汽车所致虎门遗址振动全过程性能化研究

葛家琪，马伯涛，庞玉涛，王仕俊，杨维国，张 楠

(1.中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120；2.聊城市规划建筑设计院有限公司，山东 聊城 252000；3.河南艺术中心，郑州 450046；4.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

随着我国铁路、高铁、公路及城市轨道建设的迅猛发展，交通网络不断密集，流量不断增加。工业、交通振动对建筑及文物危害属微振动疲劳损伤，短期内难易发觉，但已逐渐被重视，并研究各种防振技术措施[1-2]。交通振动主要有轨道、公路交通。周裕德等[3]结合上海音乐厅迁址工程，采用类比调查法在衡山路段附近进行测试，距地铁线8 m处，地铁经过时振级约84 dB，主要频段在40～100 Hz；某城市地铁列车在建筑首层以15～25 km/h速度通过时，建筑3层楼面实测加速度达85 dB，西直门城铁附近100 m处5层居民楼，列车通过时室内感觉到强烈振动，门窗、家具等玻璃发出响声，甚至一段时间后家具因振动而移位[4]；欧洲某公路或轨道交通线附近古砖石建筑因车辆通过时引起的振动产生裂缝最终倒塌[5]。

虎门炮台旧址为第二批全国重点文物保护单位。修建的威远岛环岛路在定洋炮台区段由于道路穿行山中，曲率半径不得小于200 m，评估前环岛路机动车行车道距文物本体(清兵营房)仅48 m，见图1。公路交通荷载引起的振动可能对文物产生不利影响，应进行交通振动的文物性能化评估及预测，保证文物在全寿命期内的安全性。文物安全性能化研究为综合运用结构高等分析手段与工程方法达到既定文物安全性能目标的系统研究，包括安全指标确定、振动响应预测及振动响应控制，即据文物结构形式、材质、重要等级等确定不同的安全控制指标，采用适宜试验实测及分析评估预测方法及防护措施。目前我国文物防振保护研究尚处初级阶段，预测及评估方法有待结合具体工程进一步完善[6]。

1 防振安全性能化评价标准

针对不同振源对古建筑物影响，GB/T 50452- 2008《古建筑防工业振动技术规范》规定：古建筑结构容许振动速度应据结构类型、保护级别及弹性波在古建筑结构中的传播速度选用。古建筑砖结构容许振动速度见表1。定洋炮台区兵房结构及炮台结构实测弹性波速Vp分别为1078 m/s及2073 m/s。由于该炮台为全国重点保护文物，故由表1获得兵房、炮台结构振动允许速度分别为0.15 mm/s及0.19 mm/s。

表1 古建筑砖结构容许振动速度v (mm/s)

2 计算机仿真模型与试验验证研究

2.1 重车激振现场实测

现场实测采用55 t重型卡车，以60 km/h车速驶过待建公路路基，同时测量兵房拱顶、基座及公路路基三方向振动。位置关系示意见图2,测试结果见表2。

由表2可得公路路基至兵房基座的衰减系数(后者与前者速度比)在顺路向、横路向及垂向分别为0.192、0.469，0.363；兵房拱顶相对兵房基座在顺路向、横路向及垂向分别放大2.27，3.69，2.62。

表2 公路近地面测试记录峰值统计

图2 公路、兵房、炮台位置关系示意图

2.2 性能化模型分析与校准

据地形图、地质勘查资料建立有限元模型。用solid95实体单元模拟土体，用shell63壳单元模拟兵房，见图3、图4。土体模型中最大单元格尺寸为2 m，可满足所需结果精度，边界条件用粘弹性人工边界[7], 避免边界反射等造成的影响[8]。

为验证有限元模型的正确性及可靠性，对模型施加车重、速度及行车位置均与实测相同，即车重55 t，速度60 km/h，路边测点距行车线约7 m。本文模型车辆荷载以接地压力形式传至路面单元，按等效节点荷载形式施加于单元节点。汽车以移动荷载列形式在有限元模型中加载[9]。提取的有限元模型中与工程实测点相同位置处动力响应见表3。由表3看出，有限元分析结果与实测结果吻合较好；个别数值差别较大。原因为公路交通振动能量较小，且处于施工阶段，路面不平易造成汽车摇摆；外界干扰(如人员的走动等)对测试结果影响较大。因此认为用有限元模型模拟工程实际振动可行。据模型对道路不同工况的车辆荷载进行分析，给出各工况振动激励对文物保护区各方向振动响应，评估文物的安全性。

表3 有限元计算与现场实测速度对比

3 性能化分析研究

3.1 分析荷载选取

该公路等级为二级，为提高安全储备，用一级公路标准计算。据JTGB01- 2003《公路工程技术标准》规定，一级公路为专供汽车分向、分车道行驶，并据所需控制出入多车道公路；六车道高速公路能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量25000～55000辆。《中华人民共和国道路交通安全法》规定：高速公路行驶车速超过100 km/h时安全车距为100 m；低于100 km/h时最小安全车距不得小于50 m。

3.2 工况

为研究不同车速、车重及隔振沟深度对振动传递及振动响应影响，本文考虑3种工况。

(1)动力效应研究。计算无隔振沟时土体衰减规律及兵房拱顶动力放大系数。主要分析固定车重(55 t)时改变车速为40 km/h，60 km/h，80 km/h；固定车速(60 km/h)时改变车重为5 t，10 t，55 t。

(2)隔振沟尺度研究。计算有隔振沟时土体的振动衰减规律。用车重55 t、车速60 km/h时重型车激励，沟宽1 m，改变沟深为0 m，1.5 m，3 m，6 m。

(3)多车效应研究。据(2)确定的沟深，考虑多车行驶时的振动影响。多车行驶分为多车道同向并行与同车道多车同向行驶两种。据一级公路及法规规定，考虑最不利的多车组合，即55 t，10 t两种情况，3车道3车并行及同车道2车同向行驶时分析古建筑文物的振动响应。

3.3 各工况计算结果分析

3.3.1 工况1动力效应研究

(1)对车重55 t，车速40 km/h，60 km/h，80 km/h时分析不同车速对地面振动影响。用有限元分析获得顺路向、横路向及垂向峰值速度随距离变化规律见图5。由图5看出，随距离的增加地面振动响应减小。

表4 改变车速时衰减系数对比

表5 改变车速时兵房拱顶最大速度及动力放大系数

兵房基座(35 m)、炮台处(85 m)振动速度响应衰减见表4。由表4看出，车速越快顺路向、横路向及垂向衰减越明显；距行车道越近衰减速度越快。综合考虑兵营基底处速度衰减系数取0.35，即65%的衰减；炮台处速度衰减系数取0.25，即75%的衰减。

兵房拱顶最大速度及兵房拱顶相对兵房基座放大系数见表5。顺路向、垂向兵房拱顶动力放大系数变化分别为2.3～2.6及2.7～3.4；横路向兵房拱顶动力放大系数随速度增加而减小，且车速每增加20 km/h，动力放大系数减小为50%。

(2)对车速60 km/h、车重5 t，10 t，55 t时分析不同车重对地面振动响应影响。计算分析获得顺路向、横路向及垂向峰值速度随距离的变化规律见图6。由图6看出，距离越远地面振动响应越小；车辆载重增加振动响应基本呈线性增加。

图5 改变车速时振动响应

图6 变车重时振动响应

改变车重，兵房基座(35 m)及炮台处(85 m)振动速度衰减见表6。由表6看出，改变车重三方向衰减变化不明显，车重为5 t，10 t，55 t时兵房基座振动速度衰减51%～68%、51%～68%、51%～ 67%；炮台振动速度衰减50%～85%、54%～80%、60%～85%。综合考虑兵房基底处速度衰减系数取0.35，即65%的衰减；炮台处速度衰减系数取0.2，即80%的衰减。

表6 改变车重时衰减系数对比

兵房拱顶最大速度及放大系数见表7。由表7看出，车重不同，顺路向、垂向拱顶动力放大系数变化为依次为2.3～2.5，3.4～3.7；横路向拱顶动力放大系数随车重的增加而增加，车重越大动力系数增加越缓慢。

表7 改变车重时兵房拱顶最大速度及动力放大系数

由以上分析及表1知，车重为55 t时不采取任何减振措施，汽车行驶造成兵房拱顶水平速度接近或超过限值0.15 mm/s，55 t车重时对兵房可能造成损坏；车重5 t，10 t的单辆车以40 km/h、60 km/h、80 km/h速度行驶所致兵房拱顶水平振动速度远小于0.15 mm/s，不会对兵房造成破坏。

3.3.2 工况2隔振沟尺度研究

用车重55 t、车速60 km/h重型卡车，改变隔振沟深度，分别取无沟(0 m)，1.5 m，3.0 m，6.0 m进行计算，研究隔振沟对振动响应衰减规律影响。获得顺路向、横路向、垂向峰值速度变化曲线见图7。兵房基座及炮台处振动速度响应衰减见表8。由表8看出，兵房基座处横路向、顺路向振动速度随隔振沟深度增加而减小，沟深6 m时振动速度较无沟时降低12%，垂向速度响应衰减不明显，沟深6 m时降低7%；炮台处横路向、顺路向振动速度随隔振沟深度增加而降低，沟深6 m时振动速度较无沟时降低8%，垂向速度响应衰减不明显，沟深6 m时衰减8%。

由以上分析知，在路边设置隔振沟有利于控制土体振动响应，且隔振沟深度与隔振效果成正比，即隔振沟愈深隔振效果愈明显；水平隔振效果优于竖向；但考虑工程实施情况，隔振沟设置太深会限制其效率发挥。本工程建议排水沟兼做隔振沟，深3 m，可使振动速度减小约8%。结合工况1及表5、表7结果知，车速控制在60 km/h以内时，3种车重引起的兵房拱顶水平最大速度不超0.15 m/s，可满足表1要求。

3.3.3 工况3多车效应研究

用工况2结论，取沟深3 m分析多车行驶时地面的振动响应。考虑多条车道并行及同车道多车影响。通过施加在有限元模型同向、同速两辆移动车辆荷载，分析同车道多车振动效应叠加影响。多车道主要参考相关规范对单车道、多车道荷载组合及折减方法。车道数越多出现最不利加载几率越小。桥涵设计车道数≥2时汽车荷载所致效应按JTG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》的多车道横向折减系数折减，见表9，折减后效应不得小于两条设计车道荷载效应。

图7 改变隔振沟深振动响应

表8 改变沟深衰减系数对比

3.3.3.1 多车道并行

图8 车重55t三车道振动响应

考虑车重55 t、10 t，速度60 km/h 时3辆汽车并行情况。用表9折减系数计算两种多车并行结果见图8、图9。由图8、图9看出，与工况1中(2)分析结论一致，地面振动响应与车重近似正比关系。

车重55 t据工况1计算所得兵房拱顶动力放大系数规律，3车并行时兵房拱顶最大速度峰值超过表1限值0.15 mm/s，应予以避免；车重10 t以下3车并行时所致振动远小于0.15 mm/s，不会对古建筑文物产生破坏。

表9 多车道横向折减系数

3.3.3.2 同车道多车行驶与单车对比

车重10 t、55 t，速度60 km/h时两车相距60 m同车道行驶，与单车行驶对比见表10。由表10看出，10 t时公路路基处两车产生的振动响应分别是单车时的0.9～2.1倍，兵房基座处两车产生的振动响应分别是单车时的1.6～3.2倍，炮台处两车产生的振动响应分别是单车时的1.1～1.5倍；55t时，公路路基处两车产生的振动响应分别是单车时的0.8～ 2.0倍，兵房基座处两车产生的振动响应分别是单车时的1.6～3.2倍，炮台处两车产生的振动响应分别是单车时的1.1～1.5倍。

图9 车重10 t三车道振动响应

表10 单车与多车振动响应对比

据分析结果，多车振动响应与单车振动响应比值不会随车重的改变而改变；除兵房基座附近外，多车速度响应不会超过单车响应乘以车辆数；兵房基座处多车响应超过单车响应乘以车辆数的原因为由于两车产生的振动波在此处叠加发生驻波所致。综合考虑三向振动，在有限元分析中模拟单车道多车振动响应可用相同数量单车振动响应折减获得，折减系数范围0.44～1.05，建议取0.8。距行车道大于35 m处，地面振动响应局部略有增加，其原因可能与振动传播中不同土层间反射、土体参数及地形地貌等因素有关，与文献[10]实测结果吻合。

4 建 议

为充分保障文物安全，在性能化分析基础上，对工程建设提出几点建议：

(1) 定洋炮台区段整个文物建设控制地带内，路边应设置隔振沟，沟宽1 m，沟深3 m；

(2) 文物相关路段应合理安排施工计划，先进行隔振沟施工。在确保工程质量前提下，文物区段应采用振动最小的小型机械设备，确保道路施工过程中路面三方向最大振动速度实测值不大于0.15 mm/s、最大振动加速度实测值不大于3.0 mm/s2；

(3) 文物相关路段路面设计时宜选减振效果良好的路面及路基结构，确保道路设计运营期(15年)内车流量及60 km/h车速时路面三方向最大振动速度实测值不大于0.15 mm/s，最大振动加速度实测值不大于3.0 mm/s2；

(4) 文物区段车速应控制在60 km/h以内，运营车流量不应超出二级公路限值；

(5) 道路与文物本体间在不影响景观效果前提下尽可能多种植高大植被；

(6) 建议尽早对危险古建筑文物修缮、加固。

5 结 论

本文以环岛路建设与运营对虎门炮台旧址影响评估为工程背景，提出全过程性能化分析方法，通过有限元分析与现场实测等手段对古建文物进行振动安全性评估，结论如下：

(1) 现场实测确定关键技术参数及有限元分析进行参数化研究、预测的性能化分析方法可用于预测公路交通所致古建文物振动安全性及公路交通规划，方法可靠、可行；

(2) 通过实测、计算、研究给出的古建文物振动速度与车辆运行车重、车速、同行车辆数变化规律及与隔振沟尺度变化规律；

(3) 城市内公路设计车辆(非超载、超速)运行时按本文建议可实现古建筑文物振动控制指标。

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