交通振動對砌體古建筑影響分析的研究現(xiàn)狀

夏 倩，趙 瑾，馬 蒙，李懿卿

（1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，西安 710048；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；3.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)計研究院，西安，710055）

一座完好的古建筑既是研究某一階段歷史文化的重要資料，又是社會、文化變遷的歷史見證。隨著城市機動車數(shù)量的激增和軌道交通網(wǎng)絡(luò)化的逐漸形成，位于城市地區(qū)的古建筑所處的振動環(huán)境正在逐漸惡化。振動環(huán)境中古建筑的保護(hù)涉及結(jié)構(gòu)安全性和建筑完整性兩個方面：一方面，這些經(jīng)歷了數(shù)百年甚至上千年的古建筑受其自身結(jié)構(gòu)壽命的影響，建筑構(gòu)件對環(huán)境的改變非常敏感，較現(xiàn)代建筑其對振動環(huán)境的要求更高；另一方面，由于其歷史文化特殊性和破壞不可逆性，古建筑對“建筑破壞”的定義要遠(yuǎn)比現(xiàn)代建筑嚴(yán)格。交通振動對古建筑的影響主要體現(xiàn)在振動長期、持久的效應(yīng)——這既可能導(dǎo)致脆弱的建筑構(gòu)件產(chǎn)生疲勞破壞，也可能導(dǎo)致地基土產(chǎn)生不均勻沉降從而誘使古建筑開裂甚至倒塌。因此，研究交通微振動對古建筑的影響對古建筑防振保護(hù)具有重要的理論意義和實用價值。

本文將從交通振動對古建筑影響的研究方法、古建筑控制標(biāo)準(zhǔn)、磚石結(jié)構(gòu)疲勞損傷的力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析四個方面總結(jié)分析交通微振動下砌體古建筑的研究現(xiàn)狀。

1 交通振動對古建筑影響的研究方法

交通振動對臨近建筑物振動影響的研究由來已久，但專門針對古建筑的研究始于上世紀(jì)中葉。在國外，公路交通造成古建筑損壞開裂的問題引起一批國外學(xué)者的注意。捷克Bata[1]最早開始著手研究公共交通引起的振動對臨近石砌歷史建筑影響，提出為避免建筑受到疲勞破壞，應(yīng)該發(fā)展與古建筑保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的現(xiàn)代交通。我國對文物建筑微振動控制研究始于上世紀(jì)80年代末，對焦枝鐵路復(fù)線建設(shè)中隧道施工爆破震動、列車運行振動等環(huán)境問題開展了研究[2]。

近幾年，隨著城市軌道交通建設(shè)的加速，國內(nèi)外學(xué)者針對具體古建筑微振動進(jìn)行了大量研究，部分案例見表1。

表1 近年來針對交通微振動對古建筑影響研究的相關(guān)案例

分析表1可知，目前用于古建筑微振動預(yù)測的方法主要有3類：

(1)基于規(guī)范[20]的經(jīng)驗預(yù)測法；

(2)基于有限元軟件的數(shù)值預(yù)測法；

(3)利用現(xiàn)場測試與數(shù)值計算相結(jié)合的方法。

這3種方法各有優(yōu)缺點：經(jīng)驗預(yù)測法適用于對振源的激勵機制缺少全面了解或建筑材料參數(shù)不容易確定的情況，對整個振動系統(tǒng)進(jìn)行比較精確的模擬有一定難度時，此時就可以根據(jù)以往的試驗結(jié)果進(jìn)行經(jīng)驗分析，對建筑物的振動反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測，但這種方法缺少通用性，由此得到的結(jié)果準(zhǔn)確性不高，在實際工程中使用較少[6]。數(shù)值預(yù)測法是模擬交通振動問題的一個非常有效的工具，并且發(fā)揮著越來越重要的作用，但由于受到計算手段和參數(shù)條件的限制，不得不采用各種程度的近似假設(shè)，建立簡單而易于計算的模型，且這些模型需要進(jìn)行驗證，而這只能通過試驗才能解決。現(xiàn)場測試與數(shù)值計算相結(jié)合一方面可實測傳遞函數(shù)以解決目前單純采用數(shù)值模型對古建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點處理困難的問題[6,12,21-22]，另一方面亦可采用該方法驗證與校核模型、提高預(yù)測精度[23-24]。

2 古建筑控制標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外不同標(biāo)準(zhǔn)和不同學(xué)者提出的古建筑振動標(biāo)準(zhǔn)的限值如表2所示。

可以看出，國外沒有專門針對古建筑的振動控制標(biāo)準(zhǔn)。德國標(biāo)準(zhǔn)DIN4150-3-1999、瑞士標(biāo)準(zhǔn)SN640312-1992、美國聯(lián)邦交通署FTA標(biāo)準(zhǔn)及一些國外專家對古建筑的限值是比較寬松的，并且這些標(biāo)準(zhǔn)均沒有涉及“建筑破壞”的理念，前文提到，古建筑應(yīng)重視考慮建筑完整性的理念。

我國古建筑振動標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國外，其中，國標(biāo)GB/T50452-2008和國家文物局文件是表2限值中最嚴(yán)格的兩項，均小于1 mm/s，同時考慮了建筑安全性和完整性；國標(biāo)GB/T50452-2008《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》（簡稱《規(guī)范》，是目前國內(nèi)外唯一一個專門針對古建筑作出的振動規(guī)程，該規(guī)范按照古建筑結(jié)構(gòu)類型、所用材料、保護(hù)級別及彈性波在古建結(jié)構(gòu)中的傳播速度等規(guī)定了相應(yīng)的容許振動值，表3僅列出磚結(jié)構(gòu)的容許振動值，石結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)以及石窟的容許振動值詳見《規(guī)范》。

表2 國內(nèi)外古建筑控制標(biāo)準(zhǔn)歸納表

表3 磚結(jié)構(gòu)的容許振動速度υ/(mm?s-1)

然而，該標(biāo)準(zhǔn)在制定和使用時存在一些問題，并受到相關(guān)研究人員的質(zhì)疑[35-39]，這些質(zhì)疑主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)對需要進(jìn)行微振動保護(hù)的古建筑界定不清：《規(guī)范》中在規(guī)定振動容許值時，以建筑材料的不同來劃分類型、以文物保護(hù)級別的差異主導(dǎo)分級，但并沒有給出便于工程上判別是否為“古建筑”的界定。

(2)以文物保護(hù)等級主導(dǎo)振動限值制定有待商榷：“文物保護(hù)等級”與“古建筑”的概念存在著區(qū)別，保護(hù)級別的劃分會綜合歷史文化內(nèi)涵、藝術(shù)價值、珍稀程度、建筑重要性等不同因素，給出綜合評判，這種劃分方式不能反映其承振能力。

(3)采用彈性波速劃分振動限值的區(qū)分度太低：彈性波速是能夠客觀反映古建筑承受振動能力的物理量，盡管《規(guī)范》采用了這一物理量，但由于容許值的劃分隸屬于保護(hù)級別劃分之下，其區(qū)分力度無法顯現(xiàn)。

(4)沒有考慮維護(hù)加固歷史對古建筑的積極影響。

為了更加科學(xué)評估古建筑的受振能力，作者認(rèn)為疲勞壽命可以作為古建筑振動容許值分級的主導(dǎo)因素。在分析交通微振動對砌體結(jié)構(gòu)古建筑的影響中，引入累積損傷思想，建立砌體結(jié)構(gòu)古建筑疲勞壽命的評估方法，能夠為古建筑控制標(biāo)準(zhǔn)提供參考依據(jù)。

3 磚石結(jié)構(gòu)疲勞損傷分析現(xiàn)狀

國內(nèi)外專家已充分認(rèn)識到研究歷史性建筑性能退化規(guī)律及機理對于優(yōu)秀建筑遺產(chǎn)保護(hù)的重要性，并進(jìn)行了一些初步研究。然而國外歷史建筑主要采用常見的石砌結(jié)構(gòu)，我國歷史建筑采用的材料和構(gòu)造與國外有顯著區(qū)別，多為磚砌體結(jié)構(gòu)，其性能退化歷程、規(guī)律及機制具有獨特之處，相關(guān)研究也剛剛起步，很多機理性問題尚未解決。例如，對于不同材質(zhì)（磚、砂漿）及其復(fù)合結(jié)構(gòu)在力學(xué)與交通微振動耦合作用下的損傷劣化過程及力學(xué)分析等均尚未有公開報道。

對于磚石古建筑，歐美學(xué)者的研究重點是磚石古建筑的結(jié)構(gòu)性能和加固技術(shù)。例如，Gunay[40]編著了關(guān)于美國古建筑的結(jié)構(gòu)分析一書。在疲勞損傷方面，歐美學(xué)者關(guān)注的是磚石結(jié)構(gòu)在凍融環(huán)境、硫酸鹽腐蝕環(huán)境下的性能變化。

結(jié)構(gòu)的損傷主要是由于材料在荷載、環(huán)境侵蝕作用下材料損傷不斷積累，從而產(chǎn)生裂紋并不斷擴展引起的。近年來國內(nèi)外對磚石結(jié)構(gòu)和材料疲勞損傷的主要研究工作見表4。

表4 國內(nèi)外磚石結(jié)構(gòu)和材料疲勞損傷的部分案例

綜上所述：

（1）國內(nèi)古砌體材料和結(jié)構(gòu)的損傷機理及評估研究零散、不系統(tǒng)。國內(nèi)學(xué)者對我國古砌體結(jié)構(gòu)建筑的損傷機理及評估研究甚少，對磚、磚-黏結(jié)砂漿復(fù)合結(jié)構(gòu)在微振動或多種耐久性因素下的損傷劣化缺乏系統(tǒng)研究。表4中宋麗對古磚砌體材料在疲勞荷載作用下的損傷力學(xué)分析進(jìn)行了初步研究，目前為國內(nèi)外唯一一例。

（2）除了對抗凍性、抗環(huán)境單一因素下的損傷性能研究，交通環(huán)境微振動荷載下或微振動與環(huán)境因素耦合作用下古砌體的性能研究成果較少，尚未見有公開報道。

4 結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究現(xiàn)狀

目前針對砌體結(jié)構(gòu)古建筑在交通環(huán)境振動下的疲勞壽命預(yù)測，國內(nèi)外均未見相關(guān)報道，相關(guān)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命研究主要集中在鐵路、橋梁、隧道等方面，且研究對象多為混凝土和鋼材兩種材料，見表5。

疲勞是一個材料特性逐漸變化的過程，它依次引起材料微裂縫的起裂、擴展，直到形成主裂紋。古建筑砌體材料，由于其歷史特殊性和不可修復(fù)性，不可避免會存在既有損傷或缺陷。在靜荷載作用下，這種損傷不會對結(jié)構(gòu)造成太大影響；而在交通環(huán)境微振動長期作用下，損傷將不斷增長、累積，最終造成結(jié)構(gòu)的破壞，這種破壞方式稱為結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。分析砌體材料古建筑的疲勞破壞，其破壞機理與現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的破壞機理相一致，因此作者分析，砌體材料古建筑的疲勞壽命預(yù)測的整個理論體系應(yīng)與現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析近似，基于此現(xiàn)狀，在目前未有對砌體材料古建筑進(jìn)行疲勞壽命研究的背景下，作者創(chuàng)新性地提出在交通環(huán)境長期微振動影響下，對砌體材料古建筑進(jìn)行疲勞壽命分析研究，在傳統(tǒng)混凝土疲勞破壞理論基礎(chǔ)上，針對古砌體材料，引入相關(guān)參數(shù)，建立損傷演化模型，研究砌體古建筑在交通振動下由于材料性能劣化引起的結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律，同時結(jié)合疲勞損傷理論及相應(yīng)材料疲勞方程，計算得到砌體古建筑的疲勞壽命。

表5 結(jié)構(gòu)疲勞壽命部分案例

5 結(jié)語

通過以上論述，可以得到以下結(jié)論：

（1）目前國內(nèi)外關(guān)于交通振動環(huán)境下具體古建筑的振動研究已相當(dāng)成熟，研究方法主要有3類：分別是經(jīng)驗法、數(shù)值分析法、現(xiàn)場測試與數(shù)值計算相結(jié)合法。經(jīng)驗法缺少通用性，數(shù)值分析法在建立數(shù)值模型時需要進(jìn)行模型驗證，現(xiàn)場實測與數(shù)值計算結(jié)合一方面可實測傳遞函數(shù)以解決目前單純采用數(shù)值模型對古建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點處理困難的問題，另一方面亦可采用該方法驗證與校核模型、提高預(yù)測精度。在研究中應(yīng)根據(jù)實際情況選擇研究方法。

（2）本文總結(jié)分析了國內(nèi)外古建筑振動標(biāo)準(zhǔn)的取值范圍以及存在的問題，為了更科學(xué)評估古建筑的受振能力，提出在分析交通微振動對砌體結(jié)構(gòu)古建筑的影響時引入累積損傷思想，建立砌體結(jié)構(gòu)古建筑疲勞壽命的評估方法，能夠為古建筑控制標(biāo)準(zhǔn)提供參考依據(jù)。

（3）目前古砌體結(jié)構(gòu)的性能退化過程、規(guī)律及機理的研究才剛剛開始，還存在一些問題有待解決：1）國內(nèi)古砌體材料及結(jié)構(gòu)的損傷機理及評估研究零散、不系統(tǒng)；2）尚未見有交通環(huán)境微振動荷載作用下或微振動與環(huán)境因素耦合作用下古砌體的性能研究成果的公開報道。

（4）針對砌體結(jié)構(gòu)古建筑在交通環(huán)境振動下的疲勞壽命預(yù)測，目前國內(nèi)外均無相關(guān)方面研究。參考目前現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的研究成果，作者提出在交通環(huán)境長期微振動影響下，針對古砌體材料，引入相關(guān)影響參數(shù)，建立損傷演化模型，研究砌體古建筑在交通振動影響下由于材料性能劣化引起的結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律，同時結(jié)合疲勞損傷理論及相應(yīng)材料疲勞方程，計算得到砌體古建筑的疲勞壽命。