汽車所致虎門遺址振動全過程性能化研究

葛家琪，馬伯濤，龐玉濤，王仕俊，楊維國，張 楠

(1.中國航空規劃建設發展有限公司，北京 100120；2.聊城市規劃建筑設計院有限公司，山東 聊城 252000；3.河南藝術中心，鄭州 450046；4.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

隨著我國鐵路、高鐵、公路及城市軌道建設的迅猛發展，交通網絡不斷密集，流量不斷增加。工業、交通振動對建筑及文物危害屬微振動疲勞損傷，短期內難易發覺，但已逐漸被重視，并研究各種防振技術措施[1-2]。交通振動主要有軌道、公路交通。周裕德等[3]結合上海音樂廳遷址工程，采用類比調查法在衡山路段附近進行測試，距地鐵線8 m處，地鐵經過時振級約84 dB，主要頻段在40～100 Hz；某城市地鐵列車在建筑首層以15～25 km/h速度通過時，建筑3層樓面實測加速度達85 dB，西直門城鐵附近100 m處5層居民樓，列車通過時室內感覺到強烈振動，門窗、家具等玻璃發出響聲，甚至一段時間后家具因振動而移位[4]；歐洲某公路或軌道交通線附近古磚石建筑因車輛通過時引起的振動產生裂縫最終倒塌[5]。

虎門炮臺舊址為第二批全國重點文物保護單位。修建的威遠島環島路在定洋炮臺區段由于道路穿行山中，曲率半徑不得小于200 m，評估前環島路機動車行車道距文物本體(清兵營房)僅48 m，見圖1。公路交通荷載引起的振動可能對文物產生不利影響，應進行交通振動的文物性能化評估及預測，保證文物在全壽命期內的安全性。文物安全性能化研究為綜合運用結構高等分析手段與工程方法達到既定文物安全性能目標的系統研究，包括安全指標確定、振動響應預測及振動響應控制，即據文物結構形式、材質、重要等級等確定不同的安全控制指標，采用適宜試驗實測及分析評估預測方法及防護措施。目前我國文物防振保護研究尚處初級階段，預測及評估方法有待結合具體工程進一步完善[6]。

1 防振安全性能化評價標準

針對不同振源對古建筑物影響，GB/T 50452- 2008《古建筑防工業振動技術規范》規定：古建筑結構容許振動速度應據結構類型、保護級別及彈性波在古建筑結構中的傳播速度選用。古建筑磚結構容許振動速度見表1。定洋炮臺區兵房結構及炮臺結構實測彈性波速Vp分別為1078 m/s及2073 m/s。由于該炮臺為全國重點保護文物，故由表1獲得兵房、炮臺結構振動允許速度分別為0.15 mm/s及0.19 mm/s。

表1 古建筑磚結構容許振動速度v (mm/s)

2 計算機仿真模型與試驗驗證研究

2.1 重車激振現場實測

現場實測采用55 t重型卡車，以60 km/h車速駛過待建公路路基，同時測量兵房拱頂、基座及公路路基三方向振動。位置關系示意見圖2,測試結果見表2。

由表2可得公路路基至兵房基座的衰減系數(后者與前者速度比)在順路向、橫路向及垂向分別為0.192、0.469，0.363；兵房拱頂相對兵房基座在順路向、橫路向及垂向分別放大2.27，3.69，2.62。

表2 公路近地面測試記錄峰值統計

圖2 公路、兵房、炮臺位置關系示意圖

2.2 性能化模型分析與校準

據地形圖、地質勘查資料建立有限元模型。用solid95實體單元模擬土體，用shell63殼單元模擬兵房，見圖3、圖4。土體模型中最大單元格尺寸為2 m，可滿足所需結果精度，邊界條件用粘彈性人工邊界[7], 避免邊界反射等造成的影響[8]。

為驗證有限元模型的正確性及可靠性，對模型施加車重、速度及行車位置均與實測相同，即車重55 t，速度60 km/h，路邊測點距行車線約7 m。本文模型車輛荷載以接地壓力形式傳至路面單元，按等效節點荷載形式施加于單元節點。汽車以移動荷載列形式在有限元模型中加載[9]。提取的有限元模型中與工程實測點相同位置處動力響應見表3。由表3看出，有限元分析結果與實測結果吻合較好；個別數值差別較大。原因為公路交通振動能量較小，且處于施工階段，路面不平易造成汽車搖擺；外界干擾(如人員的走動等)對測試結果影響較大。因此認為用有限元模型模擬工程實際振動可行。據模型對道路不同工況的車輛荷載進行分析，給出各工況振動激勵對文物保護區各方向振動響應，評估文物的安全性。

表3 有限元計算與現場實測速度對比

3 性能化分析研究

3.1 分析荷載選取

該公路等級為二級，為提高安全儲備，用一級公路標準計算。據JTGB01- 2003《公路工程技術標準》規定，一級公路為專供汽車分向、分車道行駛，并據所需控制出入多車道公路；六車道高速公路能適應將各種汽車折合成小客車的年平均日交通量25000～55000輛。《中華人民共和國道路交通安全法》規定：高速公路行駛車速超過100 km/h時安全車距為100 m；低于100 km/h時最小安全車距不得小于50 m。

3.2 工況

為研究不同車速、車重及隔振溝深度對振動傳遞及振動響應影響，本文考慮3種工況。

(1)動力效應研究。計算無隔振溝時土體衰減規律及兵房拱頂動力放大系數。主要分析固定車重(55 t)時改變車速為40 km/h，60 km/h，80 km/h；固定車速(60 km/h)時改變車重為5 t，10 t，55 t。

(2)隔振溝尺度研究。計算有隔振溝時土體的振動衰減規律。用車重55 t、車速60 km/h時重型車激勵，溝寬1 m，改變溝深為0 m，1.5 m，3 m，6 m。

(3)多車效應研究。據(2)確定的溝深，考慮多車行駛時的振動影響。多車行駛分為多車道同向并行與同車道多車同向行駛兩種。據一級公路及法規規定，考慮最不利的多車組合，即55 t，10 t兩種情況，3車道3車并行及同車道2車同向行駛時分析古建筑文物的振動響應。

3.3 各工況計算結果分析

3.3.1 工況1動力效應研究

(1)對車重55 t，車速40 km/h，60 km/h，80 km/h時分析不同車速對地面振動影響。用有限元分析獲得順路向、橫路向及垂向峰值速度隨距離變化規律見圖5。由圖5看出，隨距離的增加地面振動響應減小。

表4 改變車速時衰減系數對比

表5 改變車速時兵房拱頂最大速度及動力放大系數

兵房基座(35 m)、炮臺處(85 m)振動速度響應衰減見表4。由表4看出，車速越快順路向、橫路向及垂向衰減越明顯；距行車道越近衰減速度越快。綜合考慮兵營基底處速度衰減系數取0.35，即65%的衰減；炮臺處速度衰減系數取0.25，即75%的衰減。

兵房拱頂最大速度及兵房拱頂相對兵房基座放大系數見表5。順路向、垂向兵房拱頂動力放大系數變化分別為2.3～2.6及2.7～3.4；橫路向兵房拱頂動力放大系數隨速度增加而減小，且車速每增加20 km/h，動力放大系數減小為50%。

(2)對車速60 km/h、車重5 t，10 t，55 t時分析不同車重對地面振動響應影響。計算分析獲得順路向、橫路向及垂向峰值速度隨距離的變化規律見圖6。由圖6看出，距離越遠地面振動響應越小；車輛載重增加振動響應基本呈線性增加。

圖5 改變車速時振動響應

圖6 變車重時振動響應

改變車重，兵房基座(35 m)及炮臺處(85 m)振動速度衰減見表6。由表6看出，改變車重三方向衰減變化不明顯，車重為5 t，10 t，55 t時兵房基座振動速度衰減51%～68%、51%～68%、51%～ 67%；炮臺振動速度衰減50%～85%、54%～80%、60%～85%。綜合考慮兵房基底處速度衰減系數取0.35，即65%的衰減；炮臺處速度衰減系數取0.2，即80%的衰減。

表6 改變車重時衰減系數對比

兵房拱頂最大速度及放大系數見表7。由表7看出，車重不同，順路向、垂向拱頂動力放大系數變化為依次為2.3～2.5，3.4～3.7；橫路向拱頂動力放大系數隨車重的增加而增加，車重越大動力系數增加越緩慢。

表7 改變車重時兵房拱頂最大速度及動力放大系數

由以上分析及表1知，車重為55 t時不采取任何減振措施，汽車行駛造成兵房拱頂水平速度接近或超過限值0.15 mm/s，55 t車重時對兵房可能造成損壞；車重5 t，10 t的單輛車以40 km/h、60 km/h、80 km/h速度行駛所致兵房拱頂水平振動速度遠小于0.15 mm/s，不會對兵房造成破壞。

3.3.2 工況2隔振溝尺度研究

用車重55 t、車速60 km/h重型卡車，改變隔振溝深度，分別取無溝(0 m)，1.5 m，3.0 m，6.0 m進行計算，研究隔振溝對振動響應衰減規律影響。獲得順路向、橫路向、垂向峰值速度變化曲線見圖7。兵房基座及炮臺處振動速度響應衰減見表8。由表8看出，兵房基座處橫路向、順路向振動速度隨隔振溝深度增加而減小，溝深6 m時振動速度較無溝時降低12%，垂向速度響應衰減不明顯，溝深6 m時降低7%；炮臺處橫路向、順路向振動速度隨隔振溝深度增加而降低，溝深6 m時振動速度較無溝時降低8%，垂向速度響應衰減不明顯，溝深6 m時衰減8%。

由以上分析知，在路邊設置隔振溝有利于控制土體振動響應，且隔振溝深度與隔振效果成正比，即隔振溝愈深隔振效果愈明顯；水平隔振效果優于豎向；但考慮工程實施情況，隔振溝設置太深會限制其效率發揮。本工程建議排水溝兼做隔振溝，深3 m，可使振動速度減小約8%。結合工況1及表5、表7結果知，車速控制在60 km/h以內時，3種車重引起的兵房拱頂水平最大速度不超0.15 m/s，可滿足表1要求。

3.3.3 工況3多車效應研究

用工況2結論，取溝深3 m分析多車行駛時地面的振動響應。考慮多條車道并行及同車道多車影響。通過施加在有限元模型同向、同速兩輛移動車輛荷載，分析同車道多車振動效應疊加影響。多車道主要參考相關規范對單車道、多車道荷載組合及折減方法。車道數越多出現最不利加載幾率越小。橋涵設計車道數≥2時汽車荷載所致效應按JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規范》的多車道橫向折減系數折減，見表9，折減后效應不得小于兩條設計車道荷載效應。

圖7 改變隔振溝深振動響應

表8 改變溝深衰減系數對比

3.3.3.1 多車道并行

圖8 車重55t三車道振動響應

考慮車重55 t、10 t，速度60 km/h 時3輛汽車并行情況。用表9折減系數計算兩種多車并行結果見圖8、圖9。由圖8、圖9看出，與工況1中(2)分析結論一致，地面振動響應與車重近似正比關系。

車重55 t據工況1計算所得兵房拱頂動力放大系數規律，3車并行時兵房拱頂最大速度峰值超過表1限值0.15 mm/s，應予以避免；車重10 t以下3車并行時所致振動遠小于0.15 mm/s，不會對古建筑文物產生破壞。

表9 多車道橫向折減系數

3.3.3.2 同車道多車行駛與單車對比

車重10 t、55 t，速度60 km/h時兩車相距60 m同車道行駛，與單車行駛對比見表10。由表10看出，10 t時公路路基處兩車產生的振動響應分別是單車時的0.9～2.1倍，兵房基座處兩車產生的振動響應分別是單車時的1.6～3.2倍，炮臺處兩車產生的振動響應分別是單車時的1.1～1.5倍；55t時，公路路基處兩車產生的振動響應分別是單車時的0.8～ 2.0倍，兵房基座處兩車產生的振動響應分別是單車時的1.6～3.2倍，炮臺處兩車產生的振動響應分別是單車時的1.1～1.5倍。

圖9 車重10 t三車道振動響應

表10 單車與多車振動響應對比

據分析結果，多車振動響應與單車振動響應比值不會隨車重的改變而改變；除兵房基座附近外，多車速度響應不會超過單車響應乘以車輛數；兵房基座處多車響應超過單車響應乘以車輛數的原因為由于兩車產生的振動波在此處疊加發生駐波所致。綜合考慮三向振動，在有限元分析中模擬單車道多車振動響應可用相同數量單車振動響應折減獲得，折減系數范圍0.44～1.05，建議取0.8。距行車道大于35 m處，地面振動響應局部略有增加，其原因可能與振動傳播中不同土層間反射、土體參數及地形地貌等因素有關，與文獻[10]實測結果吻合。

4 建 議

為充分保障文物安全，在性能化分析基礎上，對工程建設提出幾點建議：

(1) 定洋炮臺區段整個文物建設控制地帶內，路邊應設置隔振溝，溝寬1 m，溝深3 m；

(2) 文物相關路段應合理安排施工計劃，先進行隔振溝施工。在確保工程質量前提下，文物區段應采用振動最小的小型機械設備，確保道路施工過程中路面三方向最大振動速度實測值不大于0.15 mm/s、最大振動加速度實測值不大于3.0 mm/s2；

(3) 文物相關路段路面設計時宜選減振效果良好的路面及路基結構，確保道路設計運營期(15年)內車流量及60 km/h車速時路面三方向最大振動速度實測值不大于0.15 mm/s，最大振動加速度實測值不大于3.0 mm/s2；

(4) 文物區段車速應控制在60 km/h以內，運營車流量不應超出二級公路限值；

(5) 道路與文物本體間在不影響景觀效果前提下盡可能多種植高大植被；

(6) 建議盡早對危險古建筑文物修繕、加固。

5 結 論

本文以環島路建設與運營對虎門炮臺舊址影響評估為工程背景，提出全過程性能化分析方法，通過有限元分析與現場實測等手段對古建文物進行振動安全性評估，結論如下：

(1) 現場實測確定關鍵技術參數及有限元分析進行參數化研究、預測的性能化分析方法可用于預測公路交通所致古建文物振動安全性及公路交通規劃，方法可靠、可行；

(2) 通過實測、計算、研究給出的古建文物振動速度與車輛運行車重、車速、同行車輛數變化規律及與隔振溝尺度變化規律；

(3) 城市內公路設計車輛(非超載、超速)運行時按本文建議可實現古建筑文物振動控制指標。

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