基于交通振动环境下建筑结构损伤机理及减振隔振的研究现状

丑亚玲,刘文高,乔 雄,倪伟淋

(兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050)

0 引言

自1825年世界上第一条铁路在英国建成通车开始,世界交通运输产生了革命性的变化,大大促进了人类社会的进步和科学技术的发展。但是随之而来的各种环境振动问题接踵而至,由于交通而产生的振动对现代建筑[1-4]、古建筑[5-8]、精密仪器[9-12]等的损害案例比比皆是。交通振动的产生与传播是一个复杂的异常过程,是一个高频率和低频率振动的复合体,高频振动衰减快,低频振动衰减慢[13],其产生的振动问题较为复杂。数据统计表明,除了工厂作业振动和建筑工程施工振动外,人们反应最为强烈的振源即为道路交通振动[14]。交通振动对建筑结构的影响主要体现在振动的持久性和复杂性上,这种振动既可能造成脆性建筑结构的疲劳损坏,也可能造成建筑物产生不均匀沉降,严重的会导致建筑主体的开裂甚至倒塌。而目前关于交通振动影响下建筑结构的损伤机理研究不够全面,控制标准没有统一的规范可以依靠,减振隔振措施缺乏科学的评价标准。因此,开展交通振动环境下建筑结构的损伤机理及减振隔振方面的相关研究,具有重要的理论价值和实际意义。

本文对已有研究成果进行梳理分析,从交通振动对建筑结构影响的研究方法、建筑结构振动控制标准、建筑结构疲劳损伤和建筑结构减振隔振措施四个方面,总结分析交通振动环境下建筑结构损伤机理以及建筑结构减振隔振方面的研究现状。

1 交通振动对建筑影响的研究方法

目前,交通振动对临近建筑物影响的研究已有了长足的发展。在国外,Chikaaki[15]最早开始致力于交通振动的研究,提出了交通振动环境下高架铁路桥梁的振动形式,为后来交通振动的发展提供了先导性的理论基础。而我国关于交通振动方面的研究最早开始于茅玉泉[16]对交通运输车辆引起的地面振动特性和衰减的研究,采用数理统计复合回归的方法,探讨了振动传播的衰减规律,提出了地面垂直和水平振动衰减的经验公式,以此为开始,我国对于交通振动方面的研究有了突破性的进展。

由于目前交通行业的快速发展,对于交通所产生振动的研究得到了学术界的广泛关注,表1列出了目前国内外关于交通振动环境下建筑结构受损情况的部分研究案例及其主要研究方法。

表1 目前针对交通振动研究的相关案例Table 1 The related cases of traffic vibration research at present

由表1可以看出,目前关于交通振动环境下建筑结构受影响的研究方法主要有4种:(1)根据现场实际情况进行测试和数值计算相结合的方法;(2)基于有限元模型的数据分析方法;(3)预测模型的建立和现场实测数据对比方法;(4)根据国家标准和规定的经验分析法。

基于这4种方法,在研究交通振动问题时,可根据所研究项目选定相适应的方法,4种研究方法各有优缺点,在确定研究方法时,应充分考虑各种环境因素以及现场条件的限制,以此来选定最终的研究方法。目前选用最多的为现场实测和数值分析相结合的方法,此方法可以避免由于经验分析带来的缺乏通用性的问题,同时也可以避免由于预测模型所带来的不确定性以及数据参数的不确定性带来的误差因素,也可以避免由于单一数据分析引起结论的不完整性问题,同时该方法可以与预测模型相结合来提高试验研究的精确性和严谨性。

2 建筑结构振动控制标准的研究现状

目前我国关于振动对建筑结构控制标准的划分,主要分为现代建筑和古建筑,对于比较脆弱的文物建筑,国家现行的振动标准来源于《古建筑防工业振动技术规范》[35]。对于古建筑结构控制标准见表2。

表2 古建筑容许振动速度[ν](单位:mm/s)Table 2 Allowable vibration rate of ancient architecture[ν](Unit:mm/s)

根据《城市区域环境振动标准》[36]中规定,在连续发生稳态振动、冲击振动和无规律振动的建筑结构区域附近内应满足表3的标准要求。

表3 城市各类区域铅垂向Z振级标准值表(单位:dB)Table 3 Standard value of vertical vibration in various urban areas (Unit:dB)

根据我国现行标准《建筑工程容许振动标准》GB 50868-2013[37]规定,交通振动对建筑结构影响在时域范围内的容许振动值,宜按表4的规定采用。根据德国标准DIN4150-3-1999[38]中对各种振源对邻近建筑物的振动影响,其控制标准如表5所列。通过对比我国和德国交通振动对建筑结构影响的容许振动值可以看出,我国对于交通振动的控制标准较为严格,特别是我国古建筑振动标准的严格性要远远高于国外[39]。但在目前关于普通建筑物对交通振动控制标准的研究上,这些标准在制定和使用时依然存在着一些问题,由于交通振动而引起临近建筑物动力响应的评价标准没有统一的规范可寻,仍然存在有很多问题未得到解决,在振动控制的标准制定上专家学者未达成一致[40-42]。例如在《古建筑防工业振动技术规范》中,关于古建筑的振动评价指标是速度;在《城市区域环境振动标准》中,通常用Z振级为振动评价标准,同时多采用整个频段的总响应量作为结果;而在《建筑工程容许振动标准》中,又以振动速度作为古建筑和结构物两种建筑的共同评价指标。

表4 交通振动对建筑结构影响在时域范围内的容许振动值Table 4 Allowable value of traffic-induced vibration of building structures in time domain

表5 德国交通振动对建筑结构影响在时域范围内的容许振动值Table 5 Allowable value of traffic-induced vibration of German building structures in time domain

综上分析可以得出,目前相关规范和标准存在以下问题:

(1) 关于交通振动对建筑结构影响的评价没有统一的规范和标准可以进行参考。

(2) 对于不同材料的建筑结构没有给出确切的振动容许值,而且在建筑物类型划分时只给出了这一类建筑物振动标准。

(3) 同一类建筑物中建筑结构的类型仍然会有很大的差距,因此对于建筑振动控制标准的划分过于粗略,不能够精确的描述出不同建筑结构类型的振动控制标准。

结构在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命,即在给定重复荷载作用下使结构破损所必需的应力或应变循环次数。现在普遍认为应力变化范围是影响疲劳寿命的主要因素。因为振动波在传播过程中,某一点的振动位移为[43-44]

u=Asin(kx-ct)

(1)

式中:A为位移振动最大幅值;c为波速;k为常数。

振动速度为

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

(2)

单位距离的位移变化量为

du/dx=kAcos(kx-ct)

(3)

根据应变定义ε=Δl/l,和每单位距离位移的变化量一致,则由式(2)、(3)可得

ε=du/dx=kAcos(kx-ct)=-(k/c)v

(4)

因此为了能够科学准确的评估不同建筑结构的抗振能力,建议将建筑结构的疲劳性能作为研究的对象,将疲劳寿命作为建筑结构振动容许值的参考依据,考虑到建筑材料以及结构在环境作用下的累积损伤效应[45-47],提出建筑结构在交通振动环境下振动疲劳和剩余寿命评估的方法,为建筑结构在交通振动环境下的振动控制标准提供理论参考和科学依据。

3 建筑结构疲劳损伤研究现状

目前关于交通振动作用下对建筑结构产生疲劳损伤影响的分析,国内外均处在一个探索研究的阶段,而关于交通振动激励下的疲劳分析,大都集中在桥梁、隧道以及建筑材料的研究上,近年来关于建筑结构的疲劳损伤主要研究工作列于表6。

表6 建筑结构的疲劳损伤主要研究工作Table 6 Main research work on fatigue damage of building structures

结构在循环应力或循环应变作用下,由于某点或某些点产生了局部的永久性结构变化,从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。由于交通产生的振动会持续对建筑结构产生长久的影响,虽然在短时间内由交通振动产生的能量较小,但建筑长期在这种微振动的作用下,会产生疲劳损伤响应,损伤将不断增长、累积,最终造成结构的破坏加剧,严重的还会导致建筑物的开裂和倒塌。赵奎等[48]通过实验发现,加载与卸载阶段都会产生损伤,且损伤随应力的增大而增大,因此建筑物在反复受到交通荷载的情况下会产生疲劳损伤效应。

对于交通振动影响下建筑结构疲劳损伤的研究,应当充分的考虑到在自然环境的影响下,建筑物会由于不同频率的周期荷载、冻融环境和硫酸盐腐蚀环境、风荷载以及地表微振动等的影响下材料损伤不断积累,从而导致建筑物的主体产生裂缝并不断的扩展。

综上所述:

(1) 国内外关于建筑结构损伤机理的研究没有一个系统性的理论思想,使得此方面的研究比较零散。由于没有统一的理论可以去依靠,国内外对于建筑结构在交通激励作用下的损伤机理研究以及评估甚少。

(2) 研究建筑物在交通荷载影响下的疲劳损伤时,需要将由于环境因素而造成建筑物的损伤考虑在内,在此基础上再进行交通振动影响的研究,同时也要考虑环境因素与交通振动因素耦合的情况,先对建筑物进行损伤机理因素分析,避免单一考虑某一方面的影响而造成结构安全分析的片面性和局限性。

4 建筑结构减振措施研究现状

车辆产生振动的原因是轮毂与轨道或者地面之间相互作用,产生的振动通过路基或桥墩传递至建筑物地基,继而又传递到了建筑物。夏禾[61]通过对交通振动问题的研究提出了振动可以分为三个系统:振源系统、振动传递路径系统和受振体系统。结合交通振动的产生机理、传播的性质以及对建筑结构影响的因素,对交通振动的防治可以从产生振动的振源主动减振,在振动传播过程中切断传递路径和对受振体进行积极地采取隔振措施。目前关于交通振动的隔振减振研究现状如表7所列。

式中：Qz、Q1、Q2、Q试件分别为总换热量、试件框换热量、热箱外壁换热量、试件(聚苯乙烯泡沫板或真空玻璃板)换热量，W；f1为试件框热流系数，W/K；Δt1为试件框冷热面温差，K；f2为热箱外壁热流系数，W/K；Δt2为热箱内外表面温差，K；Δt为试件冷热表面温差，K；A为试件面积m2；Δt热为热面设定温度与填充板热面温度之差(取绝对值)，K；Δt冷为冷面设定温度与填充板冷面温度之差(取绝对值)，K.

表7 交通振动的隔振减振研究现状Table 7 Research status of traffic vibration isolation and reduction

目前关于交通振动的研究主要集中在高频振动,现在常规减振隔振材料能够有效地控制20 Hz以上频率的振动[62],而对于低频振动的控制研究较少,因此在未来应加大对低频振动的研究,采用新的规范,减少由于低频振动带来的危害。虽然当前关于交通振动的减振材料和方法较多,但仍存在着一些不足,例如:减振方法的控制标准不统一;减振材料的研究缺乏科学的评价标准;减振材料性能的表述不够明确:减振隔振材料价格的参差不齐。故应逐步建立起关于交通振动控制方法和减振隔振材料的专项管理制度,出台相应的规定和标准,在保障安全的前提下,做到建筑结构在振动条件下安全、经济、环保。

5 结论

通过以上的论述,可以得出以下结论:

(1) 目前国内外关于交通振动的研究方法主要有4种:根据现场实际情况进行测试和数值计算相结合的方法;有限元软件的应用和数据分析的方法;预测模型的建立和现场实测数据对比的方法;根据国家标准和规定的经验分析法。目前最有效和最常用的为现场实测和数值分析的方法,而对于不同的研究项目会有其不同的适用研究方法,因此在进行研究时应根据实际情况来选择。

(2) 通过对国内外目前交通振动控制标准的研究对比分析,我国关于交通振动控制的标准要严格高于国外。但由于目前交通振动控制标准的不统一,存在着一定的问题,因此本文建议将建筑结构的疲劳性能作为研究的对象,将疲劳寿命作为建筑结构振动容许值的参考依据,提出建筑结构在交通振动下的振动疲劳和剩余寿命评估的方法,能够为建筑结构在交通振动环境下的振动控制标准提供参考和科学依据。

(3) 在研究分析交通振动的产生形式以及建筑结构在交通振动下的受损机理中,提出建筑物在交通荷载影响下的疲劳损伤时,需要将由于环境因素而造成建筑物的损伤考虑在内,在此损伤的基础上再进行交通振动影响的研究,同时也要考虑环境因素与交通振动因素耦合的情况。

(4) 由于交通振动是一个复杂的振动形式,目前关于交通振动的研究大多集中在高频振动以及如何控制高频振动,常规的隔振减振措施能够有效的降低20 Hz以上频率的振动,但对于低频振动的控制却一直是一个亟待解决的问题。同时当前隔振减振材料的品种繁多,没有科学的评价标准,应逐步建立起关于交通振动控制方法和减振隔振材料的专项管理制度,在保证经济和安全的前提下实现减振隔振的目标。