朱利明,楊佳年,孫 宇,黎 慶

(1.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,江蘇 南京 210009;2.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210009)

隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展,城市中的人口日益增多,人們?nèi)粘＝煌ǔ鲂械念l率也愈來愈高。然而伴隨著交通建設(shè)的迅速發(fā)展,交通運(yùn)行所帶來的環(huán)境振動問題也日益突出,交通環(huán)境微幅振動對人類的身心健康、精密儀器的可靠性以及建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)安全都會造成一定程度的影響,目前國際上已把交通振動列為七大環(huán)境公害之一[1-4]。我國是文明古國,城市各處都存有大量的古建筑,交通線路的建設(shè)通常需要經(jīng)過或穿越這些古建筑,交通微幅振動會使古建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一定程度的殘余應(yīng)變,誘發(fā)古建筑發(fā)生疲勞破壞,從而促使古建筑結(jié)構(gòu)壽命下降。此外,長期、持久的交通振動效應(yīng)也可能導(dǎo)致地基土產(chǎn)生不均勻沉降,從而誘使古建筑開裂甚至倒塌[5-8],目前國內(nèi)外都已存在大量交通振動引起文物破壞的實(shí)例[9-11],因此交通振動對古建筑的影響不容忽視。

南京鼓樓始建于明代洪武十五年(1382年),并于清初對木結(jié)構(gòu)城樓建筑進(jìn)行了重建。2013年5月,因?yàn)榈罔F4號線爆破開挖施工,為保護(hù)南京鼓樓的振動安全,對鼓樓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了臨時加固。并在地鐵4號線建設(shè)竣工后啟動了南京鼓樓的保護(hù)性修繕及周邊環(huán)境綜合整治工作,鼓樓公園于2017年6月開始閉園施工修復(fù),對大量墻體、柱體裂縫進(jìn)行了填補(bǔ),并對地下人防設(shè)施進(jìn)行了填筑,于2018年2月底重新對公眾進(jìn)行開放。

在南京地鐵4號線運(yùn)行期間,文獻(xiàn)[12]對修復(fù)前的南京鼓樓進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測,基于測試結(jié)果,通過時域、頻域分析研究了鼓樓結(jié)構(gòu)內(nèi)部的振動傳播規(guī)律,并根據(jù)相關(guān)古建筑振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)對鼓樓的振動安全進(jìn)行了評估,發(fā)現(xiàn)鼓樓結(jié)構(gòu)存在大量振動超限現(xiàn)象。本次現(xiàn)場測試以修復(fù)后的南京鼓樓作為研究對象,通過對修復(fù)后的鼓樓結(jié)構(gòu)受到交通振動影響下的動力響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場測試,研究修復(fù)后鼓樓結(jié)構(gòu)內(nèi)部的動力響應(yīng)特性,相關(guān)結(jié)果將為地鐵運(yùn)行過程中的鄰近古建筑振動安全評估及減隔振措施開發(fā)設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 現(xiàn)場測試方案

1.1 工程概況

南京鼓樓位于南京市中心,地處繁忙交通要道,周邊有多路車輛匯流,且臨近南京地鐵4號線,鼓樓城闕距離地鐵隧道最近處僅有1.3 m,因此鼓樓面臨的交通振動問題難以忽視,南京鼓樓與地鐵4號線的相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 南京鼓樓與地鐵交通線路的相對位置關(guān)系(m)Fig.1 Relative positional relationship between Nanjing Drum Tower and traffic lines (m)

1.2 測點(diǎn)布置

為研究鼓樓結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性及振動在鼓樓結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳播規(guī)律,現(xiàn)場測試參照相關(guān)振動控制標(biāo)準(zhǔn)[13-14],并結(jié)合環(huán)境條件和鼓樓的整體構(gòu)造風(fēng)格進(jìn)行測點(diǎn)的布置,以靠近地鐵下行線的測點(diǎn)為起始測點(diǎn)(如測點(diǎn)1-5、2-5),本次測試中測點(diǎn)的布置及對應(yīng)編號如圖2所示。

圖2 測點(diǎn)布置Fig.2 Layout of measuring points

1.3 測試儀器及測試內(nèi)容

本次現(xiàn)場測試采用的儀器為北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所設(shè)計的INV9580A無線振動采集儀,該采集儀內(nèi)置有雙通道高精度拾振器,通道量程范圍為0～160 dB,可實(shí)現(xiàn)雙核24位高精度采集,本次測試選取的采樣頻率為512 Hz,測試頻率示值和分辨誤差小于0.01%,頻譜幅示值誤差小于1%,可以滿足本次測試要求?，F(xiàn)場測試中儀器布設(shè)X水平方向垂直于地鐵走向,Z方向平行于鼓樓結(jié)構(gòu)高度方向。鼓樓周邊交通狀況比較復(fù)雜,對照地鐵4號線運(yùn)營時刻表,在鼓樓結(jié)構(gòu)僅受路面交通影響及混合交通影響兩種工況下進(jìn)行測試,采集單組持時30 min的數(shù)據(jù),共計6組。

2 結(jié)果與分析

2.1 古建筑振動控制標(biāo)準(zhǔn)

目前,國內(nèi)外幾乎所有建筑結(jié)構(gòu)的振動控制標(biāo)準(zhǔn)都是以測點(diǎn)振動速度峰值(PPV)作為評價指標(biāo)[14],我國的古建筑振動控制標(biāo)準(zhǔn)為《古建筑防工業(yè)振動規(guī)范》(GB/T 50452—2008)[15],該規(guī)范根據(jù)文物結(jié)構(gòu)類型、文物結(jié)構(gòu)彈性波速以及文物保護(hù)級別來確定文物的承重結(jié)構(gòu)最高處的水平向容許振動速度，并將其作為評價指標(biāo)。

2.2 時域分析

在地鐵列車通過時,對各測點(diǎn)振動速度峰值附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行時程分析,以靠近地鐵下行線且符合規(guī)范[15]的木結(jié)構(gòu)柱頂測點(diǎn)4-1的一段速度時程為例,比較僅受路面交通影響及混合交通影響下的鼓樓動力響應(yīng)變化,結(jié)果如圖3所示。

圖3 碑樓二層柱頂(測點(diǎn)4-1)速度時程曲線Fig.3 Velocity time history curves of the column top of the stele tower (measuring point 4-1)

由圖3可知:無論是僅受路面交通影響還是受到混合交通影響,鼓樓的水平向振動速度幅值都略大于豎向振動速度幅值,表明在受到交通振動的影響時,鼓樓結(jié)構(gòu)水平向動力響應(yīng)較豎向動力響應(yīng)更為顯著;在混合交通作用下,鼓樓結(jié)構(gòu)的豎向速度增長幅度明顯大于水平向速度增長幅度,這表明地鐵通過引起的振動中,豎向振動比水平向振動更為突出。

選取靠近地鐵線路的測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對混合交通作用下的豎向、水平向振動速度最大值及有效值進(jìn)行比較,結(jié)果如表1和圖4所示,其中,振動速度最大值為每組數(shù)據(jù)速度峰值絕對值的最大值;波峰因數(shù)為一段時程峰值與有效值之比,當(dāng)波峰因數(shù)≤9時,一般認(rèn)為用有效值來描述振動能量的變化，如式(1)所示。

(1)

式中:Vrms為有效值,N為采樣點(diǎn)的個數(shù),xi為第i個采樣值。

表1 振動速度統(tǒng)計結(jié)果

圖4 混合交通引起的鼓樓振動速度對比Fig.4 Comparison of Drum Tower vibration velocity caused by mixed traffic

由表1和圖4可以看出:在混合交通影響下,豎向振動速度峰值表現(xiàn)為從城闕底部到碑樓二層頂部不斷增長的趨勢;水平向振動速度峰值從城闕底部至碑樓一層底部逐漸增大,自碑樓一層底部到碑樓一層頂部快速增大,到碑樓二層頂部又快速減弱的趨勢;在混合交通作用下,豎向及水平向振動速度有效值均在碑樓一層頂部達(dá)到峰值,鼓樓一層頂部建造有拱形穹頂,在振動傳遞過程中,入射波與反射波有可能會產(chǎn)生相互疊加,從而導(dǎo)致建筑物的某一中間層的振動響應(yīng)激增[16],因此,推測該區(qū)域存在一個振動放大區(qū)。

表2為各測點(diǎn)振動速度峰值。由表2可以發(fā)現(xiàn):可能由于該混合交通測試時段內(nèi)路面交通較少,致使少量部分測點(diǎn)振動速度表現(xiàn)為負(fù)增長外,地鐵運(yùn)行通過時,振動的疊加效應(yīng)還是比較明顯的,其中靠近地鐵線路的測點(diǎn)1-5、2-5、2-1、3-1、4-1的振動速度峰值均有大幅增長,尤其是水平向振動速度峰值增長均達(dá)到50%以上,城闕頂部測點(diǎn)2-5的水平向振動速度峰值增長達(dá)98.36%,碑樓二層頂部測點(diǎn)4-1的水平向振動速度峰值增長更是達(dá)到了123.87%,這也說明文獻(xiàn)[15]以承重結(jié)構(gòu)最高處的水平向容許振動速度作為評判古建筑結(jié)構(gòu)振動安全的指標(biāo)是合理的。

表2 各測點(diǎn)振動速度峰值

南京鼓樓為全國文物保護(hù)建筑,參照文獻(xiàn)[15]中關(guān)于木結(jié)構(gòu)的容許振動速度峰值為0.22 mm/s,砌體結(jié)構(gòu)的容許振動速度峰值為0.20 mm/s的規(guī)定,對照表2中木結(jié)構(gòu)承重結(jié)構(gòu)最高處測點(diǎn)4-1與砌體結(jié)構(gòu)承重結(jié)構(gòu)最高處測點(diǎn)2-1的水平向振動速度峰值可知,在交通振動影響下,現(xiàn)階段鼓樓整體結(jié)構(gòu)處于振動安全狀態(tài),與修復(fù)前鼓樓受交通振動的動力響應(yīng)結(jié)果[12]相比,鼓樓的修繕措施降低了交通荷載對鼓樓振動的影響,有益于鼓樓的長期振動安全。

2.3 頻域分析

1/3倍頻程分析在處理環(huán)境振動問題時使用較為廣泛,1/3倍頻程譜可以描述不同頻率下振動物理量的大小,并可以反映出該頻段的振動能量。為研究鼓樓受交通振動影響的主要頻段,對各測點(diǎn)的振動加速度時程數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換,獲得其1/3倍頻程譜,如式(2)所示[17]。

(2)

式中:La為加速度級;arms為加速度有效值;a0為基準(zhǔn)加速度,國際上通常取a0=10-6m/s2。

圖5為各測點(diǎn)振動加速度1/3倍頻程譜分析結(jié)果。

圖5 振動加速度1/3倍頻程譜分析結(jié)果Fig.5 1/3 octave spectrum analysis results of vibration acceleration

由圖5可知:測點(diǎn)在0～10 Hz低頻段對應(yīng)的加速度級差異不大;總體上看,各測點(diǎn)豎向振動的主要響應(yīng)頻帶出現(xiàn)在10～50 Hz,加速度級峰值集中在40～50 Hz;水平向振動的主要響應(yīng)頻帶出現(xiàn)在10～40 Hz,加速度級峰值集中在20～40 Hz。參考相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果[18-20],路面交通和地鐵交通引起傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的主要頻段分別為10～25和40～90 Hz,并結(jié)合時域分析的結(jié)果可知,鼓樓結(jié)構(gòu)振動是由路面交通和地鐵交通振動共同作用引起的,地鐵交通引起的動力響應(yīng)與路面交通引起的動力響應(yīng)相比并不明顯。

鼓樓城闕測點(diǎn)1-5、2-5及碑樓一層底部測點(diǎn)2-1在100～250 Hz的次要響應(yīng)頻帶內(nèi)的加速度級雖有小幅度上升,但總體上看,鼓樓城闕在40～512 Hz的高頻范圍內(nèi)的加速度級下降較快,在超過512 Hz以后加速度級逐漸降低至5 dB左右;而鼓樓碑樓高層測點(diǎn)3-1、4-1在超過160 Hz后,加速度級才開始出現(xiàn)明顯的衰減,結(jié)合分析可知,古建筑受交通振動影響的主要頻率范圍為10～50 Hz,但振動能量在古建筑中的衰減規(guī)律因材料而異,對于古磚砌體結(jié)構(gòu),超過40 Hz的交通振動對其影響較小,對于古木結(jié)構(gòu),超過160 Hz的交通振動對其影響較小。

為研究鼓樓木結(jié)構(gòu)碑樓在高度方向上的振動能量變化規(guī)律,將木柱各測點(diǎn)在柱頂處的輸出加速度級與柱底處的輸入加速度級進(jìn)行了振動傳遞比分析,傳遞比是層間測點(diǎn)的輸出加速度有效值與輸入加速度有效值在不同中心頻率下的比值。若振動傳遞比>1,則該頻段內(nèi)能量表現(xiàn)為增強(qiáng)趨勢;若傳遞比≤1,則該頻段內(nèi)能量表現(xiàn)為衰減趨勢。從圖5(b)和5(d)可以看出:鼓樓一層頂區(qū)域內(nèi),分別在50～512、20～160 Hz存在一個豎向振動放大區(qū)和一個水平振動放大區(qū)。

3 結(jié)論

1)現(xiàn)場實(shí)測未發(fā)現(xiàn)南京鼓樓出現(xiàn)振動超限現(xiàn)象,地鐵通過時主要引起的是豎向振動,但交通振動作用引起的動力響應(yīng)變化具有明顯的方向性,鼓樓結(jié)構(gòu)的水平向振動比豎向振動更為突出,因此在設(shè)計軌道減隔振措施時,應(yīng)主要考慮控制地鐵行駛時產(chǎn)生的豎向振動,而在設(shè)計古建筑減隔振措施時,應(yīng)主要考慮控制水平向振動。

2)鼓樓受交通振動影響的主要頻率范圍為10～50 Hz,振動衰減規(guī)律因材料而異,超過40 Hz的交通振動對古磚砌體結(jié)構(gòu)影響較小,超過160 Hz的交通振動對古木結(jié)構(gòu)影響較小。

3)鼓樓碑樓一層頂部附近的振動放大效應(yīng)明顯,分析發(fā)現(xiàn)該區(qū)域分別在50～512、20～160 Hz存在一個豎向振動放大區(qū)和一個水平振動放大區(qū),建議對此區(qū)域進(jìn)行減隔振處理,減少鼓樓碑樓結(jié)構(gòu)受交通振動的影響,保護(hù)古建筑安全。