環境振動作用下修復后南京鼓樓的動力響應現場實測

朱利明,楊佳年,孫 宇,黎 慶

(1.南京工業大學 交通運輸工程學院,江蘇 南京 210009;2.南京地鐵建設有限責任公司,江蘇 南京 210009)

隨著我國城市化進程的快速發展,城市中的人口日益增多,人們日常交通出行的頻率也愈來愈高。然而伴隨著交通建設的迅速發展,交通運行所帶來的環境振動問題也日益突出,交通環境微幅振動對人類的身心健康、精密儀器的可靠性以及建(構)筑物的結構安全都會造成一定程度的影響,目前國際上已把交通振動列為七大環境公害之一[1-4]。我國是文明古國,城市各處都存有大量的古建筑,交通線路的建設通常需要經過或穿越這些古建筑,交通微幅振動會使古建筑結構內部產生一定程度的殘余應變,誘發古建筑發生疲勞破壞,從而促使古建筑結構壽命下降。此外,長期、持久的交通振動效應也可能導致地基土產生不均勻沉降,從而誘使古建筑開裂甚至倒塌[5-8],目前國內外都已存在大量交通振動引起文物破壞的實例[9-11],因此交通振動對古建筑的影響不容忽視。

南京鼓樓始建于明代洪武十五年(1382年),并于清初對木結構城樓建筑進行了重建。2013年5月,因為地鐵4號線爆破開挖施工,為保護南京鼓樓的振動安全,對鼓樓結構進行了臨時加固。并在地鐵4號線建設竣工后啟動了南京鼓樓的保護性修繕及周邊環境綜合整治工作,鼓樓公園于2017年6月開始閉園施工修復,對大量墻體、柱體裂縫進行了填補,并對地下人防設施進行了填筑,于2018年2月底重新對公眾進行開放。

在南京地鐵4號線運行期間,文獻[12]對修復前的南京鼓樓進行了現場實測,基于測試結果,通過時域、頻域分析研究了鼓樓結構內部的振動傳播規律,并根據相關古建筑振動安全控制標準對鼓樓的振動安全進行了評估,發現鼓樓結構存在大量振動超限現象。本次現場測試以修復后的南京鼓樓作為研究對象,通過對修復后的鼓樓結構受到交通振動影響下的動力響應進行現場測試,研究修復后鼓樓結構內部的動力響應特性,相關結果將為地鐵運行過程中的鄰近古建筑振動安全評估及減隔振措施開發設計提供參考依據。

1 現場測試方案

1.1 工程概況

南京鼓樓位于南京市中心,地處繁忙交通要道,周邊有多路車輛匯流,且臨近南京地鐵4號線,鼓樓城闕距離地鐵隧道最近處僅有1.3 m,因此鼓樓面臨的交通振動問題難以忽視,南京鼓樓與地鐵4號線的相對位置關系如圖1所示。

圖1 南京鼓樓與地鐵交通線路的相對位置關系(m)Fig.1 Relative positional relationship between Nanjing Drum Tower and traffic lines (m)

1.2 測點布置

為研究鼓樓結構的動力響應特性及振動在鼓樓結構內部的傳播規律,現場測試參照相關振動控制標準[13-14],并結合環境條件和鼓樓的整體構造風格進行測點的布置,以靠近地鐵下行線的測點為起始測點(如測點1-5、2-5),本次測試中測點的布置及對應編號如圖2所示。

圖2 測點布置Fig.2 Layout of measuring points

1.3 測試儀器及測試內容

本次現場測試采用的儀器為北京東方振動和噪聲技術研究所設計的INV9580A無線振動采集儀,該采集儀內置有雙通道高精度拾振器,通道量程范圍為0～160 dB,可實現雙核24位高精度采集,本次測試選取的采樣頻率為512 Hz,測試頻率示值和分辨誤差小于0.01%,頻譜幅示值誤差小于1%,可以滿足本次測試要求?，F場測試中儀器布設X水平方向垂直于地鐵走向,Z方向平行于鼓樓結構高度方向。鼓樓周邊交通狀況比較復雜,對照地鐵4號線運營時刻表,在鼓樓結構僅受路面交通影響及混合交通影響兩種工況下進行測試,采集單組持時30 min的數據,共計6組。

2 結果與分析

2.1 古建筑振動控制標準

目前,國內外幾乎所有建筑結構的振動控制標準都是以測點振動速度峰值(PPV)作為評價指標[14],我國的古建筑振動控制標準為《古建筑防工業振動規范》(GB/T 50452—2008)[15],該規范根據文物結構類型、文物結構彈性波速以及文物保護級別來確定文物的承重結構最高處的水平向容許振動速度，并將其作為評價指標。

2.2 時域分析

在地鐵列車通過時,對各測點振動速度峰值附近的數據進行時程分析,以靠近地鐵下行線且符合規范[15]的木結構柱頂測點4-1的一段速度時程為例,比較僅受路面交通影響及混合交通影響下的鼓樓動力響應變化,結果如圖3所示。

圖3 碑樓二層柱頂(測點4-1)速度時程曲線Fig.3 Velocity time history curves of the column top of the stele tower (measuring point 4-1)

由圖3可知:無論是僅受路面交通影響還是受到混合交通影響,鼓樓的水平向振動速度幅值都略大于豎向振動速度幅值,表明在受到交通振動的影響時,鼓樓結構水平向動力響應較豎向動力響應更為顯著;在混合交通作用下,鼓樓結構的豎向速度增長幅度明顯大于水平向速度增長幅度,這表明地鐵通過引起的振動中,豎向振動比水平向振動更為突出。

選取靠近地鐵線路的測點數據進行分析,對混合交通作用下的豎向、水平向振動速度最大值及有效值進行比較,結果如表1和圖4所示,其中,振動速度最大值為每組數據速度峰值絕對值的最大值;波峰因數為一段時程峰值與有效值之比,當波峰因數≤9時,一般認為用有效值來描述振動能量的變化，如式(1)所示。

(1)

式中:Vrms為有效值,N為采樣點的個數,xi為第i個采樣值。

表1 振動速度統計結果

圖4 混合交通引起的鼓樓振動速度對比Fig.4 Comparison of Drum Tower vibration velocity caused by mixed traffic

由表1和圖4可以看出:在混合交通影響下,豎向振動速度峰值表現為從城闕底部到碑樓二層頂部不斷增長的趨勢;水平向振動速度峰值從城闕底部至碑樓一層底部逐漸增大,自碑樓一層底部到碑樓一層頂部快速增大,到碑樓二層頂部又快速減弱的趨勢;在混合交通作用下,豎向及水平向振動速度有效值均在碑樓一層頂部達到峰值,鼓樓一層頂部建造有拱形穹頂,在振動傳遞過程中,入射波與反射波有可能會產生相互疊加,從而導致建筑物的某一中間層的振動響應激增[16],因此,推測該區域存在一個振動放大區。

表2為各測點振動速度峰值。由表2可以發現:可能由于該混合交通測試時段內路面交通較少,致使少量部分測點振動速度表現為負增長外,地鐵運行通過時,振動的疊加效應還是比較明顯的,其中靠近地鐵線路的測點1-5、2-5、2-1、3-1、4-1的振動速度峰值均有大幅增長,尤其是水平向振動速度峰值增長均達到50%以上,城闕頂部測點2-5的水平向振動速度峰值增長達98.36%,碑樓二層頂部測點4-1的水平向振動速度峰值增長更是達到了123.87%,這也說明文獻[15]以承重結構最高處的水平向容許振動速度作為評判古建筑結構振動安全的指標是合理的。

表2 各測點振動速度峰值

南京鼓樓為全國文物保護建筑,參照文獻[15]中關于木結構的容許振動速度峰值為0.22 mm/s,砌體結構的容許振動速度峰值為0.20 mm/s的規定,對照表2中木結構承重結構最高處測點4-1與砌體結構承重結構最高處測點2-1的水平向振動速度峰值可知,在交通振動影響下,現階段鼓樓整體結構處于振動安全狀態,與修復前鼓樓受交通振動的動力響應結果[12]相比,鼓樓的修繕措施降低了交通荷載對鼓樓振動的影響,有益于鼓樓的長期振動安全。

2.3 頻域分析

1/3倍頻程分析在處理環境振動問題時使用較為廣泛,1/3倍頻程譜可以描述不同頻率下振動物理量的大小,并可以反映出該頻段的振動能量。為研究鼓樓受交通振動影響的主要頻段,對各測點的振動加速度時程數據進行傅里葉變換,獲得其1/3倍頻程譜,如式(2)所示[17]。

(2)

式中:La為加速度級;arms為加速度有效值;a0為基準加速度,國際上通常取a0=10-6m/s2。

圖5為各測點振動加速度1/3倍頻程譜分析結果。

圖5 振動加速度1/3倍頻程譜分析結果Fig.5 1/3 octave spectrum analysis results of vibration acceleration

由圖5可知:測點在0～10 Hz低頻段對應的加速度級差異不大;總體上看,各測點豎向振動的主要響應頻帶出現在10～50 Hz,加速度級峰值集中在40～50 Hz;水平向振動的主要響應頻帶出現在10～40 Hz,加速度級峰值集中在20～40 Hz。參考相關學者的研究結果[18-20],路面交通和地鐵交通引起傳統木結構振動響應的主要頻段分別為10～25和40～90 Hz,并結合時域分析的結果可知,鼓樓結構振動是由路面交通和地鐵交通振動共同作用引起的,地鐵交通引起的動力響應與路面交通引起的動力響應相比并不明顯。

鼓樓城闕測點1-5、2-5及碑樓一層底部測點2-1在100～250 Hz的次要響應頻帶內的加速度級雖有小幅度上升,但總體上看,鼓樓城闕在40～512 Hz的高頻范圍內的加速度級下降較快,在超過512 Hz以后加速度級逐漸降低至5 dB左右;而鼓樓碑樓高層測點3-1、4-1在超過160 Hz后,加速度級才開始出現明顯的衰減,結合分析可知,古建筑受交通振動影響的主要頻率范圍為10～50 Hz,但振動能量在古建筑中的衰減規律因材料而異,對于古磚砌體結構,超過40 Hz的交通振動對其影響較小,對于古木結構,超過160 Hz的交通振動對其影響較小。

為研究鼓樓木結構碑樓在高度方向上的振動能量變化規律,將木柱各測點在柱頂處的輸出加速度級與柱底處的輸入加速度級進行了振動傳遞比分析,傳遞比是層間測點的輸出加速度有效值與輸入加速度有效值在不同中心頻率下的比值。若振動傳遞比>1,則該頻段內能量表現為增強趨勢;若傳遞比≤1,則該頻段內能量表現為衰減趨勢。從圖5(b)和5(d)可以看出:鼓樓一層頂區域內,分別在50～512、20～160 Hz存在一個豎向振動放大區和一個水平振動放大區。

3 結論

1)現場實測未發現南京鼓樓出現振動超限現象,地鐵通過時主要引起的是豎向振動,但交通振動作用引起的動力響應變化具有明顯的方向性,鼓樓結構的水平向振動比豎向振動更為突出,因此在設計軌道減隔振措施時,應主要考慮控制地鐵行駛時產生的豎向振動,而在設計古建筑減隔振措施時,應主要考慮控制水平向振動。

2)鼓樓受交通振動影響的主要頻率范圍為10～50 Hz,振動衰減規律因材料而異,超過40 Hz的交通振動對古磚砌體結構影響較小,超過160 Hz的交通振動對古木結構影響較小。

3)鼓樓碑樓一層頂部附近的振動放大效應明顯,分析發現該區域分別在50～512、20～160 Hz存在一個豎向振動放大區和一個水平振動放大區,建議對此區域進行減隔振處理,減少鼓樓碑樓結構受交通振動的影響,保護古建筑安全。