(cè)可分為三類基本問題：①對(duì)振動(dòng)源的動(dòng)力特性的檢測(cè)；②對(duì)建筑物的動(dòng)力特性的檢測(cè)；③在振動(dòng)源的影響下，對(duì)建筑的動(dòng)力響應(yīng)的檢測(cè)。振動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別可以用頻域、時(shí)域識(shí)別法，通過對(duì)參數(shù)的分析，可以對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估。

2.1 測(cè)試基本要求

目前對(duì)于振動(dòng)的測(cè)定，并沒有統(tǒng)一規(guī)定，GB 50858－2013《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》［6］中規(guī)定：“當(dāng)測(cè)試振動(dòng)信號(hào)頻率范圍不大于10Hz時(shí)，宜選用位移型或速度型傳感器；對(duì)于寬屏帶沖擊機(jī)器，宜選用位移型和速度型傳感器同時(shí)進(jìn)行測(cè)試；振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)設(shè)在振動(dòng)控制點(diǎn)上，振動(dòng)傳感器的測(cè)試方向應(yīng)與測(cè)試對(duì)象所需測(cè)試的振動(dòng)方向一致，測(cè)試過程中不得產(chǎn)生傾斜和附加振動(dòng)，振動(dòng)控制點(diǎn)應(yīng)取基礎(chǔ)或支撐結(jié)構(gòu)頂面振動(dòng)最大點(diǎn)，宜在水平和豎向布置振動(dòng)傳感器”。以建筑施工為例，其打樁、振沖等基礎(chǔ)施工對(duì)周邊建筑的影響則用建筑基礎(chǔ)和頂層的速度峰值來評(píng)價(jià)，因此只需在建筑基礎(chǔ)和頂層布置水平向和豎直向測(cè)點(diǎn)。GBT 50355－2018《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》［12］中規(guī)定：“測(cè)點(diǎn)布置于住宅建筑室內(nèi)地面中央或室內(nèi)地面振動(dòng)敏感處，拾振器的靈敏度主軸方向應(yīng)與地面（或樓層地面）的鉛錘方向一致”。GB/T 14124－2009《機(jī)械振動(dòng)與沖擊 建筑物的振動(dòng) 振動(dòng)測(cè)量及其對(duì)建筑物影響的評(píng)價(jià)指南》［13］介紹：“對(duì)于強(qiáng)迫振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，較好的位置為建筑物的基礎(chǔ)上，當(dāng)無法在基礎(chǔ)上測(cè)量時(shí)，典型測(cè)點(diǎn)可以設(shè)置在基礎(chǔ)底板主要承重外墻的底部。對(duì)于高度大于 4 層的建筑物，每隔四層和在頂層設(shè)置測(cè)點(diǎn)，對(duì)長度大于 10 m 的建筑物，應(yīng)沿水平方向每隔 10 m 設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)”。JGJ/T 170－2009《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)》［14］則規(guī)定：“測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)布置于一樓室內(nèi)敏感點(diǎn)或敏感區(qū)域，且至少應(yīng)布置 3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)布置于建筑物的基礎(chǔ)距外墻 0.5 m 范圍內(nèi)的振動(dòng)敏感處時(shí)，應(yīng)在靠近軌道一側(cè)的基礎(chǔ)上至少布設(shè) 1 個(gè)測(cè)點(diǎn)”。

綜上可以看出，對(duì)于外部地面振源，建筑物動(dòng)力響應(yīng)測(cè)點(diǎn)宜布置在建筑基礎(chǔ)和樓頂，根據(jù)實(shí)際需要，其余樓層可逐層或隔層布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)數(shù)量也可根據(jù)實(shí)際情況，布置位置則是以振動(dòng)敏感處和結(jié)構(gòu)薄弱處為主，在滿足規(guī)范最低要求的同時(shí)，可以適當(dāng)增加測(cè)點(diǎn)。

2.2 振動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

振動(dòng)評(píng)價(jià)主要是通過分析振動(dòng)速度及加速度時(shí)域信號(hào)，獲得測(cè)量時(shí)域范圍內(nèi)的振動(dòng)速度峰值和振動(dòng)加速度峰值。GB 50858－2013《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于精密儀器及設(shè)備、動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)、人體舒適度、交通振動(dòng)、建筑施工振動(dòng)、聲學(xué)環(huán)境振動(dòng)容許速度峰值已有相關(guān)規(guī)定。設(shè)備類的振動(dòng)容許值主要是根據(jù)時(shí)域、頻域范圍內(nèi)的設(shè)備振動(dòng)速度獲得。人體舒適度評(píng)價(jià)將辦公區(qū)和生產(chǎn)操作區(qū)進(jìn)行了區(qū)分，其評(píng)價(jià)指標(biāo)為振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度級(jí)。交通振動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響則是對(duì)基礎(chǔ)（豎向、水平）和屋頂（水平）處的振動(dòng)速度峰值及其對(duì)應(yīng)的頻率進(jìn)行評(píng)價(jià)，其頻率范圍為 1～100 Hz。不同于交通振動(dòng)，建筑施工振動(dòng)是通過測(cè)量基礎(chǔ)和屋頂水平和豎向速度峰值及其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率，以獲得其在時(shí)域范圍內(nèi)的容許振動(dòng)值。GB 50858－2013《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于聲學(xué)環(huán)境振動(dòng)是以噪聲排放限制及在頻域范圍內(nèi)的容許振動(dòng)加速度均方根值來評(píng)價(jià)，不同的是，《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于環(huán)境振動(dòng)指的是住宅建筑物外部各種振源對(duì)住宅建筑物的容許振動(dòng)限制，在環(huán)境振動(dòng)測(cè)量中，一般選用振動(dòng)加速度級(jí)和振動(dòng)級(jí)作為振動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，表征振動(dòng)對(duì)人體響應(yīng)的主要采用加速度級(jí) La 來表示振動(dòng)加速度的大小，由于居民日常生活主要是在住宅建筑室內(nèi)地面或樓面上，其主要受鉛垂向振動(dòng)影響較大，因此振動(dòng)測(cè)量通常以鉛垂向 Z 振級(jí)為主。JGJ/T 441－2019《建筑樓蓋振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［15］中介紹了兩種舒適度評(píng)價(jià)方法，一種對(duì)應(yīng)工況為有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)為主的樓蓋建筑，則采用有效最大加速度進(jìn)行評(píng)價(jià)，另外一種則是對(duì)于其他樓蓋結(jié)構(gòu)、連廊和室內(nèi)天橋，則采用峰值加速度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

因此，在對(duì)建筑振動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)需要清楚振源的產(chǎn)生因素以及評(píng)價(jià)的目的，利用不同規(guī)范進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，其需要獲得的振動(dòng)響應(yīng)位置也有所區(qū)分。

3 既有建筑動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試方法

某辦公樓結(jié)構(gòu)型式為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)標(biāo)高83.25 m，地上 17 層，地下 3 層。樓頂中間為空調(diào)循環(huán)水泵，樓頂東南角為熱泵機(jī)組，即空調(diào)循環(huán)水泵 4 臺(tái)和熱泵機(jī)組 6 組，如圖1～圖3 所示。

圖1 屋面層動(dòng)力機(jī)器位置及編號(hào)示意圖（單位：mm）

圖2 空調(diào)循環(huán)水泵外觀照片

圖3 熱泵機(jī)組外觀照片

空調(diào)循環(huán)水泵每組自重 573 kg，功率為 43 kW；熱泵機(jī)組每組 5 臺(tái)，每臺(tái)自重 885 kg，每臺(tái)功率 43.3 kW。上人屋面活荷載設(shè)計(jì)值 2 kN/m2。

按照振動(dòng)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)布設(shè)方法，考慮到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特點(diǎn)及傳振形式，在 17 層樓面布置了 6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試鉛垂向振動(dòng)加速度，測(cè)點(diǎn)位置位于樓板形心，數(shù)據(jù)采集采用振動(dòng)信號(hào)測(cè)試分析系 DH5927N 和941B拾振器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示，測(cè)試實(shí)景照片如圖5 所示。

圖4 17 層振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：mm）

圖5 測(cè)點(diǎn) ZD17-6 實(shí)景照片

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分為 2 個(gè)工況：工況 1，在屋面層空調(diào)循環(huán)水泵和熱泵停止運(yùn)行時(shí)，測(cè)試環(huán)境振動(dòng)下室內(nèi)振動(dòng)情況；工況 2，測(cè)試空調(diào)循環(huán)水泵和熱泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)室內(nèi)振動(dòng)情況，即打開 2#、3# 空調(diào)循環(huán)水泵和 1#、3#、6# 熱泵，在空調(diào)循環(huán)水泵和熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始采集數(shù)據(jù)?？照{(diào)循環(huán)水泵和熱泵的位置如圖1 所示。

工況 1 時(shí)，空調(diào)循環(huán)水泵和熱泵沒有啟動(dòng)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度較小，如表1 所示。各測(cè)點(diǎn)的時(shí)域圖譜如圖6 所示。

表1 17 層測(cè)點(diǎn)工況 1 下振動(dòng)加速度匯總表

圖6 17 層測(cè)點(diǎn)工況 1 下振動(dòng)時(shí)程曲線

工況 2 時(shí)，開啟空調(diào)循環(huán)水泵和熱泵進(jìn)行測(cè)試，保持 2#、3# 空調(diào)循環(huán)水泵和 1#、3#、6# 熱泵同時(shí)運(yùn)行。在測(cè)試工況下 ZD17-3 測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度最大，最大加速度峰值為 0.130m/s2，方向?yàn)殂U垂向，具體檢測(cè)結(jié)果如表2 所示。各測(cè)點(diǎn)的時(shí)域圖譜如圖7 所示。

表2 17 層測(cè)點(diǎn)工況 2 下振動(dòng)加速度匯總表

圖7 17 層測(cè)點(diǎn)工況 2 下振動(dòng)時(shí)程曲線

測(cè)試結(jié)果表明，利用振動(dòng)測(cè)試技術(shù)可以及時(shí)對(duì)建筑物內(nèi)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，其測(cè)點(diǎn)選擇綜合考慮了結(jié)構(gòu)形式和振動(dòng)傳遞模式，所模擬的測(cè)試工況能夠真實(shí)反映未來運(yùn)行時(shí)的實(shí)際情況，對(duì)后續(xù)減振降噪具有很好的指導(dǎo)意義。此次測(cè)試僅對(duì)舒適度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，恰當(dāng)?shù)倪x點(diǎn)和增加測(cè)點(diǎn)也可對(duì)建筑安全性進(jìn)行評(píng)估。

4 結(jié)語

1）振動(dòng)的影響主要分為對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響和對(duì)建筑內(nèi)人體舒適度的影響。建筑的振動(dòng)響應(yīng)可通過對(duì)建筑基礎(chǔ)、樓蓋的振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度等物理參數(shù)獲得。

2）振源可分為工業(yè)振源、工程振源、道路交通振源及自然振源等。工業(yè)振源和自然振源產(chǎn)生的振動(dòng)直接作用于建筑結(jié)構(gòu)上，工程振源和道路振源則是通過土體這一介質(zhì)進(jìn)行傳振，因此，工業(yè)振源和自然振源對(duì)建筑的危害要大于工程振源和道路交通振源。

3）本文總結(jié)了振動(dòng)常用的測(cè)量方法和評(píng)價(jià)手段，通過一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例驗(yàn)證了現(xiàn)有振動(dòng)測(cè)試方法的適用性：對(duì)于振源和檢測(cè)點(diǎn)不在同一層時(shí)，舒適度的檢測(cè)要考慮建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特點(diǎn)及傳振路徑，且要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況增設(shè)測(cè)點(diǎn)，最終檢測(cè)結(jié)果對(duì)后續(xù)減振降噪具有很好的指導(dǎo)意義。Q