某文物建筑不同振動源的振動影響實測分析

王 昆 WANG Kun 謝永健 XIE Yongjian

0 引言

隨著現代城市的快速發展，城市地區文物建筑所處的振動環境正在逐漸惡化，交通、施工等引起的振動對文物建筑的環境影響尤為顯著。振動環境中，文物建筑的保護涉及建筑結構安全性和建筑完整性。一方面，受自身結構壽命的影響，文物建筑的建筑構件對環境更加敏感，對振動環境的要求也相對更高；另一方面，由于文物建筑的歷史文化特殊性和破壞不可逆性，其對“建筑破壞”的定義遠比現代建筑嚴格[1]。

目前，國內外關于交通振動環境下古建筑的振動研究已比較成熟。例如，許多學者先后通過理論分析、數值建模和現場實測等方法，評估地鐵等交通環境振動對建筑物的影響，分析環境振動變化規律，并開展相應的評估與預測研究[2-3]；亦有學者通過實際應用案例，分析地鐵隧道等深基坑的開挖與施工對古建筑的振動影響[4-6]。但對于同一古建筑不同振動源引起的振動影響，尚缺乏完善的研究。

本文結合實際工程，研究地鐵振動、裝修施工及周邊工程建設造成的偶然沖擊荷載等3 種振動源對古建筑帶來的影響，為今后類似工程的監測方案提供經驗參考。

1 工程概況

某文物建筑始建于1922 年，為近現代全國重點文物。建筑原為4 層（局部5 層）磚木結構，后經多次修繕，內部改為框架結構。其建筑平面呈“回”字形布置，內設天井，主體4 層，前部屋頂設2 層塔樓，建筑總高度約為21.6 m，建筑面積4245m2；房屋底層層高4.5m，二、三層層高均為3.4 m，四層層高為3.3 m。該建筑地處城市鬧市區，其北側不到30 m 處有一條運營中的地鐵，且周邊300 m 范圍內有4 處建筑工地；同時，其本身正在進行裝修施工。為調查建筑周邊振動源及其振動的關聯情況，持續對該房屋進行6 d 振動監測。

2 監測方案

2.1 振動評價標準

目前，與文物建筑相關的振動評價標準，主要有《古建筑防工業振動技術規范》（GB/T50452—2008）[7]（以下簡稱《古建筑規范》）和《建筑工程容許振動標準》（GB 50868—2013）[8]。其中，《古建筑規范》對全國重點文物磚結構的容許振動值規定為“承重結構最高處振動速度響應不超過0.15 mm/s”；而《建筑工程容許振動標準》（GB 50868—2013）僅對“振動敏感、具有保護價值、不能劃分上述兩類的建筑（即未核定為文物保護單位的不可移動的、具有歷史、藝術、科學價值且需要保護的古建筑、古文化遺址、古墓群、近現代史跡和代表性建筑等）”進行了規定，且交通振動的容許振動值為2.5 mm/s，建筑施工容許振動值為3.0 mm/s。鑒于該建筑為全國重點文物建筑，且作為紀念館，館內存有許多珍貴展品，故振動控制標準較高，其振動水平的評價應參考國家標準《古建筑規范》中的容許值0.15 mm/s。

同時，由于建筑臨近運營中的地鐵，其地鐵運營引起的振動應滿足行業標準《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》（JGJ/T 170—2009）[9]（以下簡稱《軌交標準》）相關要求；且全國重點文物建筑屬于對振動要求很高的特殊建筑，應按0 類或1 類區域考慮，故室內的晝間振動限值為65 dB，夜間振動限值為62 dB。

2.2 測試儀器設備及測點布置

測試方案主要根據上述評價標準進行。測試時，根據現場情況布置測點及拾振器，采用由中國地震局工程力學研究所制造的941B 型拾振器接收速度信號，并采用INV3062T 云智慧采集儀進行離線采集和存儲。國內外大量工程實踐表明，地面質點峰值速度與建筑物的破壞程度相關性最好[10]。本測試方案采用的914B 型拾振器，是一種廣泛用于多種場合的低頻振動測量和監測儀器。基于動圈式往復擺的運動原理，將拾振器水平向或鉛錘向與被測結構固定后，拾振器的運動部分構成速度擺，拾振器則構成加速度計。通過接通不同的微型撥動開關，儀器可輸出速度或加速度參量。經過與數據采集儀的配接，即可在終端設備上實現測量數據的離線采錄。

測點布置的主要原則是：底層布置加速度傳感器，且測量的鉛垂向加速度依據《軌交標準》相關要求評價振動水平；其它樓層布置速度傳感器，并依據《古建筑規范》評價振動水平。測點的布置詳見表 1 和圖1。

表1 測點布置說明

圖1 各層測點布置示意圖

3 監測結果分析

3.1 地鐵振動數據分析

部分文獻曾對列車行駛軌跡與相鄰古建筑振動特性展開測試研究。他們認為，列車振動引起古建筑結構的動力響應隨水平距離和豎向距離的改變呈有規律的變化，其中，在地下結構部分以豎直方向響應為主，超過一定高度后，地上結構振動以水平方向響應為主，且地上結構的動力響應高于地下結構[2]。亦有文獻對地鐵隧道穿過建筑物正下方及隧道位于建筑物一側時的傳遞損失特性進行了研究：當地鐵隧道穿過建筑物正下方時，傳遞損失最小；當隧道穿過建筑物旁側時，則傳遞損失較大；且隨著隧道與建筑物間的水平距離增加，傳遞損失顯著增大。可見，增加隧道與建筑物之間的水平距離，能夠有效地減小建筑物振動[11]。這些均表明：地鐵的行駛路線與建筑物的水平距離會對地鐵振動造成有規律的影響。

本項目中，地鐵最近處從建筑北側30 m 斜向而過，且相鄰地鐵的載客運營時段為 6:30—22:00。為專門分析地鐵運營的影響，應盡量減少周邊工地振動及地面交通振動對地鐵振動分析結果的干擾，故抽取19:00 以后周邊工地停工、道路地面交通減少時段的速度、加速度數據進行分析。根據典型振動時程曲線（圖2），對振動時程曲線進行頻譜變換，可得出功率譜密度曲線（圖3）。可以看出，地鐵從建筑北側經過時，底層加速度測點的振動先逐漸變大，后又逐漸變小，時程曲線外包絡線呈梭形，反映了地鐵靠近建筑后又遠離建筑的過程；通過頻譜變換，可知底層加速度測點的鉛垂向主要響應頻率為10.5～12.5 Hz。

圖2 底層3 個測點加速度時程曲線

圖3 底層3 個測點加速度功率譜密度曲線

3.1.1 按《古建筑規范》評價振動影響

表2 列舉了地鐵從房屋北側經過時，各層樓板典型時段的最大響應速度。可以看出，地鐵經過時的各層樓板水平方向最大響應速度介于0.011～0.026 mm/s 之間，小于《古建筑規范》中的容許值0.15 mm/s，均滿足規范要求。

表2 地鐵影響下各層樓板最大響應速度

3.1.2 按《軌交標準》評價振動影響

根據《軌交標準》，對截取的5輛列車經過時底層測點 P1～P3的最大分頻振級進行計算（表3），其中，各車次經過測點的時間為7～10 s。由表3 可知，地鐵引起室內振動的最大分頻振級為51.7 dB，滿足標準晝間振動限值（65 dB）的要求（地鐵運營時間為6:30—22:00，屬于晝間時段，故只分析晝間振動情況）。

表3 地鐵影響下底層測點最大分頻振級

3.2 裝修施工影響

監測期間，房屋三、四層處于裝修施工階段，振動干擾較大；特別是在進行敲鑿粉刷作業時，振動最為明顯。其典型測點的速度時程曲線見圖4，功率譜曲線見圖5，且內部裝修施工荷載作用下各層測點5 次振動測試的最大響應速度測試結果見表4。由此可知，距離裝修施工最近的三、四層樓板振動峰值最大，超過《古建筑規范》中0.15 mm/s 容許值的測點較多；距離裝修施工較遠的二層樓板和屋面樓板振動較小，超過《古建筑規范》容許值的測點較少。因此，裝修施工振動主要影響的是局部臨近裝修施工的樓層。

圖4 裝修施工影響下三層測點速度時程曲線

圖5 裝修施工影響下三層測點速度功率譜曲線

表4 裝修施工影響下各層樓板最大響應速度

3.3 工程建設偶然沖擊荷載振動的監測結果及分析

監測期間，曾采集到2 次明顯沖擊荷載振動，每次持續時間約5 s，其典型時程曲線見圖6，頻譜變換后的頻譜曲線見圖7。從圖6 的時程曲線可以看出，沖擊荷載振動快速達到峰值，然后又快速衰減。兩次沖擊對應的最大響應速度測試結果如表5 所示。可以看出：建筑屋面層東西方向和南北方向的最大響應速度分別為0.221 mm/s 和0.205 mm/s，四層東西方向和南北方向的最大響應速度分別 為0.181 mm/s 和0.167 mm/s，均超過0.15 mm/s 的容許值；二、三層則未超過0.15 mm/s。根據振動響應曲線，結合周邊工程建設情況，可以推測，這種短時的振動可能是由周邊建設過程中存在較大沖擊能量的大型機械施工振動引起。此外，受樓層高度影響，房屋在同一沖擊荷載下，較低樓層加速度與上部樓層加速度差別較大，施工時，應對不同樓層加速度開展專項監測。

表5 偶然沖擊振動影響下樓板最大響應速度

圖6 偶然沖擊荷載影響下三層測點速度時程曲線

圖7 偶然沖擊荷載影響下三層測點速度功率譜曲線

3.4 不同影響源的振動影響比較分析

本文研究的振動源主要為相鄰地鐵運營振動、裝修施工振動及周邊工程建設引起的沖擊荷載振動。

（1）根據現場監測人員的振感分析：沖擊荷載振動最為明顯；裝修施工振動也較明顯，尤其是鑿除粉刷層的施工，但能感受到的范圍有限；地鐵振動基本不太明顯。

（2）根據作用時間：地鐵振動持續時間最長；裝修振動次之；沖擊荷載振動作用時間最短，每次僅持續數秒，且監測的 6 d 內僅發現2次。

（3）根據典型振動時程曲線：地鐵振動由于和列車運行有關，時程曲線外包絡線呈梭形，近似呈周期性影響；沖擊荷載振動的時程曲線快速到達峰值，然后快速衰減；裝修振動，基本維持在較低水平，偶爾有一個較大的峰值。

（4）根據振動頻率：地鐵振動因其影響源較為單一，影響的主頻比較明顯，集中為10.5～12.5 Hz；裝修振動頻率較多，有低頻有高頻，主要集中于65.0～73.5 Hz，這與裝修影響源頻率多樣化有關；沖擊荷載頻率較低，主要為3.5～6.0 Hz。

本項目監測過程中，沖擊荷載振動和裝修振動均超過相應標準，對房屋的影響較為明顯；但從房屋的長期振動角度來考慮，振動的潛在影響還需要進一步研究。

4 結語

本文針對某文物建筑不同振動源引起的振動監測，分析地鐵振動、裝修施工振動、相鄰工程建設施工偶然沖擊荷載振動的時程曲線特點、頻譜特征及幅值大小，并按照相應規范評價振動對建筑的影響，為判斷振動源并制訂針對性的監測方案提供研究基礎，繼而為今后文物建筑或類似建筑的保護監測提供參考。需注意的是，振動對文物建筑的長期影響，尚需將振動監測與房屋結構損傷調查、分析結合起來，開展更為長期深入的研究，才能更好地為文物建筑及類似建筑的保護提供科學有效的方法。