丑亞玲,劉文高,喬 雄,倪偉淋

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

自1825年世界上第一條鐵路在英國建成通車開始,世界交通運(yùn)輸產(chǎn)生了革命性的變化,大大促進(jìn)了人類社會的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。但是隨之而來的各種環(huán)境振動(dòng)問題接踵而至,由于交通而產(chǎn)生的振動(dòng)對現(xiàn)代建筑[1-4]、古建筑[5-8]、精密儀器[9-12]等的損害案例比比皆是。交通振動(dòng)的產(chǎn)生與傳播是一個(gè)復(fù)雜的異常過程,是一個(gè)高頻率和低頻率振動(dòng)的復(fù)合體,高頻振動(dòng)衰減快,低頻振動(dòng)衰減慢[13],其產(chǎn)生的振動(dòng)問題較為復(fù)雜。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,除了工廠作業(yè)振動(dòng)和建筑工程施工振動(dòng)外,人們反應(yīng)最為強(qiáng)烈的振源即為道路交通振動(dòng)[14]。交通振動(dòng)對建筑結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在振動(dòng)的持久性和復(fù)雜性上,這種振動(dòng)既可能造成脆性建筑結(jié)構(gòu)的疲勞損壞,也可能造成建筑物產(chǎn)生不均勻沉降,嚴(yán)重的會導(dǎo)致建筑主體的開裂甚至倒塌。而目前關(guān)于交通振動(dòng)影響下建筑結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理研究不夠全面,控制標(biāo)準(zhǔn)沒有統(tǒng)一的規(guī)范可以依靠,減振隔振措施缺乏科學(xué)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。因此,開展交通振動(dòng)環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理及減振隔振方面的相關(guān)研究,具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

本文對已有研究成果進(jìn)行梳理分析,從交通振動(dòng)對建筑結(jié)構(gòu)影響的研究方法、建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)、建筑結(jié)構(gòu)疲勞損傷和建筑結(jié)構(gòu)減振隔振措施四個(gè)方面,總結(jié)分析交通振動(dòng)環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理以及建筑結(jié)構(gòu)減振隔振方面的研究現(xiàn)狀。

1 交通振動(dòng)對建筑影響的研究方法

目前,交通振動(dòng)對臨近建筑物影響的研究已有了長足的發(fā)展。在國外,Chikaaki[15]最早開始致力于交通振動(dòng)的研究,提出了交通振動(dòng)環(huán)境下高架鐵路橋梁的振動(dòng)形式,為后來交通振動(dòng)的發(fā)展提供了先導(dǎo)性的理論基礎(chǔ)。而我國關(guān)于交通振動(dòng)方面的研究最早開始于茅玉泉[16]對交通運(yùn)輸車輛引起的地面振動(dòng)特性和衰減的研究,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)復(fù)合回歸的方法,探討了振動(dòng)傳播的衰減規(guī)律,提出了地面垂直和水平振動(dòng)衰減的經(jīng)驗(yàn)公式,以此為開始,我國對于交通振動(dòng)方面的研究有了突破性的進(jìn)展。

由于目前交通行業(yè)的快速發(fā)展,對于交通所產(chǎn)生振動(dòng)的研究得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,表1列出了目前國內(nèi)外關(guān)于交通振動(dòng)環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)受損情況的部分研究案例及其主要研究方法。

表1 目前針對交通振動(dòng)研究的相關(guān)案例Table 1 The related cases of traffic vibration research at present

由表1可以看出,目前關(guān)于交通振動(dòng)環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)受影響的研究方法主要有4種:(1)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行測試和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法;(2)基于有限元模型的數(shù)據(jù)分析方法;(3)預(yù)測模型的建立和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比方法;(4)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的經(jīng)驗(yàn)分析法。

基于這4種方法,在研究交通振動(dòng)問題時(shí),可根據(jù)所研究項(xiàng)目選定相適應(yīng)的方法,4種研究方法各有優(yōu)缺點(diǎn),在確定研究方法時(shí),應(yīng)充分考慮各種環(huán)境因素以及現(xiàn)場條件的限制,以此來選定最終的研究方法。目前選用最多的為現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值分析相結(jié)合的方法,此方法可以避免由于經(jīng)驗(yàn)分析帶來的缺乏通用性的問題,同時(shí)也可以避免由于預(yù)測模型所帶來的不確定性以及數(shù)據(jù)參數(shù)的不確定性帶來的誤差因素,也可以避免由于單一數(shù)據(jù)分析引起結(jié)論的不完整性問題,同時(shí)該方法可以與預(yù)測模型相結(jié)合來提高試驗(yàn)研究的精確性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

2 建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀

目前我國關(guān)于振動(dòng)對建筑結(jié)構(gòu)控制標(biāo)準(zhǔn)的劃分,主要分為現(xiàn)代建筑和古建筑,對于比較脆弱的文物建筑,國家現(xiàn)行的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)來源于《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》[35]。對于古建筑結(jié)構(gòu)控制標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 古建筑容許振動(dòng)速度[ν](單位:mm/s)Table 2 Allowable vibration rate of ancient architecture[ν](Unit:mm/s)

根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》[36]中規(guī)定,在連續(xù)發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動(dòng)、沖擊振動(dòng)和無規(guī)律振動(dòng)的建筑結(jié)構(gòu)區(qū)域附近內(nèi)應(yīng)滿足表3的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 城市各類區(qū)域鉛垂向Z振級標(biāo)準(zhǔn)值表(單位:dB)Table 3 Standard value of vertical vibration in various urban areas (Unit:dB)

根據(jù)我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50868-2013[37]規(guī)定,交通振動(dòng)對建筑結(jié)構(gòu)影響在時(shí)域范圍內(nèi)的容許振動(dòng)值,宜按表4的規(guī)定采用。根據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)DIN4150-3-1999[38]中對各種振源對鄰近建筑物的振動(dòng)影響,其控制標(biāo)準(zhǔn)如表5所列。通過對比我國和德國交通振動(dòng)對建筑結(jié)構(gòu)影響的容許振動(dòng)值可以看出,我國對于交通振動(dòng)的控制標(biāo)準(zhǔn)較為嚴(yán)格,特別是我國古建筑振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國外[39]。但在目前關(guān)于普通建筑物對交通振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的研究上,這些標(biāo)準(zhǔn)在制定和使用時(shí)依然存在著一些問題,由于交通振動(dòng)而引起臨近建筑物動(dòng)力響應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)沒有統(tǒng)一的規(guī)范可尋,仍然存在有很多問題未得到解決,在振動(dòng)控制的標(biāo)準(zhǔn)制定上專家學(xué)者未達(dá)成一致[40-42]。例如在《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》中,關(guān)于古建筑的振動(dòng)評價(jià)指標(biāo)是速度;在《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中,通常用Z振級為振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)多采用整個(gè)頻段的總響應(yīng)量作為結(jié)果;而在《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中,又以振動(dòng)速度作為古建筑和結(jié)構(gòu)物兩種建筑的共同評價(jià)指標(biāo)。

表4 交通振動(dòng)對建筑結(jié)構(gòu)影響在時(shí)域范圍內(nèi)的容許振動(dòng)值Table 4 Allowable value of traffic-induced vibration of building structures in time domain

表5 德國交通振動(dòng)對建筑結(jié)構(gòu)影響在時(shí)域范圍內(nèi)的容許振動(dòng)值Table 5 Allowable value of traffic-induced vibration of German building structures in time domain

綜上分析可以得出,目前相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)存在以下問題:

(1) 關(guān)于交通振動(dòng)對建筑結(jié)構(gòu)影響的評價(jià)沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行參考。

(2) 對于不同材料的建筑結(jié)構(gòu)沒有給出確切的振動(dòng)容許值,而且在建筑物類型劃分時(shí)只給出了這一類建筑物振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 同一類建筑物中建筑結(jié)構(gòu)的類型仍然會有很大的差距,因此對于建筑振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的劃分過于粗略,不能夠精確的描述出不同建筑結(jié)構(gòu)類型的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)構(gòu)在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命,即在給定重復(fù)荷載作用下使結(jié)構(gòu)破損所必需的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)次數(shù)?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為應(yīng)力變化范圍是影響疲勞壽命的主要因素。因?yàn)檎駝?dòng)波在傳播過程中,某一點(diǎn)的振動(dòng)位移為[43-44]

u=Asin(kx-ct)

(1)

式中:A為位移振動(dòng)最大幅值;c為波速;k為常數(shù)。

振動(dòng)速度為

v=du/dt=-cAcos(kx-ct)

(2)

單位距離的位移變化量為

du/dx=kAcos(kx-ct)

(3)

根據(jù)應(yīng)變定義ε=Δl/l,和每單位距離位移的變化量一致,則由式(2)、(3)可得

ε=du/dx=kAcos(kx-ct)=-(k/c)v

(4)

因此為了能夠科學(xué)準(zhǔn)確的評估不同建筑結(jié)構(gòu)的抗振能力,建議將建筑結(jié)構(gòu)的疲勞性能作為研究的對象,將疲勞壽命作為建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)容許值的參考依據(jù),考慮到建筑材料以及結(jié)構(gòu)在環(huán)境作用下的累積損傷效應(yīng)[45-47],提出建筑結(jié)構(gòu)在交通振動(dòng)環(huán)境下振動(dòng)疲勞和剩余壽命評估的方法,為建筑結(jié)構(gòu)在交通振動(dòng)環(huán)境下的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。

3 建筑結(jié)構(gòu)疲勞損傷研究現(xiàn)狀

目前關(guān)于交通振動(dòng)作用下對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷影響的分析,國內(nèi)外均處在一個(gè)探索研究的階段,而關(guān)于交通振動(dòng)激勵(lì)下的疲勞分析,大都集中在橋梁、隧道以及建筑材料的研究上,近年來關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)的疲勞損傷主要研究工作列于表6。

表6 建筑結(jié)構(gòu)的疲勞損傷主要研究工作Table 6 Main research work on fatigue damage of building structures

結(jié)構(gòu)在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下,由于某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生了局部的永久性結(jié)構(gòu)變化,從而在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過程稱為疲勞。由于交通產(chǎn)生的振動(dòng)會持續(xù)對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生長久的影響,雖然在短時(shí)間內(nèi)由交通振動(dòng)產(chǎn)生的能量較小,但建筑長期在這種微振動(dòng)的作用下,會產(chǎn)生疲勞損傷響應(yīng),損傷將不斷增長、累積,最終造成結(jié)構(gòu)的破壞加劇,嚴(yán)重的還會導(dǎo)致建筑物的開裂和倒塌。趙奎等[48]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),加載與卸載階段都會產(chǎn)生損傷,且損傷隨應(yīng)力的增大而增大,因此建筑物在反復(fù)受到交通荷載的情況下會產(chǎn)生疲勞損傷效應(yīng)。

對于交通振動(dòng)影響下建筑結(jié)構(gòu)疲勞損傷的研究,應(yīng)當(dāng)充分的考慮到在自然環(huán)境的影響下,建筑物會由于不同頻率的周期荷載、凍融環(huán)境和硫酸鹽腐蝕環(huán)境、風(fēng)荷載以及地表微振動(dòng)等的影響下材料損傷不斷積累,從而導(dǎo)致建筑物的主體產(chǎn)生裂縫并不斷的擴(kuò)展。

綜上所述:

(1) 國內(nèi)外關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理的研究沒有一個(gè)系統(tǒng)性的理論思想,使得此方面的研究比較零散。由于沒有統(tǒng)一的理論可以去依靠,國內(nèi)外對于建筑結(jié)構(gòu)在交通激勵(lì)作用下的損傷機(jī)理研究以及評估甚少。

(2) 研究建筑物在交通荷載影響下的疲勞損傷時(shí),需要將由于環(huán)境因素而造成建筑物的損傷考慮在內(nèi),在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行交通振動(dòng)影響的研究,同時(shí)也要考慮環(huán)境因素與交通振動(dòng)因素耦合的情況,先對建筑物進(jìn)行損傷機(jī)理因素分析,避免單一考慮某一方面的影響而造成結(jié)構(gòu)安全分析的片面性和局限性。

4 建筑結(jié)構(gòu)減振措施研究現(xiàn)狀

車輛產(chǎn)生振動(dòng)的原因是輪轂與軌道或者地面之間相互作用,產(chǎn)生的振動(dòng)通過路基或橋墩傳遞至建筑物地基,繼而又傳遞到了建筑物。夏禾[61]通過對交通振動(dòng)問題的研究提出了振動(dòng)可以分為三個(gè)系統(tǒng):振源系統(tǒng)、振動(dòng)傳遞路徑系統(tǒng)和受振體系統(tǒng)。結(jié)合交通振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理、傳播的性質(zhì)以及對建筑結(jié)構(gòu)影響的因素,對交通振動(dòng)的防治可以從產(chǎn)生振動(dòng)的振源主動(dòng)減振,在振動(dòng)傳播過程中切斷傳遞路徑和對受振體進(jìn)行積極地采取隔振措施。目前關(guān)于交通振動(dòng)的隔振減振研究現(xiàn)狀如表7所列。

式中：Qz、Q1、Q2、Q試件分別為總換熱量、試件框換熱量、熱箱外壁換熱量、試件(聚苯乙烯泡沫板或真空玻璃板)換熱量，W；f1為試件框熱流系數(shù)，W/K；Δt1為試件框冷熱面溫差，K；f2為熱箱外壁熱流系數(shù)，W/K；Δt2為熱箱內(nèi)外表面溫差，K；Δt為試件冷熱表面溫差，K；A為試件面積m2；Δt熱為熱面設(shè)定溫度與填充板熱面溫度之差(取絕對值)，K；Δt冷為冷面設(shè)定溫度與填充板冷面溫度之差(取絕對值)，K.

表7 交通振動(dòng)的隔振減振研究現(xiàn)狀Table 7 Research status of traffic vibration isolation and reduction

目前關(guān)于交通振動(dòng)的研究主要集中在高頻振動(dòng),現(xiàn)在常規(guī)減振隔振材料能夠有效地控制20 Hz以上頻率的振動(dòng)[62],而對于低頻振動(dòng)的控制研究較少,因此在未來應(yīng)加大對低頻振動(dòng)的研究,采用新的規(guī)范,減少由于低頻振動(dòng)帶來的危害。雖然當(dāng)前關(guān)于交通振動(dòng)的減振材料和方法較多,但仍存在著一些不足,例如:減振方法的控制標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一;減振材料的研究缺乏科學(xué)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn);減振材料性能的表述不夠明確:減振隔振材料價(jià)格的參差不齊。故應(yīng)逐步建立起關(guān)于交通振動(dòng)控制方法和減振隔振材料的專項(xiàng)管理制度,出臺相應(yīng)的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn),在保障安全的前提下,做到建筑結(jié)構(gòu)在振動(dòng)條件下安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

5 結(jié)論

通過以上的論述,可以得出以下結(jié)論:

(1) 目前國內(nèi)外關(guān)于交通振動(dòng)的研究方法主要有4種:根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行測試和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法;有限元軟件的應(yīng)用和數(shù)據(jù)分析的方法;預(yù)測模型的建立和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比的方法;根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的經(jīng)驗(yàn)分析法。目前最有效和最常用的為現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值分析的方法,而對于不同的研究項(xiàng)目會有其不同的適用研究方法,因此在進(jìn)行研究時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來選擇。

(2) 通過對國內(nèi)外目前交通振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的研究對比分析,我國關(guān)于交通振動(dòng)控制的標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格高于國外。但由于目前交通振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一,存在著一定的問題,因此本文建議將建筑結(jié)構(gòu)的疲勞性能作為研究的對象,將疲勞壽命作為建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)容許值的參考依據(jù),提出建筑結(jié)構(gòu)在交通振動(dòng)下的振動(dòng)疲勞和剩余壽命評估的方法,能夠?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)在交通振動(dòng)環(huán)境下的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)提供參考和科學(xué)依據(jù)。

(3) 在研究分析交通振動(dòng)的產(chǎn)生形式以及建筑結(jié)構(gòu)在交通振動(dòng)下的受損機(jī)理中,提出建筑物在交通荷載影響下的疲勞損傷時(shí),需要將由于環(huán)境因素而造成建筑物的損傷考慮在內(nèi),在此損傷的基礎(chǔ)上再進(jìn)行交通振動(dòng)影響的研究,同時(shí)也要考慮環(huán)境因素與交通振動(dòng)因素耦合的情況。

(4) 由于交通振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)形式,目前關(guān)于交通振動(dòng)的研究大多集中在高頻振動(dòng)以及如何控制高頻振動(dòng),常規(guī)的隔振減振措施能夠有效的降低20 Hz以上頻率的振動(dòng),但對于低頻振動(dòng)的控制卻一直是一個(gè)亟待解決的問題。同時(shí)當(dāng)前隔振減振材料的品種繁多,沒有科學(xué)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)逐步建立起關(guān)于交通振動(dòng)控制方法和減振隔振材料的專項(xiàng)管理制度,在保證經(jīng)濟(jì)和安全的前提下實(shí)現(xiàn)減振隔振的目標(biāo)。