高廣運 耿建龍 畢俊偉 游遠洋

( ①同濟大學地下建筑與工程系 上海 200092)

( ②同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室 上海 200092)

0 引 言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化建設的不斷推進，城市人口不斷聚集，大城市尤其是特大城市中交通問題日益突出。地鐵以其安全、便捷、準時、運量大等特點，已成為解決城市交通問題的重要手段( 劉濤等，2018) 。由于城市用地緊張及地鐵出行的便利性，建筑物距地鐵的距離不斷縮小，加之城市地面交通的影響，使交通環(huán)境振動對建筑物的影響越發(fā)嚴重。為避免交通環(huán)境振動對居民正常生產(chǎn)生活造成影響，許多學者先后評估了地鐵等交通環(huán)境振動對建筑物的影響，分析了環(huán)境振動變化規(guī)律并開展了相應的隔振、減振措施研究。在所有研究方法中，現(xiàn)場實測是評估地鐵環(huán)境振動最可靠的研究手段。

目前，地鐵運行引起建筑物振動響應的實測研究已有較多成果。結合歐盟2003 年的CONVURT( The Control of Vibration from Underground Railway Traffic) 項目，Chatterjee et al. ( 2003) 和Degrande et al. ( 2006) 分 別 對 巴 黎 地 鐵 RER B 線 的citéUniverisitaire 站和倫敦地鐵Berkloo 線的Regent's Park 段進行測試，系統(tǒng)觀測了隧道不同位置處、地表和臨近建筑物的振動。高廣運等( 2014，2016) 于2014 年測試了上海地鐵一號線人民廣場站區(qū)間隧道的振動，并結合數(shù)值計算研究了振動波在地表的衰減規(guī)律; 在2016 年實測了上海地鐵二號線龍陽路站附近的地面振動，分析了不同頻段的振動衰減規(guī)律以及波動的影響因素。楊愛武等( 2017) 分析了正弦波和方波循環(huán)荷載作用下軟黏土的動力特性。張逸靜等( 2017) 研究了圓曲線段地鐵運行振動加速度及主頻變化。許晨等( 2018) 開展了地鐵荷載作用下穿越地裂縫隧道——地層相互作用的動力模型試驗，分析了地裂縫活動及地鐵列車振動對位于地裂縫處地層的動力響應規(guī)律。宗剛等( 2018) 實測了上海地鐵沿線某工程建設前后的振動，研究了建筑物對場地振動的影響。

在環(huán)境振動評價方面，我國采用振動加速度級作為評價指標，出臺了多部規(guī)范規(guī)定了軌道交通引起的振動限值及測量方法。上海市在2010 年頒布了《城市軌道交通( 地下段) 列車運行引起的住宅建筑室內(nèi)結構振動與結構噪聲限值及測量方法》( DB 31/T470-2009) 來評價軌道交通環(huán)境振動。國際標準化組織提出采用分布在1/3 倍頻段的速度和加速度有效值作為振動評價指標，并于1985 年頒布了規(guī)定各種建筑物振動限值的ISO 2631 標準。Amick( 1997) 研究指出測試數(shù)據(jù)的處理采用何種度量單位( 位移、速度、加速度) 并沒有本質(zhì)的差別，但最好是在頻域內(nèi)采用均方根值( RMS) 進行分析。

本文對某中心城區(qū)地鐵13 號沿線某擬建住宅辦公樓場地進行24 h 環(huán)境振動測試，采用ISO 2631 標準中規(guī)定的1/3 倍頻程法，分析不同時段地鐵運行等交通環(huán)境因素引起的建筑場地地面振動特性，并得到了一些有益的規(guī)律與結論，為該場地辦公住宅樓的建設提供了依據(jù)，并可為類似條件下住宅辦公樓的現(xiàn)場環(huán)境振動測試及結構設計提供重要參考。

1 工程概況

該擬建辦公住宅樓場地位于某市中心城區(qū)，場地地勢整體較為平坦，屬于濱海平原地貌單元。在地勘揭露的75.45 m 深度范圍內(nèi)均為第四紀松散沉積物，屬第四系河口、濱海、淺海、溺谷、沼澤相沉積層，主要由飽和黏性土、粉性土及砂土組成，具有典型層狀分布特點。

場地處于中心城區(qū)繁華地段，場地北側為城市主干道寧夏路，交通繁忙; 南側為一輔路順義路，車輛較少; 地鐵13 號線近距離從場地下方穿過，地鐵3/4 號線較遠距離從場地西側通過，東側較遠處還有地鐵11 號線運行。地鐵運行和路面交通引起的環(huán)境振動會對該場地造成影響。地鐵13 號線與建筑的位置關系如圖1 所示。

本次測試依據(jù)國際標準ISO 2631 中采用的1/3倍頻程分析法，從加速度和速度有效值兩方面分析場地振動特性，并依據(jù)ISO 2631 關于居民住宅和辦公室的控制標準( 表1) 評價地鐵環(huán)境振動對擬建建筑的影響。

2 現(xiàn)場振動測試

圖1 地鐵與建筑場地的相對位置Fig. 1 The relative position of the subway and the building site

表1 ISO 2631 關于住宅辦公區(qū)環(huán)境振動限值規(guī)定Table 1 Environmental vibration limits of ISO 2631 on residential and office areas

為測試交通環(huán)境振動對擬建居民辦公樓場地的影響，結合實際工程建設需要，選擇距地鐵軌道中心線28 m，距道路中心線72 m 處的位置布置測點，實測擬建工程場地不同時段3 個方向( 南北向、東西向、豎向) 上的速度與加速度。

本次測試采用意大利進口測試儀TROMINO。該儀器集采集系統(tǒng)、3 分量加速度( 速度) 感應系統(tǒng)及數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)于一體，連續(xù)采集數(shù)據(jù)，隨采隨存，可長時間無間斷采集。本次測試速度采集設置為低增益模式，其振動響應頻率為0.01 ～300 Hz，加速度采集分辨率為0.001 gal，采樣頻率設定為512 Hz，完全符合該擬建場地的環(huán)境振動測試要求。測試儀器以及測試現(xiàn)場如圖2 所示。

在測點位置處去除表面的石塊、雜物及浮土后，將儀器調(diào)平并指北后固定在堅硬的土層上，記錄下測試時間后開始進行測試。測試從當日17:17 開始至次日17:55 結束，歷時24 h，每2 h 為一個測試時段。在本次測試過程中，由于儀器存儲的限制，需在次日凌晨5:27 ～7:50 之間將儀器中存儲的數(shù)據(jù)導出，因此缺失該時段的數(shù)據(jù)。在次日下午測試過程中，由于電池電量用盡，缺失15: 26 ～15: 54 時段內(nèi)的數(shù)據(jù)。

圖2 測試儀器以及現(xiàn)場測試圖Fig. 2 Test instrument and test site

為更好地分析不同時段場地振動特性，參考地鐵13 號線運行時刻表，將各測試時段劃分為平峰、早高峰、晚高峰和無地鐵運行4 種工況進行分析，具體劃分情況見表2。本次測試中，有地鐵運行的3個工況( 早高峰、晚高峰、平峰) 累計測試了8 個時段，無地鐵運行的1 個工況測試了3 個時段。

表2 測試工況Table 2 Measuring case

3 測試數(shù)據(jù)分析

3.1 1/3 倍頻程分析法

1/3 倍頻程指各振動頻段的范圍，相鄰兩個1/3倍頻程中心頻率之比為21/3，且每個1/3 倍頻程的上下兩端截止頻率之比也為21/3，如下式:

式中，f0為該頻段的中心頻率; f1、f2分別為該頻段的下、上截止頻率。對實測加速度時程進行傅里葉變換( FFT) 得到對應的頻域曲線，并計算時間［0，T］內(nèi)的功率譜密度函數(shù)( PSDF) :

式中，|X( F) |為加速度時程曲線經(jīng)過FFT 的振幅;T 為時域內(nèi)選取的時程。由式( 3) 計算可得第i 個1/3 倍頻程內(nèi)數(shù)據(jù)的有效值( RMS)

式中，M 為第i 個頻段內(nèi)的頻率個數(shù)。重復以上過程，即可得到所有頻段的振動加速度1/3 倍頻程譜。1/3 倍頻程分析法的優(yōu)點是只要在圖中繪制出任何一種響應曲線，均可從圖中讀出某一振動頻率的對應振動加速度、速度和位移，無需再進行轉(zhuǎn)換，且這種方法可以使振動的頻率影響在初期就體現(xiàn)出來( 高廣運等，2018) 。

3.2 場地振動測試分析

基于MATLAB，采用1/3 倍頻程分析法對實測數(shù)據(jù)進行分析，并將ISO 2631 中關于住宅辦公區(qū)的標準與處理結果繪制在同一圖上進行對比分析。圖3 為場地11 個測試時段南北、東西、豎直3 個方向的1/3 倍頻程頻譜圖，各時段最大速度和加速度有效值如表3 所示。

表3 各時段最大速度和加速度有效值統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of maximum speed and acceleration RMS at each period

在有地鐵運行的8個時段( 圖3a ～圖3c，圖3g ～圖3k) 內(nèi)，測點振動加速度幅值介于10－4～100gal 之間，且不同時段內(nèi)各方向上振動加速度隨頻率的變化規(guī)律相近，但3 個方向的振動加速度在不同頻率處的相對大小有差異。在1 ～7 Hz 之間，3 個方向的振動加速度值相近且幅值較小; 在7～20 Hz 之間，豎向振動加速度值大于水平向，兩個水平方向振動加速度值相近，振動幅值有所增大; 在20～60 Hz 之間，水平向振動加速度值大于豎向，兩個水平方向振動加速度值接近，該頻段內(nèi)出現(xiàn)峰值振動; 在60 ～200 Hz 之間，振動加速度幅值呈現(xiàn)豎向＞東西向＞南北向的規(guī)律，在此頻段范圍內(nèi)振動幅值減小至較小值。

在無地鐵運行的3 個時段( 圖3d ～圖3f) 內(nèi)，測點振動加速度幅值介于10－5～10－1gal 之間。振動加速度隨頻率的變化規(guī)律在不同時段中相近，然而各方向上振動加速度在不同頻率處的相對大小仍有差異。在1～3 Hz 之間3 個方向的振動加速度幅值相近且幅值較小; 在3～20 Hz 和80～200 Hz 之間豎向振動加速度有效值大于水平向，兩個水平方向振動加速度值相近，振動幅值有所增大; 在20 ～80 Hz之間3 個方向振動加速度有波動，在該頻段內(nèi)出現(xiàn)振動加速度最大值。

對比分析圖3 和表3 可知，有無地鐵運行時場地振動有較大差異。無地鐵運行時的地面最大振動加速度介于0.03 ～0.05 gal 之間，有地鐵運行時為0.4～0.8 gal，比無地鐵時高出1 個數(shù)量級，地鐵運行引起的環(huán)境振動對場地有重要影響。

在有地鐵運行的3 個工況中，4 個平峰運行測試時段的地面振動加速度最大值均為0.4 gal; 早高峰運行時段地面振動加速度最大值為0.5 gal; 晚高峰運行時段多種交通環(huán)境振源共同作用下場地振動加速度達到最大值0.8 gal，高于其他所有測試工況。

由圖3 分析可知，有地鐵運行的3 個工況內(nèi)均有明顯的加速度和速度峰值，可以讀出地鐵運行引起的場地振動主頻。其中，17:17～21:18( 圖3a ～圖3b) 和7:50 ～15:26( 圖3g ～圖3j) 這6 個時段的主頻為40 Hz; 15:54 ～17:54( 圖3k) 時段內(nèi)振動主頻介于40～50 Hz 之間; 21:22 ～23:22( 圖3c) 時段內(nèi)振動主頻為50 Hz。3 個無地鐵運行時段內(nèi)未出現(xiàn)明顯的振動主頻。

所有時段中，低頻范圍內(nèi)( 2 ～8 Hz) 測點南北向、東西向和豎向的振動加速度有效值最大分別約為0.028 gal、0.024 gal 和0.030 gal，遠 小 于ISO 2631 標準中關于居民住宅的限值1.0 gal; 中高頻范圍內(nèi)( 8～250 Hz) 測點南北向、東西向和豎向振動速 度 有 效 值 最 大 分 別 為 26.715 μm·s－1、18.112 μm·s－1和11.073 μm·s－1，也遠小于標準限值200 μm·s－1。

4 結論與建議

通過對某中心城區(qū)擬建住宅辦公樓場地進行24 h 環(huán)境振動測試，利用1/3 倍頻程法分析了實測速度和加速度值，研究了該擬建場地不同時段的環(huán)境振動特性，評價了地鐵環(huán)境振動對場地的影響，主要結論如下:

圖3 測點3 個方向24 h 1/3 倍頻程圖Fig. 3 1/3 octave band spectral analysis of three directions for measuring point

( 1) 8 個有地鐵運行和3 個無地鐵運行測試時段內(nèi)振動加速度隨頻率的變化有各自相近的變化規(guī)律，然而各測試時段內(nèi)3 個方向上振動加速度在不同頻率處的相對大小存在差異。無地鐵運行時振動加速度幅值介于10－5～10－1gal 之間，有地鐵運行時介于10－4～100gal 之間，并在晚高峰時段達到最大值0.8 gal，地鐵運行對場地環(huán)境振動有重要影響。

( 2) 地鐵荷載作用下場地振動主頻介于40 ～50 Hz 之間，無地鐵運行時場地沒有出現(xiàn)明顯的振動主頻。

( 3) 低頻段內(nèi)( 2～8 Hz) 場地振動加速度最大值約為0.030 gal，中高頻段內(nèi)( 8 ～250 Hz) 場地振動速度最大值為26.715 μm·s－1，擬建場地各時段內(nèi)振動均滿足國際標準ISO 2631 中關于此類建筑場地振動控制的要求。

(4) 本次場地環(huán)境振動測試是在項目尚未動工的特定環(huán)境條件下進行的。隨著項目的建成并投入運行，各種振源必將接踵而至; 同時，隨著相鄰建筑物和道路的建設以及寧夏路交通量的增加，振動情況更復雜，將增大對該場地的影響。因此，在項目設計施工時，應充分考慮這一不利因素，采取必要的隔振、減振措施，將環(huán)境振動控制在標準容許范圍內(nèi)，確保擬建辦公住宅樓的正常使用。