基于交通振動環境下建筑結構損傷機理及減振隔振的研究現狀

丑亞玲,劉文高,喬 雄,倪偉淋

(蘭州理工大學 土木工程學院,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,世界交通運輸產生了革命性的變化,大大促進了人類社會的進步和科學技術的發展。但是隨之而來的各種環境振動問題接踵而至,由于交通而產生的振動對現代建筑[1-4]、古建筑[5-8]、精密儀器[9-12]等的損害案例比比皆是。交通振動的產生與傳播是一個復雜的異常過程,是一個高頻率和低頻率振動的復合體,高頻振動衰減快,低頻振動衰減慢[13],其產生的振動問題較為復雜。數據統計表明,除了工廠作業振動和建筑工程施工振動外,人們反應最為強烈的振源即為道路交通振動[14]。交通振動對建筑結構的影響主要體現在振動的持久性和復雜性上,這種振動既可能造成脆性建筑結構的疲勞損壞,也可能造成建筑物產生不均勻沉降,嚴重的會導致建筑主體的開裂甚至倒塌。而目前關于交通振動影響下建筑結構的損傷機理研究不夠全面,控制標準沒有統一的規范可以依靠,減振隔振措施缺乏科學的評價標準。因此,開展交通振動環境下建筑結構的損傷機理及減振隔振方面的相關研究,具有重要的理論價值和實際意義。

本文對已有研究成果進行梳理分析,從交通振動對建筑結構影響的研究方法、建筑結構振動控制標準、建筑結構疲勞損傷和建筑結構減振隔振措施四個方面,總結分析交通振動環境下建筑結構損傷機理以及建筑結構減振隔振方面的研究現狀。

1 交通振動對建筑影響的研究方法

目前,交通振動對臨近建筑物影響的研究已有了長足的發展。在國外,Chikaaki[15]最早開始致力于交通振動的研究,提出了交通振動環境下高架鐵路橋梁的振動形式,為后來交通振動的發展提供了先導性的理論基礎。而我國關于交通振動方面的研究最早開始于茅玉泉[16]對交通運輸車輛引起的地面振動特性和衰減的研究,采用數理統計復合回歸的方法,探討了振動傳播的衰減規律,提出了地面垂直和水平振動衰減的經驗公式,以此為開始,我國對于交通振動方面的研究有了突破性的進展。

由于目前交通行業的快速發展,對于交通所產生振動的研究得到了學術界的廣泛關注,表1列出了目前國內外關于交通振動環境下建筑結構受損情況的部分研究案例及其主要研究方法。

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

由表1可以看出,目前關于交通振動環境下建筑結構受影響的研究方法主要有4種:(1)根據現場實際情況進行測試和數值計算相結合的方法;(2)基于有限元模型的數據分析方法;(3)預測模型的建立和現場實測數據對比方法;(4)根據國家標準和規定的經驗分析法。

基于這4種方法,在研究交通振動問題時,可根據所研究項目選定相適應的方法,4種研究方法各有優缺點,在確定研究方法時,應充分考慮各種環境因素以及現場條件的限制,以此來選定最終的研究方法。目前選用最多的為現場實測和數值分析相結合的方法,此方法可以避免由于經驗分析帶來的缺乏通用性的問題,同時也可以避免由于預測模型所帶來的不確定性以及數據參數的不確定性帶來的誤差因素,也可以避免由于單一數據分析引起結論的不完整性問題,同時該方法可以與預測模型相結合來提高試驗研究的精確性和嚴謹性。

2 建筑結構振動控制標準的研究現狀

目前我國關于振動對建筑結構控制標準的劃分,主要分為現代建筑和古建筑,對于比較脆弱的文物建筑,國家現行的振動標準來源于《古建筑防工業振動技術規范》[35]。對于古建筑結構控制標準見表2。

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

根據《城市區域環境振動標準》[36]中規定,在連續發生穩態振動、沖擊振動和無規律振動的建筑結構區域附近內應滿足表3的標準要求。

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

根據我國現行標準《建筑工程容許振動標準》GB 50868-2013[37]規定,交通振動對建筑結構影響在時域范圍內的容許振動值,宜按表4的規定采用。根據德國標準DIN4150-3-1999[38]中對各種振源對鄰近建筑物的振動影響,其控制標準如表5所列。通過對比我國和德國交通振動對建筑結構影響的容許振動值可以看出,我國對于交通振動的控制標準較為嚴格,特別是我國古建筑振動標準的嚴格性要遠遠高于國外[39]。但在目前關于普通建筑物對交通振動控制標準的研究上,這些標準在制定和使用時依然存在著一些問題,由于交通振動而引起臨近建筑物動力響應的評價標準沒有統一的規范可尋,仍然存在有很多問題未得到解決,在振動控制的標準制定上專家學者未達成一致[40-42]。例如在《古建筑防工業振動技術規范》中,關于古建筑的振動評價指標是速度;在《城市區域環境振動標準》中,通常用Z振級為振動評價標準,同時多采用整個頻段的總響應量作為結果;而在《建筑工程容許振動標準》中,又以振動速度作為古建筑和結構物兩種建筑的共同評價指標。

表4 交通振動對建筑結構影響在時域范圍內的容許振動值Table 4 Allowable value of traffic-induced vibration of building structures in time domain

表5 德國交通振動對建筑結構影響在時域范圍內的容許振動值Table 5 Allowable value of traffic-induced vibration of German building structures in time domain

綜上分析可以得出,目前相關規范和標準存在以下問題:

(1) 關于交通振動對建筑結構影響的評價沒有統一的規范和標準可以進行參考。

(2) 對于不同材料的建筑結構沒有給出確切的振動容許值,而且在建筑物類型劃分時只給出了這一類建筑物振動標準。

(3) 同一類建筑物中建筑結構的類型仍然會有很大的差距,因此對于建筑振動控制標準的劃分過于粗略,不能夠精確的描述出不同建筑結構類型的振動控制標準。

結構在疲勞破壞前所經歷的應力循環數稱為疲勞壽命,即在給定重復荷載作用下使結構破損所必需的應力或應變循環次數。現在普遍認為應力變化范圍是影響疲勞壽命的主要因素。因為振動波在傳播過程中,某一點的振動位移為[43-44]

u=Asin(kx-ct)

(1)

式中:A為位移振動最大幅值;c為波速;k為常數。

振動速度為

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

(2)

單位距離的位移變化量為

du/dx=kAcos(kx-ct)

(3)

根據應變定義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)

因此為了能夠科學準確的評估不同建筑結構的抗振能力,建議將建筑結構的疲勞性能作為研究的對象,將疲勞壽命作為建筑結構振動容許值的參考依據,考慮到建筑材料以及結構在環境作用下的累積損傷效應[45-47],提出建筑結構在交通振動環境下振動疲勞和剩余壽命評估的方法,為建筑結構在交通振動環境下的振動控制標準提供理論參考和科學依據。

3 建筑結構疲勞損傷研究現狀

目前關于交通振動作用下對建筑結構產生疲勞損傷影響的分析,國內外均處在一個探索研究的階段,而關于交通振動激勵下的疲勞分析,大都集中在橋梁、隧道以及建筑材料的研究上,近年來關于建筑結構的疲勞損傷主要研究工作列于表6。

表6 建筑結構的疲勞損傷主要研究工作Table 6 Main research work on fatigue damage of building structures

結構在循環應力或循環應變作用下,由于某點或某些點產生了局部的永久性結構變化,從而在一定的循環次數以后形成裂紋或發生斷裂的過程稱為疲勞。由于交通產生的振動會持續對建筑結構產生長久的影響,雖然在短時間內由交通振動產生的能量較小,但建筑長期在這種微振動的作用下,會產生疲勞損傷響應,損傷將不斷增長、累積,最終造成結構的破壞加劇,嚴重的還會導致建筑物的開裂和倒塌。趙奎等[48]通過實驗發現,加載與卸載階段都會產生損傷,且損傷隨應力的增大而增大,因此建筑物在反復受到交通荷載的情況下會產生疲勞損傷效應。

對于交通振動影響下建筑結構疲勞損傷的研究,應當充分的考慮到在自然環境的影響下,建筑物會由于不同頻率的周期荷載、凍融環境和硫酸鹽腐蝕環境、風荷載以及地表微振動等的影響下材料損傷不斷積累,從而導致建筑物的主體產生裂縫并不斷的擴展。

綜上所述:

(1) 國內外關于建筑結構損傷機理的研究沒有一個系統性的理論思想,使得此方面的研究比較零散。由于沒有統一的理論可以去依靠,國內外對于建筑結構在交通激勵作用下的損傷機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,需要將由于環境因素而造成建筑物的損傷考慮在內,在此基礎上再進行交通振動影響的研究,同時也要考慮環境因素與交通振動因素耦合的情況,先對建筑物進行損傷機理因素分析,避免單一考慮某一方面的影響而造成結構安全分析的片面性和局限性。

4 建筑結構減振措施研究現狀

車輛產生振動的原因是輪轂與軌道或者地面之間相互作用,產生的振動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]通過對交通振動問題的研究提出了振動可以分為三個系統:振源系統、振動傳遞路徑系統和受振體系統。結合交通振動的產生機理、傳播的性質以及對建筑結構影響的因素,對交通振動的防治可以從產生振動的振源主動減振,在振動傳播過程中切斷傳遞路徑和對受振體進行積極地采取隔振措施。目前關于交通振動的隔振減振研究現狀如表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，W/K；Δt1為試件框冷熱面溫差，K；f2為熱箱外壁熱流系數，W/K；Δt2為熱箱內外表面溫差，K；Δt為試件冷熱表面溫差，K；A為試件面積m2；Δt熱為熱面設定溫度與填充板熱面溫度之差(取絕對值)，K；Δt冷為冷面設定溫度與填充板冷面溫度之差(取絕對值)，K.

表7 交通振動的隔振減振研究現狀Table 7 Research status of traffic vibration isolation and reduction

目前關于交通振動的研究主要集中在高頻振動,現在常規減振隔振材料能夠有效地控制20 Hz以上頻率的振動[62],而對于低頻振動的控制研究較少,因此在未來應加大對低頻振動的研究,采用新的規范,減少由于低頻振動帶來的危害。雖然當前關于交通振動的減振材料和方法較多,但仍存在著一些不足,例如:減振方法的控制標準不統一;減振材料的研究缺乏科學的評價標準;減振材料性能的表述不夠明確:減振隔振材料價格的參差不齊。故應逐步建立起關于交通振動控制方法和減振隔振材料的專項管理制度,出臺相應的規定和標準,在保障安全的前提下,做到建筑結構在振動條件下安全、經濟、環保。

5 結論

通過以上的論述,可以得出以下結論:

(1) 目前國內外關于交通振動的研究方法主要有4種:根據現場實際情況進行測試和數值計算相結合的方法;有限元軟件的應用和數據分析的方法;預測模型的建立和現場實測數據對比的方法;根據國家標準和規定的經驗分析法。目前最有效和最常用的為現場實測和數值分析的方法,而對于不同的研究項目會有其不同的適用研究方法,因此在進行研究時應根據實際情況來選擇。

(2) 通過對國內外目前交通振動控制標準的研究對比分析,我國關于交通振動控制的標準要嚴格高于國外。但由于目前交通振動控制標準的不統一,存在著一定的問題,因此本文建議將建筑結構的疲勞性能作為研究的對象,將疲勞壽命作為建筑結構振動容許值的參考依據,提出建筑結構在交通振動下的振動疲勞和剩余壽命評估的方法,能夠為建筑結構在交通振動環境下的振動控制標準提供參考和科學依據。

(3) 在研究分析交通振動的產生形式以及建筑結構在交通振動下的受損機理中,提出建筑物在交通荷載影響下的疲勞損傷時,需要將由于環境因素而造成建筑物的損傷考慮在內,在此損傷的基礎上再進行交通振動影響的研究,同時也要考慮環境因素與交通振動因素耦合的情況。

(4) 由于交通振動是一個復雜的振動形式,目前關于交通振動的研究大多集中在高頻振動以及如何控制高頻振動,常規的隔振減振措施能夠有效的降低20 Hz以上頻率的振動,但對于低頻振動的控制卻一直是一個亟待解決的問題。同時當前隔振減振材料的品種繁多,沒有科學的評價標準,應逐步建立起關于交通振動控制方法和減振隔振材料的專項管理制度,在保證經濟和安全的前提下實現減振隔振的目標。