环境振动作用下修复后南京鼓楼的动力响应现场实测

朱利明,杨佳年,孙 宇,黎 庆

(1.南京工业大学 交通运输工程学院,江苏 南京 210009;2.南京地铁建设有限责任公司,江苏 南京 210009)

随着我国城市化进程的快速发展,城市中的人口日益增多,人们日常交通出行的频率也愈来愈高。然而伴随着交通建设的迅速发展,交通运行所带来的环境振动问题也日益突出,交通环境微幅振动对人类的身心健康、精密仪器的可靠性以及建(构)筑物的结构安全都会造成一定程度的影响,目前国际上已把交通振动列为七大环境公害之一[1-4]。我国是文明古国,城市各处都存有大量的古建筑,交通线路的建设通常需要经过或穿越这些古建筑,交通微幅振动会使古建筑结构内部产生一定程度的残余应变,诱发古建筑发生疲劳破坏,从而促使古建筑结构寿命下降。此外,长期、持久的交通振动效应也可能导致地基土产生不均匀沉降,从而诱使古建筑开裂甚至倒塌[5-8],目前国内外都已存在大量交通振动引起文物破坏的实例[9-11],因此交通振动对古建筑的影响不容忽视。

南京鼓楼始建于明代洪武十五年(1382年),并于清初对木结构城楼建筑进行了重建。2013年5月,因为地铁4号线爆破开挖施工,为保护南京鼓楼的振动安全,对鼓楼结构进行了临时加固。并在地铁4号线建设竣工后启动了南京鼓楼的保护性修缮及周边环境综合整治工作,鼓楼公园于2017年6月开始闭园施工修复,对大量墙体、柱体裂缝进行了填补,并对地下人防设施进行了填筑,于2018年2月底重新对公众进行开放。

在南京地铁4号线运行期间,文献[12]对修复前的南京鼓楼进行了现场实测,基于测试结果,通过时域、频域分析研究了鼓楼结构内部的振动传播规律,并根据相关古建筑振动安全控制标准对鼓楼的振动安全进行了评估,发现鼓楼结构存在大量振动超限现象。本次现场测试以修复后的南京鼓楼作为研究对象,通过对修复后的鼓楼结构受到交通振动影响下的动力响应进行现场测试,研究修复后鼓楼结构内部的动力响应特性,相关结果将为地铁运行过程中的邻近古建筑振动安全评估及减隔振措施开发设计提供参考依据。

1 现场测试方案

1.1 工程概况

南京鼓楼位于南京市中心,地处繁忙交通要道,周边有多路车辆汇流,且临近南京地铁4号线,鼓楼城阙距离地铁隧道最近处仅有1.3 m,因此鼓楼面临的交通振动问题难以忽视,南京鼓楼与地铁4号线的相对位置关系如图1所示。

图1 南京鼓楼与地铁交通线路的相对位置关系(m)Fig.1 Relative positional relationship between Nanjing Drum Tower and traffic lines (m)

1.2 测点布置

为研究鼓楼结构的动力响应特性及振动在鼓楼结构内部的传播规律,现场测试参照相关振动控制标准[13-14],并结合环境条件和鼓楼的整体构造风格进行测点的布置,以靠近地铁下行线的测点为起始测点(如测点1-5、2-5),本次测试中测点的布置及对应编号如图2所示。

图2 测点布置Fig.2 Layout of measuring points

1.3 测试仪器及测试内容

本次现场测试采用的仪器为北京东方振动和噪声技术研究所设计的INV9580A无线振动采集仪,该采集仪内置有双通道高精度拾振器,通道量程范围为0～160 dB,可实现双核24位高精度采集,本次测试选取的采样频率为512 Hz,测试频率示值和分辨误差小于0.01%,频谱幅示值误差小于1%,可以满足本次测试要求。现场测试中仪器布设X水平方向垂直于地铁走向,Z方向平行于鼓楼结构高度方向。鼓楼周边交通状况比较复杂,对照地铁4号线运营时刻表,在鼓楼结构仅受路面交通影响及混合交通影响两种工况下进行测试,采集单组持时30 min的数据,共计6组。

2 结果与分析

2.1 古建筑振动控制标准

目前,国内外几乎所有建筑结构的振动控制标准都是以测点振动速度峰值(PPV)作为评价指标[14],我国的古建筑振动控制标准为《古建筑防工业振动规范》(GB/T 50452—2008)[15],该规范根据文物结构类型、文物结构弹性波速以及文物保护级别来确定文物的承重结构最高处的水平向容许振动速度，并将其作为评价指标。

2.2 时域分析

在地铁列车通过时,对各测点振动速度峰值附近的数据进行时程分析,以靠近地铁下行线且符合规范[15]的木结构柱顶测点4-1的一段速度时程为例,比较仅受路面交通影响及混合交通影响下的鼓楼动力响应变化,结果如图3所示。

图3 碑楼二层柱顶(测点4-1)速度时程曲线Fig.3 Velocity time history curves of the column top of the stele tower (measuring point 4-1)

由图3可知:无论是仅受路面交通影响还是受到混合交通影响,鼓楼的水平向振动速度幅值都略大于竖向振动速度幅值,表明在受到交通振动的影响时,鼓楼结构水平向动力响应较竖向动力响应更为显著;在混合交通作用下,鼓楼结构的竖向速度增长幅度明显大于水平向速度增长幅度,这表明地铁通过引起的振动中,竖向振动比水平向振动更为突出。

选取靠近地铁线路的测点数据进行分析,对混合交通作用下的竖向、水平向振动速度最大值及有效值进行比较,结果如表1和图4所示,其中,振动速度最大值为每组数据速度峰值绝对值的最大值;波峰因数为一段时程峰值与有效值之比,当波峰因数≤9时,一般认为用有效值来描述振动能量的变化，如式(1)所示。

(1)

式中:Vrms为有效值,N为采样点的个数,xi为第i个采样值。

表1 振动速度统计结果

图4 混合交通引起的鼓楼振动速度对比Fig.4 Comparison of Drum Tower vibration velocity caused by mixed traffic

由表1和图4可以看出:在混合交通影响下,竖向振动速度峰值表现为从城阙底部到碑楼二层顶部不断增长的趋势;水平向振动速度峰值从城阙底部至碑楼一层底部逐渐增大,自碑楼一层底部到碑楼一层顶部快速增大,到碑楼二层顶部又快速减弱的趋势;在混合交通作用下,竖向及水平向振动速度有效值均在碑楼一层顶部达到峰值,鼓楼一层顶部建造有拱形穹顶,在振动传递过程中,入射波与反射波有可能会产生相互叠加,从而导致建筑物的某一中间层的振动响应激增[16],因此,推测该区域存在一个振动放大区。

表2为各测点振动速度峰值。由表2可以发现:可能由于该混合交通测试时段内路面交通较少,致使少量部分测点振动速度表现为负增长外,地铁运行通过时,振动的叠加效应还是比较明显的,其中靠近地铁线路的测点1-5、2-5、2-1、3-1、4-1的振动速度峰值均有大幅增长,尤其是水平向振动速度峰值增长均达到50%以上,城阙顶部测点2-5的水平向振动速度峰值增长达98.36%,碑楼二层顶部测点4-1的水平向振动速度峰值增长更是达到了123.87%,这也说明文献[15]以承重结构最高处的水平向容许振动速度作为评判古建筑结构振动安全的指标是合理的。

表2 各测点振动速度峰值

南京鼓楼为全国文物保护建筑,参照文献[15]中关于木结构的容许振动速度峰值为0.22 mm/s,砌体结构的容许振动速度峰值为0.20 mm/s的规定,对照表2中木结构承重结构最高处测点4-1与砌体结构承重结构最高处测点2-1的水平向振动速度峰值可知,在交通振动影响下,现阶段鼓楼整体结构处于振动安全状态,与修复前鼓楼受交通振动的动力响应结果[12]相比,鼓楼的修缮措施降低了交通荷载对鼓楼振动的影响,有益于鼓楼的长期振动安全。

2.3 频域分析

1/3倍频程分析在处理环境振动问题时使用较为广泛,1/3倍频程谱可以描述不同频率下振动物理量的大小,并可以反映出该频段的振动能量。为研究鼓楼受交通振动影响的主要频段,对各测点的振动加速度时程数据进行傅里叶变换,获得其1/3倍频程谱,如式(2)所示[17]。

(2)

式中:La为加速度级;arms为加速度有效值;a0为基准加速度,国际上通常取a0=10-6m/s2。

图5为各测点振动加速度1/3倍频程谱分析结果。

图5 振动加速度1/3倍频程谱分析结果Fig.5 1/3 octave spectrum analysis results of vibration acceleration

由图5可知:测点在0～10 Hz低频段对应的加速度级差异不大;总体上看,各测点竖向振动的主要响应频带出现在10～50 Hz,加速度级峰值集中在40～50 Hz;水平向振动的主要响应频带出现在10～40 Hz,加速度级峰值集中在20～40 Hz。参考相关学者的研究结果[18-20],路面交通和地铁交通引起传统木结构振动响应的主要频段分别为10～25和40～90 Hz,并结合时域分析的结果可知,鼓楼结构振动是由路面交通和地铁交通振动共同作用引起的,地铁交通引起的动力响应与路面交通引起的动力响应相比并不明显。

鼓楼城阙测点1-5、2-5及碑楼一层底部测点2-1在100～250 Hz的次要响应频带内的加速度级虽有小幅度上升,但总体上看,鼓楼城阙在40～512 Hz的高频范围内的加速度级下降较快,在超过512 Hz以后加速度级逐渐降低至5 dB左右;而鼓楼碑楼高层测点3-1、4-1在超过160 Hz后,加速度级才开始出现明显的衰减,结合分析可知,古建筑受交通振动影响的主要频率范围为10～50 Hz,但振动能量在古建筑中的衰减规律因材料而异,对于古砖砌体结构,超过40 Hz的交通振动对其影响较小,对于古木结构,超过160 Hz的交通振动对其影响较小。

为研究鼓楼木结构碑楼在高度方向上的振动能量变化规律,将木柱各测点在柱顶处的输出加速度级与柱底处的输入加速度级进行了振动传递比分析,传递比是层间测点的输出加速度有效值与输入加速度有效值在不同中心频率下的比值。若振动传递比>1,则该频段内能量表现为增强趋势;若传递比≤1,则该频段内能量表现为衰减趋势。从图5(b)和5(d)可以看出:鼓楼一层顶区域内,分别在50～512、20～160 Hz存在一个竖向振动放大区和一个水平振动放大区。

3 结论

1)现场实测未发现南京鼓楼出现振动超限现象,地铁通过时主要引起的是竖向振动,但交通振动作用引起的动力响应变化具有明显的方向性,鼓楼结构的水平向振动比竖向振动更为突出,因此在设计轨道减隔振措施时,应主要考虑控制地铁行驶时产生的竖向振动,而在设计古建筑减隔振措施时,应主要考虑控制水平向振动。

2)鼓楼受交通振动影响的主要频率范围为10～50 Hz,振动衰减规律因材料而异,超过40 Hz的交通振动对古砖砌体结构影响较小,超过160 Hz的交通振动对古木结构影响较小。

3)鼓楼碑楼一层顶部附近的振动放大效应明显,分析发现该区域分别在50～512、20～160 Hz存在一个竖向振动放大区和一个水平振动放大区,建议对此区域进行减隔振处理,减少鼓楼碑楼结构受交通振动的影响,保护古建筑安全。