小议交通诱发建筑结构振动的实测

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建筑结构及振源环境

实测建筑物为广州市某职业学院内一栋综合楼(见图1)，该楼为框架结构，地下一层，层高4.2米，地上四层，首层层高3.5米，二、三、四层层高均为3.3米。该综合楼所受环境振动影响不仅有地面道路交通诱发的振动，还包括高架路诱发的振动，是一个多振源的复杂振动环境。环城高速上车流量较大，重型车较多，车速约为70km/h；城市道路内以小型车和公交车为主，车速约为40km/h。

现场实测

1测试概况

。建筑结构内共布置5个测点，包括：建筑物一层3号测点、二层4号测点、三层5号测点、四层6号测点、楼顶7号测点，为消除建筑结构构件局部振动的影响，将建筑结构内的测点布置在走廊楼梯处靠近柱子的位置，柱子的竖向刚度大。为比较室外地面和建筑结构内的振动差异，在靠近建筑物室外的路旁布置了两个测点，即位于公路路边的1号测点和距路边5米处的2号测点。为对比城市道路系统诱发的建筑结构振动在竖向和水平向的不同，在每个测点分别布置竖向和水平两个方向的加速度传感器，竖向测点传感器编号分别为1、3、5、7、9、11、13；水平测点传感器编号分别为2、4、6、8、10、12、14。由于数据采集系统通道数的限制，通过调整水平向加速度拾振器的方向来分别测试结构顺桥水平向振动和垂桥水平向振动。试验仪器为丹麦B&K公司的PULSE振动及声学信号采集分析系统和B&K-8340型加速度拾振器。各仪器和传感器在测试前均进行了调试和标定。测试过程和方法参照国家标准《城市区域环境振动测量方法》[13]进行。测试从下午4时开始，于晚间10时结束，共测试了10组数据，每次采集时间为3~5min，其中前三组数据和最后两组数据的实测内容为竖向、水平垂桥向振动，第四组到第八组实测内容为竖向、水平顺桥向振动，第六次测试数据由于设备故障而不予采用。所有试验数据均进行了滤波处理。

2测试结果分析

没有呈现车辆诱发地面振动时的周期性峰值现象[8]，这是由于该综合楼所受环境振动影响不仅仅是地面道路交通诱发的振动，还包括高架路诱发的振动，是一个多振源的复杂振动环境。为说明环境振动在地面和建筑结构内的频谱分布状况，图3选取2号(地面)、3号(建筑结构首层)、5号(建筑结构中间层)、7号测点(建筑结构顶层)，分别给出了竖向、垂桥水平向、顺桥水平向加速度功率谱，目的是得出振动加速度信号的能量分布和频率成分，以了解引起振动的原因及其与能量输入的相互关系。由于GB10070-88《城市区域环境振动标准》[13]和GB/T50355-2005《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》[14]在评价环境振动时，其考虑的频率范围为1~80Hz，因此本节在进行功率谱分析时，考虑的频率范围为1～90Hz。图3表明：地面上和建筑物内竖向、垂桥水平向、顺桥水平向加速度的频率范围均在30Hz以下；当振动传入建筑物内后时，竖向高频成分放大明显，产生这种现象的原因是结构的竖向振型位于高频区。以往研究成果表明，地铁[7]引起的地面竖向振动频率范围主要以60～80Hz的振动最为显著；对于城轨交通[15]地面线路诱发的环境振动，当距离振源较近时，地面振动加速度频率范围为50～60Hz，较远时主要频率范围为25～30Hz；对于普通列车[8]诱发的地面振动，在振源附近100Hz左右的频率贡献最大，远距离处频谱主要由20～50Hz的频率控制；最新的针对高铁[6]的研究成果表明，当距轨道中心线水平距离60m以内时，地面振动的主频主要集中在40Hz左右，当距离振源更远时，地面振动的低频成分上升。本文实测得到的城市道路系统诱发的地面振动，不论是竖向还是垂桥水平向和顺桥水平向，虽然距离振源较近，但其频率范围都在30Hz以内。以上分析表明，各种交通振源诱发环境振动频率的范围不同，特别是振源附近的振动，但随着与振源距离的增加，卓越频率减小。因此，文献[14]采用分频限值方式作为评价标准，这与输入结构振动波的特性和结构本身的特性有很大关系，因此，在进行环境振动敏感建筑物设计时，应综合考虑建筑物所在地环境振动的特点和结构的动力特性，以满足评价标准的要求。通过将各次实测得到的加速度峰值和加速度振级进行平均计算，(其中加速度振级根据GB10070-88《城市区域环境振动标准》计算得到)得出了竖向、垂桥水平向、顺桥水平向加速度峰值和振级对比(见图4、图5)。由图可见，不论是加速度峰值还是加速度振级，垂直向均大于水平向，说明交通振源系统诱发环境振动的加速度峰值主要以竖向振动为主；且竖向加速度峰值和振级均随楼层的增加而单调增加，水平向不随楼层的增加而单调增加。图4中建筑物内竖向最大加速度峰值为0.026m/s2，水平向为0.013m/s2。图5中建筑物内竖向最大加速度振级为66.2dB，水平向为66.1dB，两个方向的最大加速度振级相当。由此可见，在建筑结构内，虽然垂直加速度峰值明显大于水平加速度峰值，但是竖向与水平向加速度振级相差较小，特别是在建筑结构顶层，说明对一些振动敏感的建筑物结构内只考虑竖向环境振动是不够的。

数值模拟分析

本文研究的建筑结构修建时间相对比较久远，没有找到相关的图纸数据，精度有限，综合楼有限元模型见图6。该模型采用Rayleigh阻尼，阻尼比选取为0.05。在输入振动波的选取上，除包括实测综合楼的室外和地下室共三条振动波外，为与环境振动进行相关的对比分析，还选择了一条地震波(ElCentro波)作为输入波。为了能使环境振动波和地震波功率谱在同一张图上清晰地表现出来，本文在进行功率谱分析时，对所有水平输入波或竖向输入波进行处理，使其最大加速度峰值均与水平向或竖向环境振动波3相同。图7给出了水平向环境振动波、地震波的功率谱。由图可见：水平向环境振动波和地震波的主要频率范围存在明显差异，ElCentro波的主要频率范围为0~5Hz，环境振动波的主要频率范围为5~20Hz；即使是环境振动波，相互之间频率范围也不同，其中环境振动波1的主要频率范围为10~15Hz，环境振动波2为5~10Hz，环境振动波3为15~20Hz。图8给出了竖向环境振动波、地震波的功率谱。由图可见，竖向地震波的频率范围分布比较宽，与环境振动较为接近，环境振动波竖向频率范围主要为5~20Hz，虽然各环境振动波之间的频率范围有所不同，但没有水平振动明显。为验证模型的正确性，表1给出了环境振动波3加速度峰值实测与计算结果的对比，由表可见：不论是竖向振动还是水平振动，实测结果和计算结果两者在变化趋势还是比较一致，即竖向振动随着楼层的增加基本呈现增加趋势，水平向振动则没有这种趋势，这与实测分析得到的结论一致。图9、图10分别给出了垂直向、水平向加速度功率谱的实测和计算结果对比，对比分析表明实测和计算结果在变化趋势上比较一致，对于垂直向加速度，随着楼层的增加，其功率谱频率分布范围基本没有变化，即整个结构在做整体的竖向振动，与实测分析结论一致。由表1、图9、图10可见实测结果与分析结果在数值上差别较大，特别是水平向，产生这种状况的原因有多种：首先由于没有结构图纸，且忽略了许多构件的影响，所以误差与实际房屋结构相差比较大；再者实测时受影响的因素比较多，包括人为因素、设备因素等。虽然实测与计算结果存在较大的误差，但总体上来说，分析结果还是能够反映结构受环境振动影响的分布特点，可用于对结构受环境振动影响的定性分析。图11给出了实测建筑结构输入不同振动波时的分析结果，水平ElCentro波的分析结果已缩小到原计算结果的1/10。图示分析表明，垂直向加速度随着楼层的增加而增加，水平向加速度则不存在这一规律。

结论

通过上述分析，可得如下主要结论。1)时域内的加速度峰值分析表明不论地面振动还是建筑物内的振动，竖向加速度明显要大于水平向加速度。但是，竖向和水平向的加速度振级最大值相当，说明对于一些环境振动敏感的特殊结构，建筑结构内只考虑竖向环境振动是不够的。2)通过建立实测建筑结构的有限元模型，对比实测和计算结果，表明计算结果能够反映环境振动在结构楼层间的传播规律，可用于对结构受环境振动影响的定性分析和敏感性分析。3)实测和数值分析结果表明：不论是加速峰值还是加速度振级，竖向幅值均随楼层的增加而单调增加，但水平向幅值并不会随着楼层的增加而单调增加。综合已有研究成果和本文实测分析结果，表明各种交通振源诱发环境振动的频率范围不同。文献[14]采用分频限值方式作为评价标准，与输入结构振动波的特性和结构自身固有动力特性有很大关系，因此，在进行环境振动敏感建筑物设计时，应综合考虑建筑物所在地环境振动的特点和结构的动力特性，以满足分频限值评价标准的要求。

作者：叶茂任珉谭平周福霖单位：广州大学-淡江大学工程结构灾害与控制联合研究中心广州大学工程抗震研究中心