小議交通誘發(fā)建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)的實(shí)測(cè)論文
建筑結(jié)構(gòu)及振源環(huán)境
實(shí)測(cè)建筑物為廣州市某職業(yè)學(xué)院內(nèi)一棟綜合樓(見(jiàn)圖1)，該樓為框架結(jié)構(gòu)，地下一層，層高4.2米，地上四層，首層層高3.5米，二、三、四層層高均為3.3米。該綜合樓所受環(huán)境振動(dòng)影響不僅有地面道路交通誘發(fā)的振動(dòng)，還包括高架路誘發(fā)的振動(dòng)，是一個(gè)多振源的復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境。環(huán)城高速上車流量較大，重型車較多，車速約為70km/h；城市道路內(nèi)以小型車和公交車為主，車速約為40km/h。
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)
1測(cè)試概況
。建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，包括：建筑物一層3號(hào)測(cè)點(diǎn)、二層4號(hào)測(cè)點(diǎn)、三層5號(hào)測(cè)點(diǎn)、四層6號(hào)測(cè)點(diǎn)、樓頂7號(hào)測(cè)點(diǎn)，為消除建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部振動(dòng)的影響，將建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的測(cè)點(diǎn)布置在走廊樓梯處靠近柱子的位置，柱子的豎向剛度大。為比較室外地面和建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的振動(dòng)差異，在靠近建筑物室外的路旁布置了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，即位于公路路邊的1號(hào)測(cè)點(diǎn)和距路邊5米處的2號(hào)測(cè)點(diǎn)。為對(duì)比城市道路系統(tǒng)誘發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)在豎向和水平向的不同，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置豎向和水平兩個(gè)方向的加速度傳感器，豎向測(cè)點(diǎn)傳感器編號(hào)分別為1、3、5、7、9、11、13；水平測(cè)點(diǎn)傳感器編號(hào)分別為2、4、6、8、10、12、14。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道數(shù)的限制，通過(guò)調(diào)整水平向加速度拾振器的方向來(lái)分別測(cè)試結(jié)構(gòu)順橋水平向振動(dòng)和垂橋水平向振動(dòng)。試驗(yàn)儀器為丹麥B&K公司的PULSE振動(dòng)及聲學(xué)信號(hào)采集分析系統(tǒng)和B&K-8340型加速度拾振器。各儀器和傳感器在測(cè)試前均進(jìn)行了調(diào)試和標(biāo)定。測(cè)試過(guò)程和方法參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》[13]進(jìn)行。測(cè)試從下午4時(shí)開(kāi)始，于晚間10時(shí)結(jié)束，共測(cè)試了10組數(shù)據(jù)，每次采集時(shí)間為3~5min，其中前三組數(shù)據(jù)和最后兩組數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)內(nèi)容為豎向、水平垂橋向振動(dòng)，第四組到第八組實(shí)測(cè)內(nèi)容為豎向、水平順橋向振動(dòng)，第六次測(cè)試數(shù)據(jù)由于設(shè)備故障而不予采用。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均進(jìn)行了濾波處理。
2測(cè)試結(jié)果分析
沒(méi)有呈現(xiàn)車輛誘發(fā)地面振動(dòng)時(shí)的周期性峰值現(xiàn)象[8]，這是由于該綜合樓所受環(huán)境振動(dòng)影響不僅僅是地面道路交通誘發(fā)的振動(dòng)，還包括高架路誘發(fā)的振動(dòng)，是一個(gè)多振源的復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境。為說(shuō)明環(huán)境振動(dòng)在地面和建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的頻譜分布狀況，圖3選取2號(hào)(地面)、3號(hào)(建筑結(jié)構(gòu)首層)、5號(hào)(建筑結(jié)構(gòu)中間層)、7號(hào)測(cè)點(diǎn)(建筑結(jié)構(gòu)頂層)，分別給出了豎向、垂橋水平向、順橋水平向加速度功率譜，目的是得出振動(dòng)加速度信號(hào)的能量分布和頻率成分，以了解引起振動(dòng)的原因及其與能量輸入的相互關(guān)系。由于GB10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》[13]和GB/T50355-2005《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]在評(píng)價(jià)環(huán)境振動(dòng)時(shí)，其考慮的頻率范圍為1~80Hz，因此本節(jié)在進(jìn)行功率譜分析時(shí)，考慮的頻率范圍為1～90Hz。圖3表明：地面上和建筑物內(nèi)豎向、垂橋水平向、順橋水平向加速度的頻率范圍均在30Hz以下；當(dāng)振動(dòng)傳入建筑物內(nèi)后時(shí)，豎向高頻成分放大明顯，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是結(jié)構(gòu)的豎向振型位于高頻區(qū)。以往研究成果表明，地鐵[7]引起的地面豎向振動(dòng)頻率范圍主要以60～80Hz的振動(dòng)最為顯著；對(duì)于城軌交通[15]地面線路誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)，當(dāng)距離振源較近時(shí)，地面振動(dòng)加速度頻率范圍為50～60Hz，較遠(yuǎn)時(shí)主要頻率范圍為25～30Hz；對(duì)于普通列車[8]誘發(fā)的地面振動(dòng)，在振源附近100Hz左右的頻率貢獻(xiàn)最大，遠(yuǎn)距離處頻譜主要由20～50Hz的頻率控制；最新的針對(duì)高鐵[6]的研究成果表明，當(dāng)距軌道中心線水平距離60m以內(nèi)時(shí)，地面振動(dòng)的主頻主要集中在40Hz左右，當(dāng)距離振源更遠(yuǎn)時(shí)，地面振動(dòng)的低頻成分上升。本文實(shí)測(cè)得到的城市道路系統(tǒng)誘發(fā)的地面振動(dòng)，不論是豎向還是垂橋水平向和順橋水平向，雖然距離振源較近，但其頻率范圍都在30Hz以內(nèi)。以上分析表明，各種交通振源誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)頻率的范圍不同，特別是振源附近的振動(dòng)，但隨著與振源距離的增加，卓越頻率減小。因此，文獻(xiàn)[14]采用分頻限值方式作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這與輸入結(jié)構(gòu)振動(dòng)波的特性和結(jié)構(gòu)本身的特性有很大關(guān)系，因此，在進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)敏感建筑物設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮建筑物所在地環(huán)境振動(dòng)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的.動(dòng)力特性，以滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過(guò)將各次實(shí)測(cè)得到的加速度峰值和加速度振級(jí)進(jìn)行平均計(jì)算，(其中加速度振級(jí)根據(jù)GB10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算得到)得出了豎向、垂橋水平向、順橋水平向加速度峰值和振級(jí)對(duì)比(見(jiàn)圖4、圖5)。由圖可見(jiàn)，不論是加速度峰值還是加速度振級(jí)，垂直向均大于水平向，說(shuō)明交通振源系統(tǒng)誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)的加速度峰值主要以豎向振動(dòng)為主；且豎向加速度峰值和振級(jí)均隨樓層的增加而單調(diào)增加，水平向不隨樓層的增加而單調(diào)增加。圖4中建筑物內(nèi)豎向最大加速度峰值為0.026m/s2，水平向?yàn)?.013m/s2。圖5中建筑物內(nèi)豎向最大加速度振級(jí)為66.2dB，水平向?yàn)?6.1dB，兩個(gè)方向的最大加速度振級(jí)相當(dāng)。由此可見(jiàn)，在建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)，雖然垂直加速度峰值明顯大于水平加速度峰值，但是豎向與水平向加速度振級(jí)相差較小，特別是在建筑結(jié)構(gòu)頂層，說(shuō)明對(duì)一些振動(dòng)敏感的建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)只考慮豎向環(huán)境振動(dòng)是不夠的。
數(shù)值模擬分析
本文研究的建筑結(jié)構(gòu)修建時(shí)間相對(duì)比較久遠(yuǎn)，沒(méi)有找到相關(guān)的圖紙數(shù)據(jù)，精度有限，綜合樓有限元模型見(jiàn)圖6。該模型采用Rayleigh阻尼，阻尼比選取為0.05。在輸入振動(dòng)波的選取上，除包括實(shí)測(cè)綜合樓的室外和地下室共三條振動(dòng)波外，為與環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行相關(guān)的對(duì)比分析，還選擇了一條地震波(ElCentro波)作為輸入波。為了能使環(huán)境振動(dòng)波和地震波功率譜在同一張圖上清晰地表現(xiàn)出來(lái)，本文在進(jìn)行功率譜分析時(shí)，對(duì)所有水平輸入波或豎向輸入波進(jìn)行處理，使其最大加速度峰值均與水平向或豎向環(huán)境振動(dòng)波3相同。圖7給出了水平向環(huán)境振動(dòng)波、地震波的功率譜。由圖可見(jiàn)：水平向環(huán)境振動(dòng)波和地震波的主要頻率范圍存在明顯差異，ElCentro波的主要頻率范圍為0~5Hz，環(huán)境振動(dòng)波的主要頻率范圍為5~20Hz；即使是環(huán)境振動(dòng)波，相互之間頻率范圍也不同，其中環(huán)境振動(dòng)波1的主要頻率范圍為10~15Hz，環(huán)境振動(dòng)波2為5~10Hz，環(huán)境振動(dòng)波3為15~20Hz。圖8給出了豎向環(huán)境振動(dòng)波、地震波的功率譜。由圖可見(jiàn)，豎向地震波的頻率范圍分布比較寬，與環(huán)境振動(dòng)較為接近，環(huán)境振動(dòng)波豎向頻率范圍主要為5~20Hz，雖然各環(huán)境振動(dòng)波之間的頻率范圍有所不同，但沒(méi)有水平振動(dòng)明顯。為驗(yàn)證模型的正確性，表1給出了環(huán)境振動(dòng)波3加速度峰值實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，由表可見(jiàn)：不論是豎向振動(dòng)還是水平振動(dòng)，實(shí)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果兩者在變化趨勢(shì)還是比較一致，即豎向振動(dòng)隨著樓層的增加基本呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，水平向振動(dòng)則沒(méi)有這種趨勢(shì)，這與實(shí)測(cè)分析得到的結(jié)論一致。圖9、圖10分別給出了垂直向、水平向加速度功率譜的實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果對(duì)比，對(duì)比分析表明實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果在變化趨勢(shì)上比較一致，對(duì)于垂直向加速度，隨著樓層的增加，其功率譜頻率分布范圍基本沒(méi)有變化，即整個(gè)結(jié)構(gòu)在做整體的豎向振動(dòng)，與實(shí)測(cè)分析結(jié)論一致。由表1、圖9、圖10可見(jiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與分析結(jié)果在數(shù)值上差別較大，特別是水平向，產(chǎn)生這種狀況的原因有多種：首先由于沒(méi)有結(jié)構(gòu)圖紙，且忽略了許多構(gòu)件的影響，所以誤差與實(shí)際房屋結(jié)構(gòu)相差比較大；再者實(shí)測(cè)時(shí)受影響的因素比較多，包括人為因素、設(shè)備因素等。雖然實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果存在較大的誤差，但總體上來(lái)說(shuō)，分析結(jié)果還是能夠反映結(jié)構(gòu)受環(huán)境振動(dòng)影響的分布特點(diǎn)，可用于對(duì)結(jié)構(gòu)受環(huán)境振動(dòng)影響的定性分析。圖11給出了實(shí)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)輸入不同振動(dòng)波時(shí)的分析結(jié)果，水平ElCentro波的分析結(jié)果已縮小到原計(jì)算結(jié)果的1/10。圖示分析表明，垂直向加速度隨著樓層的增加而增加，水平向加速度則不存在這一規(guī)律。
結(jié)論
通過(guò)上述分析，可得如下主要結(jié)論。1)時(shí)域內(nèi)的加速度峰值分析表明不論地面振動(dòng)還是建筑物內(nèi)的振動(dòng)，豎向加速度明顯要大于水平向加速度。但是，豎向和水平向的加速度振級(jí)最大值相當(dāng)，說(shuō)明對(duì)于一些環(huán)境振動(dòng)敏感的特殊結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)只考慮豎向環(huán)境振動(dòng)是不夠的。2)通過(guò)建立實(shí)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)比實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果，表明計(jì)算結(jié)果能夠反映環(huán)境振動(dòng)在結(jié)構(gòu)樓層間的傳播規(guī)律，可用于對(duì)結(jié)構(gòu)受環(huán)境振動(dòng)影響的定性分析和敏感性分析。3)實(shí)測(cè)和數(shù)值分析結(jié)果表明：不論是加速峰值還是加速度振級(jí)，豎向幅值均隨樓層的增加而單調(diào)增加，但水平向幅值并不會(huì)隨著樓層的增加而單調(diào)增加。綜合已有研究成果和本文實(shí)測(cè)分析結(jié)果，表明各種交通振源誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)的頻率范圍不同。文獻(xiàn)[14]采用分頻限值方式作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，與輸入結(jié)構(gòu)振動(dòng)波的特性和結(jié)構(gòu)自身固有動(dòng)力特性有很大關(guān)系，因此，在進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)敏感建筑物設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮建筑物所在地環(huán)境振動(dòng)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，以滿足分頻限值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
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