基于交通振動環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)損傷機理及減振隔振的研究現(xiàn)狀

丑亞玲,劉文高,喬 雄,倪偉淋

(蘭州理工大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

自1825年世界上第一條鐵路在英國建成通車開始,世界交通運輸產(chǎn)生了革命性的變化,大大促進了人類社會的進步和科學技術(shù)的發(fā)展。但是隨之而來的各種環(huán)境振動問題接踵而至,由于交通而產(chǎn)生的振動對現(xiàn)代建筑[1-4]、古建筑[5-8]、精密儀器[9-12]等的損害案例比比皆是。交通振動的產(chǎn)生與傳播是一個復雜的異常過程,是一個高頻率和低頻率振動的復合體,高頻振動衰減快,低頻振動衰減慢[13],其產(chǎn)生的振動問題較為復雜。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明,除了工廠作業(yè)振動和建筑工程施工振動外,人們反應最為強烈的振源即為道路交通振動[14]。交通振動對建筑結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在振動的持久性和復雜性上,這種振動既可能造成脆性建筑結(jié)構(gòu)的疲勞損壞,也可能造成建筑物產(chǎn)生不均勻沉降,嚴重的會導致建筑主體的開裂甚至倒塌。而目前關(guān)于交通振動影響下建筑結(jié)構(gòu)的損傷機理研究不夠全面,控制標準沒有統(tǒng)一的規(guī)范可以依靠,減振隔振措施缺乏科學的評價標準。因此,開展交通振動環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)的損傷機理及減振隔振方面的相關(guān)研究,具有重要的理論價值和實際意義。

本文對已有研究成果進行梳理分析,從交通振動對建筑結(jié)構(gòu)影響的研究方法、建筑結(jié)構(gòu)振動控制標準、建筑結(jié)構(gòu)疲勞損傷和建筑結(jié)構(gòu)減振隔振措施四個方面,總結(jié)分析交通振動環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)損傷機理以及建筑結(jié)構(gòu)減振隔振方面的研究現(xiàn)狀。

1 交通振動對建筑影響的研究方法

目前,交通振動對臨近建筑物影響的研究已有了長足的發(fā)展。在國外,Chikaaki[15]最早開始致力于交通振動的研究,提出了交通振動環(huán)境下高架鐵路橋梁的振動形式,為后來交通振動的發(fā)展提供了先導性的理論基礎(chǔ)。而我國關(guān)于交通振動方面的研究最早開始于茅玉泉[16]對交通運輸車輛引起的地面振動特性和衰減的研究,采用數(shù)理統(tǒng)計復合回歸的方法,探討了振動傳播的衰減規(guī)律,提出了地面垂直和水平振動衰減的經(jīng)驗公式,以此為開始,我國對于交通振動方面的研究有了突破性的進展。

由于目前交通行業(yè)的快速發(fā)展,對于交通所產(chǎn)生振動的研究得到了學術(shù)界的廣泛關(guān)注,表1列出了目前國內(nèi)外關(guān)于交通振動環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)受損情況的部分研究案例及其主要研究方法。

表1 目前針對交通振動研究的相關(guān)案例Table 1 The related cases of traffic vibration research at present

由表1可以看出,目前關(guān)于交通振動環(huán)境下建筑結(jié)構(gòu)受影響的研究方法主要有4種:(1)根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行測試和數(shù)值計算相結(jié)合的方法;(2)基于有限元模型的數(shù)據(jù)分析方法;(3)預測模型的建立和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比方法;(4)根據(jù)國家標準和規(guī)定的經(jīng)驗分析法。

基于這4種方法,在研究交通振動問題時,可根據(jù)所研究項目選定相適應的方法,4種研究方法各有優(yōu)缺點,在確定研究方法時,應充分考慮各種環(huán)境因素以及現(xiàn)場條件的限制,以此來選定最終的研究方法。目前選用最多的為現(xiàn)場實測和數(shù)值分析相結(jié)合的方法,此方法可以避免由于經(jīng)驗分析帶來的缺乏通用性的問題,同時也可以避免由于預測模型所帶來的不確定性以及數(shù)據(jù)參數(shù)的不確定性帶來的誤差因素,也可以避免由于單一數(shù)據(jù)分析引起結(jié)論的不完整性問題,同時該方法可以與預測模型相結(jié)合來提高試驗研究的精確性和嚴謹性。

2 建筑結(jié)構(gòu)振動控制標準的研究現(xiàn)狀

目前我國關(guān)于振動對建筑結(jié)構(gòu)控制標準的劃分,主要分為現(xiàn)代建筑和古建筑,對于比較脆弱的文物建筑,國家現(xiàn)行的振動標準來源于《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》[35]。對于古建筑結(jié)構(gòu)控制標準見表2。

表2 古建筑容許振動速度[ν](單位:mm/s)Table 2 Allowable vibration rate of ancient architecture[ν](Unit:mm/s)

根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》[36]中規(guī)定,在連續(xù)發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動、沖擊振動和無規(guī)律振動的建筑結(jié)構(gòu)區(qū)域附近內(nèi)應滿足表3的標準要求。

表3 城市各類區(qū)域鉛垂向Z振級標準值表(單位:dB)Table 3 Standard value of vertical vibration in various urban areas (Unit:dB)

根據(jù)我國現(xiàn)行標準《建筑工程容許振動標準》GB 50868-2013[37]規(guī)定,交通振動對建筑結(jié)構(gòu)影響在時域范圍內(nèi)的容許振動值,宜按表4的規(guī)定采用。根據(jù)德國標準DIN4150-3-1999[38]中對各種振源對鄰近建筑物的振動影響,其控制標準如表5所列。通過對比我國和德國交通振動對建筑結(jié)構(gòu)影響的容許振動值可以看出,我國對于交通振動的控制標準較為嚴格,特別是我國古建筑振動標準的嚴格性要遠遠高于國外[39]。但在目前關(guān)于普通建筑物對交通振動控制標準的研究上,這些標準在制定和使用時依然存在著一些問題,由于交通振動而引起臨近建筑物動力響應的評價標準沒有統(tǒng)一的規(guī)范可尋,仍然存在有很多問題未得到解決,在振動控制的標準制定上專家學者未達成一致[40-42]。例如在《古建筑防工業(yè)振動技術(shù)規(guī)范》中,關(guān)于古建筑的振動評價指標是速度;在《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》中,通常用Z振級為振動評價標準,同時多采用整個頻段的總響應量作為結(jié)果;而在《建筑工程容許振動標準》中,又以振動速度作為古建筑和結(jié)構(gòu)物兩種建筑的共同評價指標。

表4 交通振動對建筑結(jié)構(gòu)影響在時域范圍內(nèi)的容許振動值Table 4 Allowable value of traffic-induced vibration of building structures in time domain

表5 德國交通振動對建筑結(jié)構(gòu)影響在時域范圍內(nèi)的容許振動值Table 5 Allowable value of traffic-induced vibration of German building structures in time domain

綜上分析可以得出,目前相關(guān)規(guī)范和標準存在以下問題:

(1) 關(guān)于交通振動對建筑結(jié)構(gòu)影響的評價沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標準可以進行參考。

(2) 對于不同材料的建筑結(jié)構(gòu)沒有給出確切的振動容許值,而且在建筑物類型劃分時只給出了這一類建筑物振動標準。

(3) 同一類建筑物中建筑結(jié)構(gòu)的類型仍然會有很大的差距,因此對于建筑振動控制標準的劃分過于粗略,不能夠精確的描述出不同建筑結(jié)構(gòu)類型的振動控制標準。

結(jié)構(gòu)在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命,即在給定重復荷載作用下使結(jié)構(gòu)破損所必需的應力或應變循環(huán)次數(shù)。現(xiàn)在普遍認為應力變化范圍是影響疲勞壽命的主要因素。因為振動波在傳播過程中,某一點的振動位移為[43-44]

u=Asin(kx-ct)

(1)

式中:A為位移振動最大幅值;c為波速;k為常數(shù)。

振動速度為

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

(2)

單位距離的位移變化量為

du/dx=kAcos(kx-ct)

(3)

根據(jù)應變定義ε=Δl/l,和每單位距離位移的變化量一致,則由式(2)、(3)可得

ε=du/dx=kAcos(kx-ct)=-(k/c)v

(4)

因此為了能夠科學準確的評估不同建筑結(jié)構(gòu)的抗振能力,建議將建筑結(jié)構(gòu)的疲勞性能作為研究的對象,將疲勞壽命作為建筑結(jié)構(gòu)振動容許值的參考依據(jù),考慮到建筑材料以及結(jié)構(gòu)在環(huán)境作用下的累積損傷效應[45-47],提出建筑結(jié)構(gòu)在交通振動環(huán)境下振動疲勞和剩余壽命評估的方法,為建筑結(jié)構(gòu)在交通振動環(huán)境下的振動控制標準提供理論參考和科學依據(jù)。

3 建筑結(jié)構(gòu)疲勞損傷研究現(xiàn)狀

目前關(guān)于交通振動作用下對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷影響的分析,國內(nèi)外均處在一個探索研究的階段,而關(guān)于交通振動激勵下的疲勞分析,大都集中在橋梁、隧道以及建筑材料的研究上,近年來關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)的疲勞損傷主要研究工作列于表6。

表6 建筑結(jié)構(gòu)的疲勞損傷主要研究工作Table 6 Main research work on fatigue damage of building structures

結(jié)構(gòu)在循環(huán)應力或循環(huán)應變作用下,由于某點或某些點產(chǎn)生了局部的永久性結(jié)構(gòu)變化,從而在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成裂紋或發(fā)生斷裂的過程稱為疲勞。由于交通產(chǎn)生的振動會持續(xù)對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生長久的影響,雖然在短時間內(nèi)由交通振動產(chǎn)生的能量較小,但建筑長期在這種微振動的作用下,會產(chǎn)生疲勞損傷響應,損傷將不斷增長、累積,最終造成結(jié)構(gòu)的破壞加劇,嚴重的還會導致建筑物的開裂和倒塌。趙奎等[48]通過實驗發(fā)現(xiàn),加載與卸載階段都會產(chǎn)生損傷,且損傷隨應力的增大而增大,因此建筑物在反復受到交通荷載的情況下會產(chǎn)生疲勞損傷效應。

對于交通振動影響下建筑結(jié)構(gòu)疲勞損傷的研究,應當充分的考慮到在自然環(huán)境的影響下,建筑物會由于不同頻率的周期荷載、凍融環(huán)境和硫酸鹽腐蝕環(huán)境、風荷載以及地表微振動等的影響下材料損傷不斷積累,從而導致建筑物的主體產(chǎn)生裂縫并不斷的擴展。

綜上所述:

(1) 國內(nèi)外關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)損傷機理的研究沒有一個系統(tǒng)性的理論思想,使得此方面的研究比較零散。由于沒有統(tǒng)一的理論可以去依靠,國內(nèi)外對于建筑結(jié)構(gòu)在交通激勵作用下的損傷機理研究以及評估甚少。

(2) 研究建筑物在交通荷載影響下的疲勞損傷時,需要將由于環(huán)境因素而造成建筑物的損傷考慮在內(nèi),在此基礎(chǔ)上再進行交通振動影響的研究,同時也要考慮環(huán)境因素與交通振動因素耦合的情況,先對建筑物進行損傷機理因素分析,避免單一考慮某一方面的影響而造成結(jié)構(gòu)安全分析的片面性和局限性。

4 建筑結(jié)構(gòu)減振措施研究現(xiàn)狀

車輛產(chǎn)生振動的原因是輪轂與軌道或者地面之間相互作用,產(chǎn)生的振動通過路基或橋墩傳遞至建筑物地基,繼而又傳遞到了建筑物。夏禾[61]通過對交通振動問題的研究提出了振動可以分為三個系統(tǒng):振源系統(tǒng)、振動傳遞路徑系統(tǒng)和受振體系統(tǒng)。結(jié)合交通振動的產(chǎn)生機理、傳播的性質(zhì)以及對建筑結(jié)構(gòu)影響的因素,對交通振動的防治可以從產(chǎn)生振動的振源主動減振,在振動傳播過程中切斷傳遞路徑和對受振體進行積極地采取隔振措施。目前關(guān)于交通振動的隔振減振研究現(xiàn)狀如表7所列。

式中：Qz、Q1、Q2、Q試件分別為總換熱量、試件框換熱量、熱箱外壁換熱量、試件(聚苯乙烯泡沫板或真空玻璃板)換熱量，W；f1為試件框熱流系數(shù)，W/K；Δt1為試件框冷熱面溫差，K；f2為熱箱外壁熱流系數(shù)，W/K；Δt2為熱箱內(nèi)外表面溫差，K；Δt為試件冷熱表面溫差，K；A為試件面積m2；Δt熱為熱面設(shè)定溫度與填充板熱面溫度之差(取絕對值)，K；Δt冷為冷面設(shè)定溫度與填充板冷面溫度之差(取絕對值)，K.

表7 交通振動的隔振減振研究現(xiàn)狀Table 7 Research status of traffic vibration isolation and reduction

目前關(guān)于交通振動的研究主要集中在高頻振動,現(xiàn)在常規(guī)減振隔振材料能夠有效地控制20 Hz以上頻率的振動[62],而對于低頻振動的控制研究較少,因此在未來應加大對低頻振動的研究,采用新的規(guī)范,減少由于低頻振動帶來的危害。雖然當前關(guān)于交通振動的減振材料和方法較多,但仍存在著一些不足,例如:減振方法的控制標準不統(tǒng)一;減振材料的研究缺乏科學的評價標準;減振材料性能的表述不夠明確:減振隔振材料價格的參差不齊。故應逐步建立起關(guān)于交通振動控制方法和減振隔振材料的專項管理制度,出臺相應的規(guī)定和標準,在保障安全的前提下,做到建筑結(jié)構(gòu)在振動條件下安全、經(jīng)濟、環(huán)保。

5 結(jié)論

通過以上的論述,可以得出以下結(jié)論:

(1) 目前國內(nèi)外關(guān)于交通振動的研究方法主要有4種:根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行測試和數(shù)值計算相結(jié)合的方法;有限元軟件的應用和數(shù)據(jù)分析的方法;預測模型的建立和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比的方法;根據(jù)國家標準和規(guī)定的經(jīng)驗分析法。目前最有效和最常用的為現(xiàn)場實測和數(shù)值分析的方法,而對于不同的研究項目會有其不同的適用研究方法,因此在進行研究時應根據(jù)實際情況來選擇。

(2) 通過對國內(nèi)外目前交通振動控制標準的研究對比分析,我國關(guān)于交通振動控制的標準要嚴格高于國外。但由于目前交通振動控制標準的不統(tǒng)一,存在著一定的問題,因此本文建議將建筑結(jié)構(gòu)的疲勞性能作為研究的對象,將疲勞壽命作為建筑結(jié)構(gòu)振動容許值的參考依據(jù),提出建筑結(jié)構(gòu)在交通振動下的振動疲勞和剩余壽命評估的方法,能夠為建筑結(jié)構(gòu)在交通振動環(huán)境下的振動控制標準提供參考和科學依據(jù)。

(3) 在研究分析交通振動的產(chǎn)生形式以及建筑結(jié)構(gòu)在交通振動下的受損機理中,提出建筑物在交通荷載影響下的疲勞損傷時,需要將由于環(huán)境因素而造成建筑物的損傷考慮在內(nèi),在此損傷的基礎(chǔ)上再進行交通振動影響的研究,同時也要考慮環(huán)境因素與交通振動因素耦合的情況。

(4) 由于交通振動是一個復雜的振動形式,目前關(guān)于交通振動的研究大多集中在高頻振動以及如何控制高頻振動,常規(guī)的隔振減振措施能夠有效的降低20 Hz以上頻率的振動,但對于低頻振動的控制卻一直是一個亟待解決的問題。同時當前隔振減振材料的品種繁多,沒有科學的評價標準,應逐步建立起關(guān)于交通振動控制方法和減振隔振材料的專項管理制度,在保證經(jīng)濟和安全的前提下實現(xiàn)減振隔振的目標。