魏曉斌，郭建祥，孫正華

（江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210033）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，振動對結(jié)構(gòu)安全、居住舒適度及工作環(huán)境的影響受到越來越多的關(guān)注［1］。建筑振動是建筑在激振源的影響下產(chǎn)生了往復(fù)的運(yùn)動，這種激振源一方面來自于建筑內(nèi)部，主要體現(xiàn)在設(shè)備振動激勵引起建筑結(jié)構(gòu)的振動［2］；另一方面體現(xiàn)在建筑外部，施工、交通等振源通過土層等介質(zhì)把振動能量傳遞給建筑結(jié)構(gòu)［3］。建筑物受振動的影響程度，直觀表現(xiàn)為裝飾物開裂脫落［4］。振動是一個能量轉(zhuǎn)變過程，強(qiáng)烈的振動有可能會瞬間形成一個大范圍的動應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)螺栓等產(chǎn)生瞬間動力，造成結(jié)構(gòu)疲勞和破壞，嚴(yán)重時，會直接造成結(jié)構(gòu)的失衡和基礎(chǔ)的沉降，使基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)等部位構(gòu)件受牽拉作用而最終導(dǎo)致斷裂破壞。此外，過于頻繁的結(jié)構(gòu)振動，也會對室內(nèi)環(huán)境中的人體舒適度產(chǎn)生影響［5］。

振動對建筑的危害程度與很多因素有關(guān)，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(zhì)、建筑物對振動的抵抗能力以及建筑物的振動響應(yīng)特性等。因此，研究振動對建筑物的危害及建筑物內(nèi)人員的舒適度的影響，除了要研究振源的特性外，對結(jié)構(gòu)、設(shè)備、系統(tǒng)等進(jìn)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(guān)聯(lián)。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(yīng)程度［6］。

本文結(jié)合以往學(xué)者對振動測試的研究，總結(jié)了振動的產(chǎn)生及傳播模式，分析了不同規(guī)范中的振動評價指標(biāo)，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，為今后類似的工程振動檢測提供經(jīng)驗(yàn)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(yè)振源、工程振源、道路交通振源及自然振源等。

1.1 工業(yè)振源

工業(yè)振源主要指的是工廠內(nèi)的一些生產(chǎn)運(yùn)作，例如機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)、傳動軸、管道振動等［7，8］。在工業(yè)生產(chǎn)中，撞擊作業(yè)的機(jī)械稱為瞬態(tài)振源，由于器械本身的自重大這一特點(diǎn)，其產(chǎn)生的振動能量也很大，例如在建筑中進(jìn)行的鍛錘和沖壓等生產(chǎn)，通常布置于一層地面，當(dāng)布置于樓面時，其振動波在房屋內(nèi)沿著房屋結(jié)構(gòu)傳播，長期以往，對建筑的安全影響較大，現(xiàn)已成為危害建筑安全最突出的振源之一。若機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生有規(guī)律、周期性、反復(fù)作用的振動，則稱為穩(wěn)態(tài)振源，通常有冷凍機(jī)、發(fā)動機(jī)和空壓機(jī)等，這類振源當(dāng)布置于樓面時，其產(chǎn)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(shè)置專用的基座。工業(yè)廠房中的吊車等設(shè)備屬于隨機(jī)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(xiàn)場機(jī)械作業(yè)產(chǎn)生的振源，包括：打樁機(jī)、強(qiáng)夯機(jī)、水泥攪拌機(jī)、輾軋?jiān)O(shè)備、爆破以及各種大型運(yùn)輸機(jī)等［9］。在工程作業(yè)中，其振動主要來自于地下工程施工作業(yè)、樁基施工以及拆除作業(yè)等。在城市地下工程施工中，爆破作業(yè)主要用于破除堅(jiān)硬的巖石層，其特點(diǎn)是產(chǎn)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(xù)時間在 1 s 之內(nèi)。打樁、強(qiáng)夯等地基基礎(chǔ)施工以及建筑拆除施工，其產(chǎn)生的振動主要通過地面?zhèn)鞑?，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(yùn)行和人體舒適度會產(chǎn)生一定的影響，以及對陳舊的磚混結(jié)構(gòu)房屋可能產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生影響。這種振動產(chǎn)生的振動波，通過周邊土層傳播，進(jìn)而誘發(fā)附近地下空間結(jié)構(gòu)二次振動。

1.4 自然振源

自然界中的一些現(xiàn)象引起建筑振動稱之為自然振源［11］，包括地震、風(fēng)荷載、海嘯等。地震作用危害性巨大，現(xiàn)有規(guī)范已對地震作用做出了響應(yīng)的抗振處理。風(fēng)荷載屬于一種隨機(jī)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(yīng)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(yīng)用的需要，且與實(shí)際情況有所偏差，因此，需要在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行建筑現(xiàn)場檢測試驗(yàn)。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(jié)構(gòu)振動現(xiàn)場檢測已有成套的軟件及設(shè)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(yīng)的檢測。振動系統(tǒng)的參數(shù)識別可以用頻域、時域識別法，通過對參數(shù)的分析，可以對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測評估。

2.1 測試基本要求

目前對于振動的測定，并沒有統(tǒng)一規(guī)定，GB 50858－2013《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》［6］中規(guī)定：“當(dāng)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(jī)器，宜選用位移型和速度型傳感器同時進(jìn)行測試；振動測試點(diǎn)應(yīng)設(shè)在振動控制點(diǎn)上，振動傳感器的測試方向應(yīng)與測試對象所需測試的振動方向一致，測試過程中不得產(chǎn)生傾斜和附加振動，振動控制點(diǎn)應(yīng)取基礎(chǔ)或支撐結(jié)構(gòu)頂面振動最大點(diǎn)，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(chǔ)施工對周邊建筑的影響則用建筑基礎(chǔ)和頂層的速度峰值來評價，因此只需在建筑基礎(chǔ)和頂層布置水平向和豎直向測點(diǎn)。GBT 50355－2018《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》［12］中規(guī)定：“測點(diǎn)布置于住宅建筑室內(nèi)地面中央或室內(nèi)地面振動敏感處，拾振器的靈敏度主軸方向應(yīng)與地面（或樓層地面）的鉛錘方向一致”。GB/T 14124－2009《機(jī)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(qiáng)迫振動的監(jiān)測，較好的位置為建筑物的基礎(chǔ)上，當(dāng)無法在基礎(chǔ)上測量時，典型測點(diǎn)可以設(shè)置在基礎(chǔ)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(shè)置測點(diǎn)，對長度大于 10 m 的建筑物，應(yīng)沿水平方向每隔 10 m 設(shè)置一個測點(diǎn)”。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(biāo)準(zhǔn)》［14］則規(guī)定：“測點(diǎn)位置應(yīng)布置于一樓室內(nèi)敏感點(diǎn)或敏感區(qū)域，且至少應(yīng)布置 3 個測點(diǎn)，當(dāng)布置于建筑物的基礎(chǔ)距外墻 0.5 m 范圍內(nèi)的振動敏感處時，應(yīng)在靠近軌道一側(cè)的基礎(chǔ)上至少布設(shè) 1 個測點(diǎn)”。

綜上可以看出，對于外部地面振源，建筑物動力響應(yīng)測點(diǎn)宜布置在建筑基礎(chǔ)和樓頂，根據(jù)實(shí)際需要，其余樓層可逐層或隔層布置測點(diǎn)，測點(diǎn)數(shù)量也可根據(jù)實(shí)際情況，布置位置則是以振動敏感處和結(jié)構(gòu)薄弱處為主，在滿足規(guī)范最低要求的同時，可以適當(dāng)增加測點(diǎn)。

2.2 振動測試評價標(biāo)準(zhǔn)

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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)》中對于精密儀器及設(shè)備、動力機(jī)器基礎(chǔ)、人體舒適度、交通振動、建筑施工振動、聲學(xué)環(huán)境振動容許速度峰值已有相關(guān)規(guī)定。設(shè)備類的振動容許值主要是根據(jù)時域、頻域范圍內(nèi)的設(shè)備振動速度獲得。人體舒適度評價將辦公區(qū)和生產(chǎn)操作區(qū)進(jìn)行了區(qū)分，其評價指標(biāo)為振動計(jì)權(quán)加速度級。交通振動對建筑結(jié)構(gòu)的影響則是對基礎(chǔ)（豎向、水平）和屋頂（水平）處的振動速度峰值及其對應(yīng)的頻率進(jìn)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(chǔ)和屋頂水平和豎向速度峰值及其對應(yīng)的振動頻率，以獲得其在時域范圍內(nèi)的容許振動值。GB 50858－2013《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于聲學(xué)環(huán)境振動是以噪聲排放限制及在頻域范圍內(nèi)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(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于環(huán)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(huán)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(qiáng)度參數(shù)，表征振動對人體響應(yīng)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(nèi)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［15］中介紹了兩種舒適度評價方法，一種對應(yīng)工況為有節(jié)奏運(yùn)動為主的樓蓋建筑，則采用有效最大加速度進(jìn)行評價，另外一種則是對于其他樓蓋結(jié)構(gòu)、連廊和室內(nèi)天橋，則采用峰值加速度進(jìn)行評價。

因此，在對建筑振動進(jìn)行評價需要清楚振源的產(chǎn)生因素以及評價的目的，利用不同規(guī)范進(jìn)行評價時，其需要獲得的振動響應(yīng)位置也有所區(qū)分。

3 既有建筑動力響應(yīng)測試方法

某辦公樓結(jié)構(gòu)型式為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)標(biāo)高83.25 m，地上 17 層，地下 3 層。樓頂中間為空調(diào)循環(huán)水泵，樓頂東南角為熱泵機(jī)組，即空調(diào)循環(huán)水泵 4 臺和熱泵機(jī)組 6 組，如圖1～圖3 所示。

圖1 屋面層動力機(jī)器位置及編號示意圖（單位：mm）

圖2 空調(diào)循環(huán)水泵外觀照片

圖3 熱泵機(jī)組外觀照片

空調(diào)循環(huán)水泵每組自重 573 kg，功率為 43 kW；熱泵機(jī)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(shè)計(jì)值 2 kN/m2。

按照振動信號測試分析系統(tǒng)布設(shè)方法，考慮到結(jié)構(gòu)的振動特點(diǎn)及傳振形式，在 17 層樓面布置了 6 個測點(diǎn)，測試鉛垂向振動加速度，測點(diǎn)位置位于樓板形心，數(shù)據(jù)采集采用振動信號測試分析系 DH5927N 和941B拾振器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測點(diǎn)布置如圖4 所示，測試實(shí)景照片如圖5 所示。

圖4 17 層振動測點(diǎn)布置示意圖（單位：mm）

圖5 測點(diǎn) ZD17-6 實(shí)景照片

現(xiàn)場檢測分為 2 個工況：工況 1，在屋面層空調(diào)循環(huán)水泵和熱泵停止運(yùn)行時，測試環(huán)境振動下室內(nèi)振動情況；工況 2，測試空調(diào)循環(huán)水泵和熱泵同時運(yùn)行時室內(nèi)振動情況，即打開 2#、3# 空調(diào)循環(huán)水泵和 1#、3#、6# 熱泵，在空調(diào)循環(huán)水泵和熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始采集數(shù)據(jù)。空調(diào)循環(huán)水泵和熱泵的位置如圖1 所示。

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

表1 17 層測點(diǎn)工況 1 下振動加速度匯總表

圖6 17 層測點(diǎn)工況 1 下振動時程曲線

工況 2 時，開啟空調(diào)循環(huán)水泵和熱泵進(jìn)行測試，保持 2#、3# 空調(diào)循環(huán)水泵和 1#、3#、6# 熱泵同時運(yùn)行。在測試工況下 ZD17-3 測點(diǎn)的振動加速度最大，最大加速度峰值為 0.130m/s2，方向?yàn)殂U垂向，具體檢測結(jié)果如表2 所示。各測點(diǎn)的時域圖譜如圖7 所示。

表2 17 層測點(diǎn)工況 2 下振動加速度匯總表

圖7 17 層測點(diǎn)工況 2 下振動時程曲線

測試結(jié)果表明，利用振動測試技術(shù)可以及時對建筑物內(nèi)環(huán)境進(jìn)行評價，其測點(diǎn)選擇綜合考慮了結(jié)構(gòu)形式和振動傳遞模式，所模擬的測試工況能夠真實(shí)反映未來運(yùn)行時的實(shí)際情況，對后續(xù)減振降噪具有很好的指導(dǎo)意義。此次測試僅對舒適度進(jìn)行了評價，恰當(dāng)?shù)倪x點(diǎn)和增加測點(diǎn)也可對建筑安全性進(jìn)行評估。

4 結(jié)語

1）振動的影響主要分為對結(jié)構(gòu)安全的影響和對建筑內(nèi)人體舒適度的影響。建筑的振動響應(yīng)可通過對建筑基礎(chǔ)、樓蓋的振動速度、振動加速度等物理參數(shù)獲得。

2）振源可分為工業(yè)振源、工程振源、道路交通振源及自然振源等。工業(yè)振源和自然振源產(chǎn)生的振動直接作用于建筑結(jié)構(gòu)上，工程振源和道路振源則是通過土體這一介質(zhì)進(jìn)行傳振，因此，工業(yè)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(jié)了振動常用的測量方法和評價手段，通過一個現(xiàn)場實(shí)例驗(yàn)證了現(xiàn)有振動測試方法的適用性：對于振源和檢測點(diǎn)不在同一層時，舒適度的檢測要考慮建筑結(jié)構(gòu)的振動特點(diǎn)及傳振路徑，且要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況增設(shè)測點(diǎn)，最終檢測結(jié)果對后續(xù)減振降噪具有很好的指導(dǎo)意義。Q