路面交通誘發古建筑振動測試與分析

魏陸順 林霞娟 陳睦鋒 張璐

摘 要：對某古建筑在路面交通作用下的振動響應進行了現場實測和數值模擬。首先對結構振動速度與加速度響應進行了現場實測，然后計算了結構模型在實測數據輸入下的振動響應，最后分析了交通路況對古建筑的影響。分析結果表明：路面交通引起古建筑水平向振動主要在3～15Hz范圍內，以低頻振動為主；豎向振動第一階頻率約為8Hz，振動豎向幅值較水平幅值大；結構的一階頻率與車輛振動頻率接近是導致古建筑振動幅值較大的原因。

關鍵詞：交通振動；古建筑；振動響應；模型分析

中圖分類號：TU311.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）11-0047-03

Abstract： The field measurement and numerical simulation of the vibration response of an ancient building under the action of road traffic are carried out. First， the vibration velocity and acceleration response of the structure are measured on the spot； then the vibration response of the structure model under the measured data input is calculated； finally， the influence of the traffic conditions on the ancient buildings is analyzed. The results show that the horizontal vibration of ancient buildings caused by road traffic is mainly within the range of 3～15 Hz， the low frequency vibration is dominant， the first order frequency of vertical vibration is about 8 Hz， and the vertical amplitude of vibration is larger than that of horizontal vibration. The first order frequency of the structure is close to the vibration frequency of the vehicle， which is the reason for the larger vibration amplitude of the ancient building.

Keywords： traffic vibration； ancient buildings； vibration response； model analysis

1 概述

交通振動是指因交通車輛引起的結構振動通過周圍的介質向外傳播，從而誘發附近建筑物（包括室內設備，精密儀器，家具等）二次振動和噪聲，并造成建筑物地基下沉，墻體開裂。近年來，隨著我國的交通量持續增長，交通振動對古建筑的影響顯得日益突出[1]，因此，有必要根據振動技術規范對古建筑進行振動響應測試和相關分析，進一步保護古建筑。孫獻倫[2]研究了一座四層的磚木結構在不同車速下的典型車輛荷載激勵下的振動響應；李宇東[3]對地鐵列車及路面交通引起木結構古建筑微振動進行了預測研究；李克飛[4]研究了古建筑在既有地鐵交通和路面交通作用下的振動響應及其結構振動響應的傳播規律；孟昭博[5]建立了多輛車并行時環形道路交通引起的地面振動衰減實用計算公式。

本文對一古建筑在路面交通作用下的振動響應進行了現場測試和有限元模型的計算分析。依據《城市區域環境振動標準》（GB10070-1988）[6]對建筑各層樓面振動速度及底層、室外靠近路面一側的加速度響應進行了現場測試，隨后建立結構動力模型對其進行模態分析和動力響應分析，根據現場測試結果和計算結果分析了現況交通振動及路況改變后對結構的影響。

2 古建筑概況

該建筑為三層券拱的西式建筑，混合結構，屬于全國重點文物保護單位，具有重大的歷史價值、科學價值、社會價值。結構現狀如圖1所示，經過現場勘察，個別處可見輕微裂縫，未發現結構性裂縫。由于該建筑臨近繁忙的交通路線，為確定交通振動作用下對結構影響，對該文物進行現場振動測試，并進行結構分析。

依據《古建筑防工業振動技術規范》GB/T50452-2008[7]，古建筑容許振動限值應符合表1的規定。

3 現場振動測試

測試系統采用丹麥B&K;公司PULSE系統，在結構的二層、三層樓面各布置了2個測點，測點布置見圖2，現場測試如圖3所示。為模擬交通路況改變對結構的影響，對結構底層水平向和豎向加速度進行了現場測試，采用記錄到的加速度數據作為結構模型的輸入，對結構模型進行計算分析。

對二層、三層樓面A和B測點共進行了5次測試，其速度測試結果如表2所示，三層A測點的頻譜曲線如圖4所示。現場測量二層、三層速度振動幅值滿足《古建筑防工業振動技術規范》（GBT50452-2008）限值0.15mm/s要求；車輛通過時對結構振動有較大影響，此時三層樓面的速度幅值在0.038～0.069mm/s；現場測試的水平振動主要在3Hz～15Hz頻率范圍，為低頻振動為主。

4 結構模型計算分析

采用SAP2000軟件建立的有限元模型如圖5所示。結構X向1階頻率為3.25Hz（見圖6），Y向1階頻率為4.20Hz。

結構振動速度幅值分析結果見表3。在現交通條件下，三層結構振動幅值滿足規范限值0.15mm/s的要求，頂層結構振動幅值接近限值0.15mm/s；結構X、Y向一階頻在3.25～4.20Hz，與車輛通過測試的一階頻率接近，是結構振動幅值較大的原因。

5 結束語

通過對一古建筑結構在交通振動作用下的現場測試和有限元模型的計算，結果表明，車輛通過時對結構振動有較大影響，三層結構振動幅值滿足規范限值0.15mm/s的要求，而頂層結構振動幅值接近規范限值0.15mm/s；路面交通引起古建筑水平向振動主要在3～15Hz范圍內，以低頻振動為主；豎向振動第一階頻率約為8Hz，振動豎向幅值較水平幅值大；該古建筑結構X、Y向一階頻率在3.25～4.20Hz，與汽車通過測試的一階頻率接近，是結構振動幅值較大的原因。

參考文獻：

[1]Bata M. Effect on buildings of vibrations caused by traffic[J].Building Science，1985，99（1）：1-2.

[2]孫獻倫.道路交通荷載激勵下可園邀山閣振動響應研究[D].華南理工大學碩士學位論文，2015.

[3]李宇東，馬蒙，等.地鐵列車及路面交通引起古建筑微振動預測研究[J].都市軌道交通，2014，27（3）.

[4]李克飛.交通振動對臨近古建筑的動力影響測試分析[J].北京交通大學學報，2011，35（1）.

[5]孟昭博.西安鐘樓的交通振動響應分析及評估[D].西安建筑科技大學，2009.

[6]國家環境保護總局.城市區域環境振動標準：GB10070-1988[S].北京：中國標準出版社，1988.

[7]GB/T 50452-2008.古建筑防工業振動技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008.