某砌體結構辦公樓結構動力檢測分析
（中冶建筑研究總院有限公司華東分院 上海 鄭建華, 金立贊 200433）
摘要：通過對某砌體結構辦公樓周邊交通環境的實際調查，運用環境振動法對該辦公樓自身結構進行動力實測，以及對辦公樓振動動力響應分析，找出了房屋振動的規律，對目前房屋的安全檢測和舒適性進行評估，最后給出了房屋的減振、隔振措施建議，對今后房屋結構動力檢測分析有一定的參考作用。
關鍵詞：動力檢測；環境振動測試；房屋安全性鑒定
中圖分類號：TU398 文獻標識碼：A 文章編號：
Dynamic detection analysis of a masonry structure building
Zheng Jianhua1 Jin Lizan1(Central Research Institute of Building and Construction,MCC Group, East China branch, Shanghai 200433)
Abstract: Through the actual survey of the sur rounding environment of a masonry structure building , applied the environmental vibration to measure the building itself structure dynamic detection, as well as the dynamic response of building vibration analysis to identify the law of vibration in the housing, the safety of the current housing assess, given the housing damping, vibration isolation measures on the future building structure analysis of some reference value.
Keyword: Dynamic detection; masonry structure; environmental vibration method; dynamic response
1 前言
由于經濟的發展帶動了交通運輸業的發展，隨之而來的是城市中交通荷載帶來的環境振動問題。交通荷載引起的建筑物的振動使房屋居住和使用的安全性和舒適性受到影響，引起了普遍的重視，各國學者為之進行了大量的研究，提出了各種應對措施減輕其影響程度[1-2]。本文在前人研究成果基礎上運用環境振動法（即脈動法）對某公司辦公樓的振動頻率和振型進行了測試，以研究房屋目前的振動情況，對房屋的安全性進行鑒定。
2 工程概況
某公司辦公樓為5層磚混結構，墻體為240mm厚的紅磚砌筑，樓面、屋面采用預制空心板，5層屋面標高為17.400m。該樓采用鋼筋混凝土筏板基礎，基礎頂部標高為-1.800m。該樓位于交通繁忙路段，地處城市高架路與與主干道交界處，同時也處于某大型鋼鐵廠大門出口，重型卡車通行頻繁，每當重型卡車通過時房屋有明顯的振動感。經觀測白天9點至11點、下午2點至3點交通流量較大。
3 測試方法與測試設備
本次辦公樓動力檢測采用脈動法測試房屋的振動頻率和振型。動力測試工作所采用的結構動力響應采集儀為DH5920型動態信號測試分析系統，信號分析系統為DHDAS信號測試分析系統V4.3.4。傳感器采用的是磁電式振動傳感器DH610V和DH610H型加速度傳感器。
4 測試方案的確定
由于人自身對環境振動加速度的感受敏感性要先于對速度或是位移的感受，目前對環境振動問題基本上采用加速度傳感器進行。本次測試采用了靈敏程度高的磁電式振動加速度傳感器，初時采集數據均為結構測點位置的振動加速度時程。我國上述規范一直采用了國際標準化組織編制的ISO 2631/1-1985規定的全身振動不同頻率計權因子修正后得到的振動加速度級，為了表示方便以La表示，單位為分貝（dB）。因此本次測試后期數據分析按照規范規定進行了轉化，基本轉化依據如下式：
(1)式中 a－振動加速度有效值，m/s2；a0－基準加速度值，a0=10-6 m/s2。
可見，本次動力測試的主要測試方法（包括測量儀器、拾振器安裝位置、測量條件）、測試依據以及測試數據的處理及評價標準基本上是以《城市區域環境振動標準》GB 10070-88、《城市區域環境振動測量方法》GB10071-88為依據進行的。但是，上述規范評價標準只是局限于房屋結構振動的豎直方向，對于結構振動的其他方向并沒有加以考慮。根據目前人機工程學的研究深度，環境水平方向的振動（橫向振動、縱向振動）同樣會引起人的不舒適，而且處于振動環境的人對水平振動較豎向振動更為敏感，可以參見《人體全身振動環境的測量規范》GB/T 13441-1992及《人體全身振動暴露的舒適性降低界限和評價準則》GB/T 13442-1992。為了保證數據的完整性以及對對所做評價的準確性和科學性，本次動力測試包含了對該辦公樓水平向振動的數據采集工作。測試時間主要安排在以下三個時間段分別進行，即9：30～13：30、14:30～15:30。采樣頻率設定為50Hz。
根據本次測試方案在辦公樓屋面中央（五層）采用了以下測點布置方式（測點布置見圖1，每個測點的傳感器布置情況見圖2所示），三個測點同時進行，每個測點分別采用X、Y、Z向單向加速度傳感器，連續采集結構振動加速度時程。
圖1 屋面測點布置位置示意圖 圖2 測點傳感器放置示圖
5 測試結果及分析
5.1 振動超限測試結果
按照《城市區域環境振動標準》GB 10070-88第3.1.1條規定，結構對應于中心頻率2.5Hz并達到不得超過的振動界限時，白天為75dB，夜間為72dB。我國際標準國現行規范并未對住宅及辦公樓水平向振動程度界限做出規定，這一方面較國際標準化組織2003年調整的ISO 2631/2延遲，但是考慮到振動程度界限的確定是與社會、文化和心理狀態等諸多因素相關的，為了更為符合我國的實際情況，本文對結構水平向振動界限依然采用了豎向振動界限值，對可能出現的略顯保守的結果采取了提高一個標準的方法，即結構對應于中心頻率2.5Hz并達到不得超過的振動界限時，白天為72dB，夜間為69dB。這會使得最終結果更為符合實際。這樣，對應于該辦公樓在實際測試時三個振動方向的測試結果如表1所示。
表1 辦公樓振動超限程度統計結果
| 測試 時間 振動 方向 |
9:30～13:30 | 14:30～15:30 | ||||
| 采集 次數 |
超限次數 | 超限比例(%) | 采集 次數 |
超限次數 | 超限比例(%) | |
| 橫向X | 720000 | 13712 | 1.90 | 180000 | 1613 | 0.90 |
| 縱向Y | 720000 | 3502 | 0.49 | 180000 | 444 | 0.25 |
| 豎向Z | 720000 | 9152 | 1.27 | 180000 | 2276 | 1.26 |
該辦公樓在三個方向的振動程度中，9:30～13:30這一時間段，結構在三個方向的振動均最為強烈與頻繁，橫向振動的加速度級最高達到82dB，縱向振動的加速度級最高達到74dB ，而豎向振動的加速度級最高則達到88dB。在實際中，9:30～13:30這一時段大型、重型車輛出入較多，尤其是當路口紅燈轉為綠燈，此時若遇到較多大型、重型車輛同時啟動，則可明顯感受到結構的振動。隨著車輛啟動并逐漸駛離，結構振動程度逐漸減弱至最小。如果遇到路口綠燈轉變為紅燈，重型車輛的剎車也會造成結構整體的振動出現。類似這種振動的出現主要與車輛數量的多少，車輛的載重情況密切相關，如果車輛多且載重大，那么同時開動或剎車時，結構的振動就強烈，人會明顯感受到振動的發生，并伴隨有不舒適的感覺。
對比該結構三個方向的振動可以發現，在9:30～13:30這一時段，結構橫向振動要比豎向振動稍顯強烈，而另一時段都是豎向振動更為強烈一些。同時，對比這兩個時段，結構豎向振動超限程度幾乎一致（分別1.27％和1.26％）的情況下，其橫向振動超限程度卻有明顯的降低（分別為1.90％和0.90％），這可以說明以下問題：
（1）當較多重型車輛啟動或是剎車時，車輛給地面造成的激勵作用更多的體現在水平激勵上，因此9:30～13:30這一時段結構的振動狀態體現為實測的情況是符合實際的。
（2）下午14:30至15:30，較為集中的重型車輛通行明顯減少，交通對地面的水平激勵也相應降低，這使得結構在橫向的振動大幅減少，而豎向振動在其余交通激勵影響下減少不明顯。
（3）該辦公樓在長度方向即橫向長度為48米，寬度方向即縱向為12.4米。結構橫向剛度要比縱向剛度小，當激勵由地面傳來時將更多的體現為橫向振動。
同時，需要說明的是，在數據采集過程中也遇到眾多車輛鳴笛的現象出現，此時也會感到結構的振動，但是這種振動是由于噪聲引起的，往往表現為玻璃的振動，噪聲導致人的煩躁不安，這與結構由于地面激勵引起的整體振動是不同的。如果對面向馬路的玻璃窗進行加固，如安裝雙層隔音玻璃，可以降低由于這種噪音引起的振動發生。
5.2 辦公樓振動動力響應分析
主要列舉了所采集的兩個方向典型的加速度時程曲線，以說明車輛交通對該辦公樓振動的影響。
(a) 結構豎向振動加速度時程曲線之一
(b) 結構豎向振動加速度時程曲線之二
(c) 結構橫向振動加速度時程曲線之一
(d) 結構橫向振動加速度時程曲線之二
圖3 典型的振動加速度時程曲線
可以明顯看出結構豎向振動響應在達到峰值后的衰減變化過程，當有較多大型、重型車輛通過時，這種響應一般表現為多個連續峰值的出現，在疊加處出現最大值，此時車輛給地面的激勵最大，傳至結構本身在時間上還存在一定的滯后。結構橫向振動往往連續出現多個振動響應，響應之間會發生疊加而使振動放大，這種現象就是多輛大型、重型車輛同時啟動或剎車造成的。地面收到水平向激勵后，不斷以波的形式傳至結構基礎，振動自下而上產生，至結構頂部被放大。
5.3 辦公樓振動安全性分析
根據檢測結果，辦公樓水平向最大加速度響應為1.26cm/s2，再結合辦公樓內人體感受調查結果，依據國家標準《中國地震烈度表》GB/T 17742-1999，其強弱程度相當于烈度3度的小震水平，不影響房屋的安全。
5.4 辦公樓減振、隔振建議
根據測試結果可知，辦公樓在交通荷載的影響下，房屋的舒適性受到了影響，可以采取適當的措施進行減振、隔振，如在道路與辦公樓之間設置減振帶等。
6 結論
（1）依據國家標準《中國地震烈度表》（GB/T 17742-1999），辦公樓水平方向振動程度較弱，不影響房屋的安全。
（2）辦公樓的振動無論是在橫向、縱向還是豎向均有不同程度的超過國家規定的白天72dB、夜間69dB的限值。
（3）結構橫向剛度要比縱向剛度小，當激勵由地面傳來時將更多體現為橫向振動。
（4）地面收到水平向激勵后，不斷以波的形式傳至結構基礎，振動自下而上產生，至結構頂部被放大。
滬公網安備 31011002002576號