建筑振動及其測試評價方法研究

魏曉斌，郭建祥，孫正華

（江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210033）

0 引言

隨著建筑行業的迅速發展，振動對結構安全、居住舒適度及工作環境的影響受到越來越多的關注［1］。建筑振動是建筑在激振源的影響下產生了往復的運動，這種激振源一方面來自于建筑內部，主要體現在設備振動激勵引起建筑結構的振動［2］；另一方面體現在建筑外部，施工、交通等振源通過土層等介質把振動能量傳遞給建筑結構［3］。建筑物受振動的影響程度，直觀表現為裝飾物開裂脫落［4］。振動是一個能量轉變過程，強烈的振動有可能會瞬間形成一個大范圍的動應力，導致結構構件及節點螺栓等產生瞬間動力，造成結構疲勞和破壞，嚴重時，會直接造成結構的失衡和基礎的沉降，使基礎、結構等部位構件受牽拉作用而最終導致斷裂破壞。此外，過于頻繁的結構振動，也會對室內環境中的人體舒適度產生影響［5］。

振動對建筑的危害程度與很多因素有關，例如，振源的基本特性、激振源與建筑之間的傳播距離、振源與建筑之間的傳輸介質、建筑物對振動的抵抗能力以及建筑物的振動響應特性等。因此，研究振動對建筑物的危害及建筑物內人員的舒適度的影響，除了要研究振源的特性外，對結構、設備、系統等進行振動測試也是必不可少的手段。振動速度和振動加速度能反映建筑物振動時能量值大小，與建筑物的破壞有著直接的關聯。因此，在振動測試中，常用振動速度和振動加速度評價建筑物的振動響應程度［6］。

本文結合以往學者對振動測試的研究，總結了振動的產生及傳播模式，分析了不同規范中的振動評價指標，并結合實際工程進行了實例驗證，為今后類似的工程振動檢測提供經驗參考。

1 振動分類及其傳播特性

目前的研究表明，振源可概括為：工業振源、工程振源、道路交通振源及自然振源等。

1.1 工業振源

工業振源主要指的是工廠內的一些生產運作，例如機械運轉、傳動軸、管道振動等［7，8］。在工業生產中，撞擊作業的機械稱為瞬態振源，由于器械本身的自重大這一特點，其產生的振動能量也很大，例如在建筑中進行的鍛錘和沖壓等生產，通常布置于一層地面，當布置于樓面時，其振動波在房屋內沿著房屋結構傳播，長期以往，對建筑的安全影響較大，現已成為危害建筑安全最突出的振源之一。若機械設備運轉過程中產生有規律、周期性、反復作用的振動，則稱為穩態振源，通常有冷凍機、發動機和空壓機等，這類振源當布置于樓面時，其產生的振動相對較小，但是對人體舒適度的影響較為明顯，需設置專用的基座。工業廠房中的吊車等設備屬于隨機性振源，通常支承在柱或梁上，其對吊車梁的影響要大于支撐柱。

1.2 工程振源

工程振源主要指的是施工現場機械作業產生的振源，包括：打樁機、強夯機、水泥攪拌機、輾軋設備、爆破以及各種大型運輸機等［9］。在工程作業中，其振動主要來自于地下工程施工作業、樁基施工以及拆除作業等。在城市地下工程施工中，爆破作業主要用于破除堅硬的巖石層，其特點是產生的幅值高、振動衰減快，通常爆破振動頻率在 15～100 Hz，振動持續時間在 1 s 之內。打樁、強夯等地基基礎施工以及建筑拆除施工，其產生的振動主要通過地面傳播，對周邊建筑物的影響隨距離的增大而減小，通常其主要對精密儀器運行和人體舒適度會產生一定的影響，以及對陳舊的磚混結構房屋可能產生損壞［10］。

1.3 交通振源

交通振源可分為公路振源和鐵路振源，公路振源主要是車輪和路面的摩擦產生振動，而鐵路振源主要指的是鐵軌與軌道連接處的撞擊產生的振動。軌道和道路交通振源主要來自于列車對軌道的沖擊作用和車輛與路面的相互作用，兩者之間的原理相似，主要是對精密儀器、人體舒適度和建筑物本身產生影響。這種振動產生的振動波，通過周邊土層傳播，進而誘發附近地下空間結構二次振動。

1.4 自然振源

自然界中的一些現象引起建筑振動稱之為自然振源［11］，包括地震、風荷載、海嘯等。地震作用危害性巨大，現有規范已對地震作用做出了響應的抗振處理。風荷載屬于一種隨機振源，對于一般建筑特別是高層建筑引起振動較為明顯。其他振動，如洪水、海嘯等，類似于地震，這類振源對建筑是毀滅性的。

2 既有建筑動力響應測試方法

目前，對于建筑振動的研究已有很多理論方面的成果，然而，振動問題僅僅依靠理論分析不能滿足工程應用的需要，且與實際情況有所偏差，因此，需要在理論分析的基礎上進行建筑現場檢測試驗。振動檢測方法是目前最常用的評估振動對建筑物影響程度的手段。結構振動現場檢測已有成套的軟件及設備。常見的振動檢測可分為三類基本問題：①對振動源的動力特性的檢測；②對建筑物的動力特性的檢測；③在振動源的影響下，對建筑的動力響應的檢測。振動系統的參數識別可以用頻域、時域識別法，通過對參數的分析，可以對結構的狀態進行監測評估。

2.1 測試基本要求

目前對于振動的測定，并沒有統一規定，GB 50858－2013《建筑工程容許振動標準》［6］中規定：“當測試振動信號頻率范圍不大于10Hz時，宜選用位移型或速度型傳感器；對于寬屏帶沖擊機器，宜選用位移型和速度型傳感器同時進行測試；振動測試點應設在振動控制點上，振動傳感器的測試方向應與測試對象所需測試的振動方向一致，測試過程中不得產生傾斜和附加振動，振動控制點應取基礎或支撐結構頂面振動最大點，宜在水平和豎向布置振動傳感器”。以建筑施工為例，其打樁、振沖等基礎施工對周邊建筑的影響則用建筑基礎和頂層的速度峰值來評價，因此只需在建筑基礎和頂層布置水平向和豎直向測點。GBT 50355－2018《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》［12］中規定：“測點布置于住宅建筑室內地面中央或室內地面振動敏感處，拾振器的靈敏度主軸方向應與地面（或樓層地面）的鉛錘方向一致”。GB/T 14124－2009《機械振動與沖擊 建筑物的振動 振動測量及其對建筑物影響的評價指南》［13］介紹：“對于強迫振動的監測，較好的位置為建筑物的基礎上，當無法在基礎上測量時，典型測點可以設置在基礎底板主要承重外墻的底部。對于高度大于 4 層的建筑物，每隔四層和在頂層設置測點，對長度大于 10 m 的建筑物，應沿水平方向每隔 10 m 設置一個測點”。JGJ/T 170－2009《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》［14］則規定：“測點位置應布置于一樓室內敏感點或敏感區域，且至少應布置 3 個測點，當布置于建筑物的基礎距外墻 0.5 m 范圍內的振動敏感處時，應在靠近軌道一側的基礎上至少布設 1 個測點”。

綜上可以看出，對于外部地面振源，建筑物動力響應測點宜布置在建筑基礎和樓頂，根據實際需要，其余樓層可逐層或隔層布置測點，測點數量也可根據實際情況，布置位置則是以振動敏感處和結構薄弱處為主，在滿足規范最低要求的同時，可以適當增加測點。

2.2 振動測試評價標準

振動評價主要是通過分析振動速度及加速度時域信號，獲得測量時域范圍內的振動速度峰值和振動加速度峰值。GB 50858－2013《建筑工程容許振動標準》中對于精密儀器及設備、動力機器基礎、人體舒適度、交通振動、建筑施工振動、聲學環境振動容許速度峰值已有相關規定。設備類的振動容許值主要是根據時域、頻域范圍內的設備振動速度獲得。人體舒適度評價將辦公區和生產操作區進行了區分，其評價指標為振動計權加速度級。交通振動對建筑結構的影響則是對基礎（豎向、水平）和屋頂（水平）處的振動速度峰值及其對應的頻率進行評價，其頻率范圍為 1～100 Hz。不同于交通振動，建筑施工振動是通過測量基礎和屋頂水平和豎向速度峰值及其對應的振動頻率，以獲得其在時域范圍內的容許振動值。GB 50858－2013《建筑工程容許振動標準》中關于聲學環境振動是以噪聲排放限制及在頻域范圍內的容許振動加速度均方根值來評價，不同的是，《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》中關于環境振動指的是住宅建筑物外部各種振源對住宅建筑物的容許振動限制，在環境振動測量中，一般選用振動加速度級和振動級作為振動強度參數，表征振動對人體響應的主要采用加速度級 La 來表示振動加速度的大小，由于居民日常生活主要是在住宅建筑室內地面或樓面上，其主要受鉛垂向振動影響較大，因此振動測量通常以鉛垂向 Z 振級為主。JGJ/T 441－2019《建筑樓蓋振動舒適度技術標準》［15］中介紹了兩種舒適度評價方法，一種對應工況為有節奏運動為主的樓蓋建筑，則采用有效最大加速度進行評價，另外一種則是對于其他樓蓋結構、連廊和室內天橋，則采用峰值加速度進行評價。

因此，在對建筑振動進行評價需要清楚振源的產生因素以及評價的目的，利用不同規范進行評價時，其需要獲得的振動響應位置也有所區分。

3 既有建筑動力響應測試方法

某辦公樓結構型式為框架-核心筒結構，結構標高83.25 m，地上 17 層，地下 3 層。樓頂中間為空調循環水泵，樓頂東南角為熱泵機組，即空調循環水泵 4 臺和熱泵機組 6 組，如圖1～圖3 所示。

圖1 屋面層動力機器位置及編號示意圖（單位：mm）

圖2 空調循環水泵外觀照片

圖3 熱泵機組外觀照片

空調循環水泵每組自重 573 kg，功率為 43 kW；熱泵機組每組 5 臺，每臺自重 885 kg，每臺功率 43.3 kW。上人屋面活荷載設計值 2 kN/m2。

按照振動信號測試分析系統布設方法，考慮到結構的振動特點及傳振形式，在 17 層樓面布置了 6 個測點，測試鉛垂向振動加速度，測點位置位于樓板形心，數據采集采用振動信號測試分析系 DH5927N 和941B拾振器進行數據采集。測點布置如圖4 所示，測試實景照片如圖5 所示。

圖4 17 層振動測點布置示意圖（單位：mm）

圖5 測點 ZD17-6 實景照片

現場檢測分為 2 個工況：工況 1，在屋面層空調循環水泵和熱泵停止運行時，測試環境振動下室內振動情況；工況 2，測試空調循環水泵和熱泵同時運行時室內振動情況，即打開 2#、3# 空調循環水泵和 1#、3#、6# 熱泵，在空調循環水泵和熱泵運轉穩定后開始采集數據。空調循環水泵和熱泵的位置如圖1 所示。

工況 1 時，空調循環水泵和熱泵沒有啟動時，各測點的振動加速度較小，如表1 所示。各測點的時域圖譜如圖6 所示。

表1 17 層測點工況 1 下振動加速度匯總表

圖6 17 層測點工況 1 下振動時程曲線

工況 2 時，開啟空調循環水泵和熱泵進行測試，保持 2#、3# 空調循環水泵和 1#、3#、6# 熱泵同時運行。在測試工況下 ZD17-3 測點的振動加速度最大，最大加速度峰值為 0.130m/s2，方向為鉛垂向，具體檢測結果如表2 所示。各測點的時域圖譜如圖7 所示。

表2 17 層測點工況 2 下振動加速度匯總表

圖7 17 層測點工況 2 下振動時程曲線

測試結果表明，利用振動測試技術可以及時對建筑物內環境進行評價，其測點選擇綜合考慮了結構形式和振動傳遞模式，所模擬的測試工況能夠真實反映未來運行時的實際情況，對后續減振降噪具有很好的指導意義。此次測試僅對舒適度進行了評價，恰當的選點和增加測點也可對建筑安全性進行評估。

4 結語

1）振動的影響主要分為對結構安全的影響和對建筑內人體舒適度的影響。建筑的振動響應可通過對建筑基礎、樓蓋的振動速度、振動加速度等物理參數獲得。

2）振源可分為工業振源、工程振源、道路交通振源及自然振源等。工業振源和自然振源產生的振動直接作用于建筑結構上，工程振源和道路振源則是通過土體這一介質進行傳振，因此，工業振源和自然振源對建筑的危害要大于工程振源和道路交通振源。

3）本文總結了振動常用的測量方法和評價手段，通過一個現場實例驗證了現有振動測試方法的適用性：對于振源和檢測點不在同一層時，舒適度的檢測要考慮建筑結構的振動特點及傳振路徑，且要根據現場實際情況增設測點，最終檢測結果對后續減振降噪具有很好的指導意義。Q