老舊小區磚混結構房屋振動與減振

老舊小區磚混結構房屋振動與減振

黃博1，2， 夏唐代1，2， 趙晴1，2， 賀鵬飛1，2

( 1.浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州310058；

2. 浙江大學軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，浙江 杭州310058)

摘要：老舊小區中房屋產生振動影響正常使用的現象近期日益增多。這些房屋一般為6～7層磚混結構，屬于多層住宅。本文基于某典型小區房屋振動現象，根據地質和房屋資料，采用經驗公式法對小區房屋自振頻率進行估算，結合現場微振測試結果，確定由大型車輛經過或是車站車輛制動及啟動引起的振動，其頻率較低，與房屋的自振頻率相近，是引發房屋振動的主要原因。結合此類小區自身特點，對常用減振方法的實用性逐一進行分析，選擇打鉆孔灌注排樁的方式作為房屋的減振措施，并提出初步設計方案。

關鍵詞：磚混結構； 自振頻率； 減振措施； 鉆孔灌注排樁

收稿日期：*2014-08-20

基金項目：國家自然科學

作者簡介：黃博 (1989-)，男，博士研究生，主要從事土動力學方面的研究.E-mail：hbzjdx@zju.edu.cn

中圖分類號:TU435文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0126

Vibration Reduction for Brick-concrete Buildings

in an Old Residential Area

HUANG Bo1，2， XIA Tang-dai1，2， ZHAO Qing1，2， HE Peng-fei1，2

(1.ResearchCenterofCoastalandUrbanGeotechnicalEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou，Zhejiang310058，China；

2.MOEKeyLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou，Zhejiang310058，China)

Abstract：Recently，vibration in buildings in old residential districts has been increasing.These buildings are brick-concrete structures，and are multi-story residences，generally with 6 ～ 7 floors.In this study，the natural frequency of buildings in a district is empirically estimated.Combining with the in-situ test results，the vibration caused by heavy vehicle traffic or braking and starting of vehicles at bus station，whose frequency is close to the natural frequency of buildings in the district，is the main reason of vibration in buildings.Considering the characteristics of the study district，popular methods to reduce the vibration here are analyzed to obtain the most suitable method for the district.Cast-in-place bored piles in rows are selected for this district and a preliminary solution for vibration reduction is presented.

Key words： brick-concrete structure； natural vibration frequency； vibration reduction measure； cast-in-place bored pile

0引言

隨著科技的發展，越來越多的新型建筑結構得到應用，然而在我國，城市中還存在著許多上世紀70年代至90年代建造的房屋。這些房屋多集中在老舊住宅小區中，采用砌體結構形式，其中廣泛采用磚混結構，樓層一般為6～7層，屬于多層住宅。磚混結構的基本組成材料和材料之間的連接方式決定了其結構的脆性性質，導致房屋變形能力小，抗震性能較差。最近幾年，隨著道路交通荷載、地鐵施工荷載以及地面建筑施工荷載的陡增與疊加作用，砌體結構多層住宅振動現象日益增多，嚴重影響了小區居民的日常使用。

本文針對杭州牛腳灣小區房屋振動現象，通過理論分析結合現場振動測試結果，得到小區房屋產生振動的主要原因。針對常見的減振措施，結合老舊小區磚混結構房屋自身特點逐一進行分析比較，選擇鉆孔灌注排樁作為本小區房屋的減振措施，提出初步的減振方案，為城市中老舊小區磚混結構房屋隔振減振提供分析方法和設計思路。

1工程背景

牛腳灣住宅小區公寓1～8幢房屋始建于1996年間，均為7～8層磚混結構房屋。小區位于蕭杭路以東，工人路以西，蕭蕭鐵路以南，工程位置如圖1所示。蕭杭路為城市主干道，車流量大，道路為混凝土U型槽結構，下穿鐵路橋，路面與周邊地面存在高差，且距小區房屋較近。本小區位于市區，人口稠密，建(構)筑物、管線設施分布密集。近期居民普遍反映小區房屋出現了偶發性振動現象，影響了正常居住。小區場地屬于錢塘江沖海積平原地貌，地貌單元較單一，地形總體比較平坦。小區地下場地勘探深度為59.00 m，除表層為雜填土外，其余各層均為亞黏土。

圖1　小區平面及振動測點布置圖 Fig.1　Plan of the residantial area and measuring points

2房屋自振頻率

對于砌體結構房屋的自振頻率，相關規范[1-2]推薦采用經驗公式法進行估算。這些經驗公式都是比較籠統的，針對不同地域，不同形狀、不同用途的房屋普適性不強。為此，一些學者針對具體情況，通過數值模擬與理論推導對這些經驗公式進行了修正，還有一些學者基于脈動法對房屋自振周期進行實測分析，并通過實測數據對傳統經驗公式進行修正。

王廣軍等[3]就基本周期經驗公式的參數、脈動實測修正系數、誤差等問題進行一些探討，同時，通過統計分析給出第二振型、第三振型周期與基本周期比值的經驗公式，采用這一結果可推出求高階振型周期的經驗公式。也有學者指出，用集中質量法簡化計算的自振頻率，計算結果偏大，誤差在20%左右，不適用于精確計算，只能反映建筑的部分振動特性[4]。劉紅彪等[5]通過對四川省西昌市(Ⅸ度設防)典型房屋結構自振周期的測試，得到了與以往經驗公式有較大差異的回歸公式。韓瑞龍等[6]采用脈動法對上海市73幢砌體結構多層房屋進行了現場測試、數據采集以及擬合比較，提出了多層砌體低階自振頻率實用經驗公式。

根據區域相似性，本文采用韓瑞龍等提出的多層砌體低階自振頻率實用經驗公式：

T1=0.013 1H+0.112 7 ，

式中T1、T2分別為結構的第一階和第二階自振周期；H為房屋高度。

根據公式計算得到小區1～8幢房屋自振頻率(表1)。從表中可以看出，8幢房屋的第一階和第二階自振頻率處于2.4～4.0 Hz范圍內。

表 1　房屋自振頻率

3現場振動測試

3.1測試儀器與測點布置

本次檢測采用的主要儀器有：測微儀、振動數據采集系統、電荷放大器、壓電式加速度傳感器和電腦、接頭及連接線若干。振動測試裝置連接如圖2所示。

根據測試目的以及場地情況，共進行三次測試。前兩次為常時微振測試，每次布置4個測點，測點分布于房屋基礎和小區場地地基上。第三次測試為小區場地在交通荷載作用下的振動測試。測點按離公路由近及遠在小區內的場地上布置。振動測點布置如圖2所示，現場測試照片如圖3所示。

圖2　振動測試裝置連接示意圖 Fig.2　Connection way of instruments

圖3　現場振動測試 Fig.3　Field vibration measurement

3.2圖像處理

測試采樣頻率128 Hz(最高頻率分辨率64 Hz)，按儀器設置，每個數據塊采集1 024個數據點(持續8 s)，每次測試采集64個數據塊(1 024×64個數據點)總持續時間8分32秒。分析時分別對每個數據塊(包含8 s的信號)進行頻譜分析，根據每一測點的64個頻譜圖來綜合分析場地的常時振動。

對產生的時域信號逐一進行傅里葉變換，得到各測點的頻譜圖像。圖4為具有代表性的頻譜分析圖。

圖4　典型頻譜分析圖 Fig.4　Typical spectrum diagram

3.3測試結果及分析

(1) 從頻譜圖像中可見，測試時由于儀器接地不良，信號里交流電干擾信號較大(50 Hz信號)，同時還可知附近有一穩態振動源(頻率約28 Hz)。

(2) 三次測試頻譜圖呈現的主要特征一致。8分鐘時間里有時有1.5～3.5 Hz左右的信號出現，有時有10～13 Hz左右的信號出現。從頻譜圖還可以得知其它頻率的信號也比較豐富，這是因為行人及小區內車輛的振動引起傳感器的振動，信號里包含這些信息。

(3) 結合現場測試實際情況與頻譜分析，小型車輛通行引起的常時微振主要頻率為10～13 Hz左右，偶然有大型車輛經過或是車站車輛制動及啟動引發低頻的振動，頻率為1.5～3.5 Hz。后者產生的低頻振動頻率與房屋的自振頻率相近，會引發房屋的共振現象，這些低頻振動并不長期存在，主要是隨機的偶然發生，也與居民反映的房屋振動的偶然性現象相符。

4減振措施

目前針對砌體結構房屋的常時振動問題，主要的減振方法有兩種，一種是改變房屋自振頻率，另一種是設置隔振屏障。

改變房屋自振頻率是通過提高房屋自身剛度來實現的。通過更換新型建材、改變結構形式、處理基礎等方式進行房屋加固方案，提高房屋自身剛度，從而提高房屋自振頻率，避開震源波頻率范圍，減小直至消除共振現象。牛腳灣小區屬于正在使用的小區，房屋結構老舊，人口稠密且以老年居民為主。無論是對房屋進行地基處理還是對上部結構外墻及節點等處進行加固，都需要對房屋進行較大面積改動，這對結構脆弱的磚混結構老式住宅自身結構會造成破壞。如采用改變房屋自振頻率的方法，則需要全部居民搬出小區，勞民傷財，并不適宜。

設置隔振屏障是治理振動污染的有效措施，造價低，施工簡單。目前工程上常用的隔振屏障有空溝、填充溝和排樁三種[7]。

小區居民反映，在未有車輛經過小區附近時，偶爾也會出現房屋振動現象，這是由于距離小區較遠處交通荷載產生的沖擊波形成表面波向小區傳遞。浙江省尤其杭州市地表以軟弱土為主，由于軟土對高頻波的吸收作用，傳至小區地表的波以重型車輛荷載形成的10 Hz以下的低頻波為主，波長較長。它們的頻率也與小區房屋自振頻率接近，某些情況下也會引起房屋共振，從而產生居民反映的房屋偶發性振動的情況。

空溝隔振效果很好，但是考慮到本小區房屋距離蕭杭路很近，且蕭杭路因下穿蕭蕭鐵路而采用了U型槽結構，如開挖空溝，會影響到房屋基礎以及路基土體的穩定性。另外，由于遠源低頻脈動波波長很長，空溝要想發揮作用，需要開挖的深度很大，在本工程中不適宜采用。

填充溝隔振是在空溝隔振基礎上發展而來的一種隔振技術，是在原空溝內填充材料提高隔振體剛度以達到被動隔振的目的。本小區所在區域屬于軟土地基，地下水位較高，地基土含水率大。開挖隔振溝要單獨進行降水措施，對土體穩定性帶來很大的影響，并且地下水的存在也會削弱隔振效果。與空溝類似，填充溝所需開挖深度也較大，無論從開挖深度還是材料用料上看，都不適宜本工程采用。

排樁隔振形式自由，施工便宜，施工技術成熟，不受地下水位影響。夏唐代等[8]以及高廣運等[9]均對隔振樁的隔振進行了較為全面的理論分析，形成了較為完善的理論計算和設計體系。針對本工程房屋距離道路較近的情況，打隔振樁能夠起到阻波隔振的作用，且施工期間對道路行車以及居民生活影響較小，經濟適用性強，適宜在本工程中采用。

樁的類型很多，從本工程實際考慮，在隔振樁施工時不宜產生較強的振動，防止對房屋產生直接破壞，并防止引起房屋共振。根據道路與房屋距離較近的實際情況，隔振樁還應選擇非擠土樁，防止隔振樁施工過程中擠土對路基和房屋基礎產生影響。綜合考慮，鉆孔灌注樁為本工程較為理想的隔振樁型。

基于隔振效果、經濟性以及施工方便性考慮，本工程采用打鉆孔灌注排樁的方式作為減振措施。

5減振初步設計

小區東、南、西三面臨近道路，北面緊靠鐵路。由于小區北面與鐵路線距離過近，考慮到鐵路路基安全，暫不對小區北面進行隔振處理。考慮到場地大小以及施工的便宜性，在小區南面緊鄰房屋處、小區東面排水溝與工人路之間以及小區西南面緊鄰蕭杭路處采用雙排鉆孔灌注樁。小區西北面緊鄰蕭杭路處，房屋與道路間距較小，并且通過道路施工圖可知，場地內遺留有道路施工時打設的單排基坑圍護樁，故此處采用單排鉆孔灌注樁。通過建立有限元模型進行數值模擬[10]，得到樁長至少為40 m時對近場低頻波和遠場低頻地脈動波衰減效果較為明顯，故選取40 m作為隔振排樁樁長。選取4個典型斷面進行初步設計，結合場地地質勘探剖面土層狀況，考慮施工便宜性，對各典型斷面樁長進行微調。樁位布置及斷面劃分如圖5所示，初步設計如圖6所示。

圖5　減振初步設計平面圖 Fig.5　Preliminary design plan for vibration reduction

圖6　減振初步設計剖面圖 Fig.6　Cross section of preliminary design for vibration reduction

6結論

通過上述分析，得到如下結論：

(1) 大型車輛經過或是車站車輛制動及啟動引起的振動，頻率較低，與房屋的自振頻率相近，是引發小區磚混結構多層房屋振動的主要原因。

(2) 結合城市中老舊小區磚混結構房屋自身結構特點與實際情況分析，打設鉆孔灌注排樁是此類小區房屋減振的合理有效措施。

參考文獻(References)

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development the PRC.GB50011-2010 Code for Seismic Design of Buildings[S].Beijing：China Architecture & Building Press，2010.(in Chinese)

[2]中華人民共國建設部.GB50011-2010砌體結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

Minsitry of Construction of the PRC.(GB50003-2011) Code for Design of Masonry Structures[S].Beijing：China Architecture & Building Press，2011.(in Chinese)

[3]王廣軍，王玉鵬，陳德彬.建筑自振周期經驗公式一些問題的探討[J].建筑科學，1990(4)：21-26.

WANG Guang-jun，WANG Yu-peng，CHEN De-bin.Some Discussions About Empirical Formulas of Buildings’ Natural Period[J].Building Science，1990(4)：21-26.(in Chinese)

[4]汪佐良，楊建江.集中質量法計算砌體結構自振頻率[J].低溫建筑技術，2011(11)：21-23.

WANG Zuo-liang，YANG Jian-jiang.Calculate the Natural Frequencies of the Masonry Buildings Using the Iumped-mass Method[J].Low Temperature Architecture Technology，2011(11)：21-23.(in Chinese)

[5]劉紅彪，郭迅，梁永朵，等.9度設防區房屋結構自振周期測試[J].建筑結構，2011(5)：60-63.

LIU Hong-biao，GUO Xun，LIANG Yong-duo，et al.Structural Natural Period Measurement in Seismic Fortification Intensity 9[J].Building Structure，2011(5)：60-63.(in Chinese)

[6]韓瑞龍，施衛星，魏丹.基于脈動法實測數據的多層砌體結構低階周期的經驗公式[C]// 第20屆全國結構工程學術會議論文集.寧波：寧波工程學院，2011：485-489.

HAN Rui-long，SHI Wei-xing，WEI Dan.Empirical Formulas of Multi-story Masonry Structure’s Low Order Natural Periods Based on Data Acquired by Pulsating Tests[C]// Proceeding of the 20th National Conference and Symposium on Structural Engineering.Ningbo：Ningbo University of Technology，2011：485-489.(in Chinese)

[7]時剛，郭院成，高廣運.飽和地基中二維填充溝遠場被動隔振研究[J].巖土工程學報，2011，33(1)：104-111.

SHI Gang，GUO Yuan-cheng， GAO Guang-yun.Two-dimensional Analysis of In-filled Trenches as Passive Barriers in Saturated Soil[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33(1)：104-111.(in Chinese)

[8]Xia T D，Sun M M，Chen C，et al.Analysis of Multiple Scattering by an Arbitrary Configuration of Piles as Barriers for Vibration Isolation[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2011，31(3)：535-545.

[9]高廣運，楊先健，王貽蓀，等.排樁隔振的理論與應用[J].建筑結構學報，1997，18(4)：58-69.

GAO Guang-yun，YANG Jian-xian，WANG Yi-sun，et al.Theory and Application of Vibration Isolation by Piles in Rows[J].Journal of Building Structure，1997，18(4)：58-69.(in Chinese)

[10]Huang B，Xia T D，HE P F.Vibration Reduction Analysis of an Old Residential District Under Vehicle Load[J].Applied Mechanics and Materials，2014，522-524：1697-1702.