摘要：通过对某砌体结构办公楼周边交通环境的实际调查，运用环境振动法对该办公楼自身结构进行动力实测，以及对办公楼振动动力响应分析，找出了房屋振动的规律，对目前房屋的安全检测和舒适性进行评估，最后给出了房屋的减振、隔振措施建议，对今后房屋结构动力检测分析有一定的参考作用。
关键词：动力检测；环境振动测试；房屋安全性鉴定
中图分类号：TU398   文献标识码：A     文章编号：

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
   由于经济的发展带动了交通运输业的发展，随之而来的是城市中交通荷载带来的环境振动问题。交通荷载引起的建筑物的振动使房屋居住和使用的安全性和舒适性受到影响，引起了普遍的重视，各国学者为之进行了大量的研究，提出了各种应对措施减轻其影响程度^[1-2]。本文在前人研究成果基础上运用环境振动法（即脉动法）对某公司办公楼的振动频率和振型进行了测试，以研究房屋目前的振动情况，对房屋的安全性进行鉴定。
2   工程概况
   某公司办公楼为5层砖混结构，墙体为240mm厚的红砖砌筑，楼面、屋面采用预制空心板，5层屋面标高为17.400m。该楼采用钢筋混凝土筏板基础，基础顶部标高为-1.800m。该楼位于交通繁忙路段，地处城市高架路与与主干道交界处，同时也处于某大型钢铁厂大门出口，重型卡车通行频繁，每当重型卡车通过时房屋有明显的振动感。经观测白天9点至11点、下午2点至3点交通流量较大。
3   测试方法与测试设备
    本次办公楼动力检测采用脉动法测试房屋的振动频率和振型。动力测试工作所采用的结构动力响应采集仪为DH5920型动态信号测试分析系统，信号分析系统为DHDAS信号测试分析系统V4.3.4。传感器采用的是磁电式振动传感器DH610V和DH610H型加速度传感器。
4   测试方案的确定
    由于人自身对环境振动加速度的感受敏感性要先于对速度或是位移的感受，目前对环境振动问题基本上采用加速度传感器进行。本次测试采用了灵敏程度高的磁电式振动加速度传感器，初时采集数据均为结构测点位置的振动加速度时程。我国上述规范一直采用了国际标准化组织编制的ISO 2631/1-1985规定的全身振动不同频率计权因子修正后得到的振动加速度级，为了表示方便以La表示，单位为分贝（dB）。因此本次测试后期数据分析按照规范规定进行了转化，基本转化依据如下式：
                                            (1)
式中 a－振动加速度有效值，m/s2；a0－基准加速度值，a0=10-6 m/s2。
可见，本次动力测试的主要测试方法（包括测量仪器、拾振器安装位置、测量条件）、测试依据以及测试数据的处理及评价标准基本上是以《城市区域环境振动标准》GB 10070-88、《城市区域环境振动测量方法》GB10071-88为依据进行的。但是，上述规范评价标准只是局限于房屋结构振动的竖直方向，对于结构振动的其他方向并没有加以考虑。根据目前人机工程学的研究深度，环境水平方向的振动（横向振动、纵向振动）同样会引起人的不舒适，而且处于振动环境的人对水平振动较竖向振动更为敏感，可以参见《人体全身振动环境的测量规范》GB/T 13441-1992及《人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则》GB/T 13442-1992。为了保证数据的完整性以及对对所做评价的准确性和科学性，本次动力测试包含了对该办公楼水平向振动的数据采集工作。测试时间主要安排在以下三个时间段分别进行，即9：30～13：30、14:30～15:30。采样频率设定为50Hz。
根据本次测试方案在办公楼屋面中央（五层）采用了以下测点布置方式（测点布置见图1，每个测点的传感器布置情况见图2所示），三个测点同时进行，每个测点分别采用X、Y、Z向单向加速度传感器，连续采集结构振动加速度时程。
   
                                                 图1  屋面测点布置位置示意图                                                      图2  测点传感器放置示图
5   测试结果及分析
5.1 振动超限测试结果
    按照《城市区域环境振动标准》GB 10070-88第3.1.1条规定，结构对应于中心频率2.5Hz并达到不得超过的振动界限时，白天为75dB，夜间为72dB。我国际标准国现行规范并未对住宅及办公楼水平向振动程度界限做出规定，这一方面较国际标准化组织2003年调整的ISO 2631/2延迟，但是考虑到振动程度界限的确定是与社会、文化和心理状态等诸多因素相关的，为了更为符合我国的实际情况，本文对结构水平向振动界限依然采用了竖向振动界限值，对可能出现的略显保守的结果采取了提高一个标准的方法，即结构对应于中心频率2.5Hz并达到不得超过的振动界限时，白天为72dB，夜间为69dB。这会使得最终结果更为符合实际。这样，对应于该办公楼在实际测试时三个振动方向的测试结果如表1所示。
 
表1 办公楼振动超限程度统计结果

测试       时间 振动 方向	9:30～13:30			14:30～15:30
	采集 次数	超限次数	超限比例(%)	采集 次数	超限次数	超限比例(%)
横向X	720000	13712	1.90	180000	1613	0.90
纵向Y	720000	3502	0.49	180000	444	0.25
竖向Z	720000	9152	1.27	180000	2276	1.26

    通过测试结果可见，办公楼在所测时间段内，横向（X向）的振动超限比例分别为1.9％、0.9％和0.25％；竖向（Z向）的振动超限比例分别为1.27％、1.26％和0.28％；纵向（Y向）的振动超限比例分别为0.49％和0.25％。
该办公楼在三个方向的振动程度中，9:30～13:30这一时间段，结构在三个方向的振动均最为强烈与频繁，横向振动的加速度级最高达到82dB，纵向振动的加速度级最高达到74dB ，而竖向振动的加速度级最高则达到88dB。在实际中，9:30～13:30这一时段大型、重型车辆出入较多，尤其是当路口红灯转为绿灯，此时若遇到较多大型、重型车辆同时启动，则可明显感受到结构的振动。随着车辆启动并逐渐驶离，结构振动程度逐渐减弱至最小。如果遇到路口绿灯转变为红灯，重型车辆的刹车也会造成结构整体的振动出现。类似这种振动的出现主要与车辆数量的多少，车辆的载重情况密切相关，如果车辆多且载重大，那么同时开动或刹车时，结构的振动就强烈，人会明显感受到振动的发生，并伴随有不舒适的感觉。  
    对比该结构三个方向的振动可以发现，在9:30～13:30这一时段，结构横向振动要比竖向振动稍显强烈，而另一时段都是竖向振动更为强烈一些。同时，对比这两个时段，结构竖向振动超限程度几乎一致（分别1.27％和1.26％）的情况下，其横向振动超限程度却有明显的降低（分别为1.90％和0.90％），这可以说明以下问题：
（1）当较多重型车辆启动或是刹车时，车辆给地面造成的激励作用更多的体现在水平激励上，因此9:30～13:30这一时段结构的振动状态体现为实测的情况是符合实际的。
（2）下午14:30至15:30，较为集中的重型车辆通行明显减少，交通对地面的水平激励也相应降低，这使得结构在横向的振动大幅减少，而竖向振动在其余交通激励影响下减少不明显。
（3）该办公楼在长度方向即横向长度为48米，宽度方向即纵向为12.4米。结构横向刚度要比纵向刚度小，当激励由地面传来时将更多的体现为横向振动。
同时，需要说明的是，在数据采集过程中也遇到众多车辆鸣笛的现象出现，此时也会感到结构的振动，但是这种振动是由于噪声引起的，往往表现为玻璃的振动，噪声导致人的烦躁不安，这与结构由于地面激励引起的整体振动是不同的。如果对面向马路的玻璃窗进行加固，如安装双层隔音玻璃，可以降低由于这种噪音引起的振动发生。
5.2 办公楼振动动力响应分析
主要列举了所采集的两个方向典型的加速度时程曲线，以说明车辆交通对该办公楼振动的影响。
 
(a) 结构竖向振动加速度时程曲线之一  
          
(b) 结构竖向振动加速度时程曲线之二
 
   (c) 结构横向振动加速度时程曲线之一   
        
(d) 结构横向振动加速度时程曲线之二
                                 图3  典型的振动加速度时程曲线
    可以明显看出结构竖向振动响应在达到峰值后的衰减变化过程，当有较多大型、重型车辆通过时，这种响应一般表现为多个连续峰值的出现，在叠加处出现最大值，此时车辆给地面的激励最大，传至结构本身在时间上还存在一定的滞后。结构横向振动往往连续出现多个振动响应，响应之间会发生叠加而使振动放大，这种现象就是多辆大型、重型车辆同时启动或刹车造成的。地面收到水平向激励后，不断以波的形式传至结构基础，振动自下而上产生，至结构顶部被放大。
5.3 办公楼振动安全性分析
    根据检测结果，办公楼水平向最大加速度响应为1.26cm/s²，再结合办公楼内人体感受调查结果，依据国家标准《中国地震烈度表》GB/T 17742-1999，其强弱程度相当于烈度3度的小震水平，不影响房屋的安全。
5.4 办公楼减振、隔振建议
    根据测试结果可知，办公楼在交通荷载的影响下，房屋的舒适性受到了影响，可以采取适当的措施进行减振、隔振，如在道路与办公楼之间设置减振带等。
6   结论
（1）依据国家标准《中国地震烈度表》（GB/T 17742-1999），办公楼水平方向振动程度较弱，不影响房屋的安全。
（2）办公楼的振动无论是在横向、纵向还是竖向均有不同程度的超过国家规定的白天72dB、夜间69dB的限值。
（3）结构横向刚度要比纵向刚度小，当激励由地面传来时将更多体现为横向振动。
（4）地面收到水平向激励后，不断以波的形式传至结构基础，振动自下而上产生，至结构顶部被放大。