交通荷载引起的环境振动危害研究综述

2020-12-27郭靳时李翔吉林建筑大学吉林长春130118

安徽建筑 2020年9期

郭靳时，李翔（吉林建筑大学，吉林长春 130118）

1 引言

随着现代社会的发展，交通荷载引起的环境振动普遍存在于人们的日常生活中。环境振动一般通过岩、土层介质向地表四周或地下传播，传播过程中会引起地面建筑物或地下建筑物振动响应，虽然没有地震那么强烈，但这种振动长期存在，影响着人们的身心健康，干扰精密仪器的正常使用，严重时会使建筑物内部产生残余应变，当残余应变积累到一定程度，建筑结构会发生疲劳破坏，降低结构强度[1-3]。介于环境振动对人们的身心健康和生产活动产生的影响日益严重，国内外越来越多的学者对环境振动所产生的危害，进行深入的探讨和研究。

2 交通引起环境振动的危害

2.1 对邻近建筑物的影响

2006年曹艳梅[4]等建立了列车—轨道—路基解析分析模型，计算出单个车轮对地基的作用力，采用叠加的方式计算得到整列车对路基的动荷载。通过有限元软件加载的方法，研究了此动荷载对附近某一高层建筑的振动影响，得出如下规律：①列车所引起的振动随着楼层的增高有增大的趋势；②在车速为60km/h～120km/h的范围内，建筑结构的振动响应随车速增大而增大，大致呈线性关系。每当车速增加20km/h，建筑结构振动加速度增加4dB～7dB；③建筑结构的振动响应随着与动荷载作用位置的水平距离增大而减小，每当距离增加10m，建筑结构的振动加速度减小2dB～5dB。

2006年郑薇[5]利用有限元软件Ansys数值模拟和实测相结合的研究方法，对浙江省某邻近火车站的楼盘进行环境振动影响评估，通过研究发现：①列车经过建筑物附近时引起的竖向振动要比水平振动更大，这是因为竖向振动主要由结构共振和局部振动共同作用所产生的，而水平振动则主要由结构共振产生；②竖向振动和水平振动随震距增大而单调递减。竖向振动和水平振动的振级总体呈现楼层增加而增加的趋势，但其中存在一个拐点；③通过分别建立十层框架结构和剪力墙结构有限元计算模型比对模拟发现，剪力墙结构的振级相比框架结构的振级更大，因此说明剪力墙并不能绝对地更好抑制振动；④结构的跨度因素对竖向振动的影响程度要比楼板厚度因素对振动影响更显著。

2008年文强[6]采用了有限元分析和数值模拟的方法，分析了距离、车速、隧道埋深、岩土层性质、列车轴重和轨道不平顺等因素对地铁引起的振动问题的影响，进而研究了列车行驶引起的振动对建筑结构的影响，分析建筑物自身特性的改变和振动响应之间的关系，得到以下结论：①随着与隧道距离增加，相应位置的结构振动响应总体越小，但并非单调递减，而是存在一个反弹区；②与隧道距离一定的建筑，振动随楼层的增高而增大，顶层最大；③框架梁的刚度和质量对结构的振动响应的影响显著，刚度和质量越大，振动响应越小。

2014年宗琳[7]利用ANSYS建立了一个六层框架结构分析模型，并以实测地铁运行产生的振动波作为激励对模型进行加载，得出以下结论：①地铁在运行过程中产生的地面振动频率集中在0～100Hz，且在40Hz～60Hz区间的振动分量较大。在振动传播的过程中，高频振动部分会衰减得更快；②振动加速度随着与隧道的距离增大而减小，但并非单调衰减，而是在一定范围内存在一个回升区，且主要以竖向加速度为主；③在建筑物基础底部装置橡胶减振垫，有助于减小结构振动响应，且对地震也有一定的减振效果。

2016年杨凯[8]利用ANSYS软件分别建立了隧道—土体—建筑物二维和三维模型，采用激励函数来模拟列车动荷载，研究表明：①当地铁列车匀速运行时，地面振动随着与隧道水平距离增大而减小，但是在25m左右出现反弹现象，二维模型比三维模型反弹更明显，而这个距离恰好可能出现在建筑物区域；②隧道埋深对振动强度相关性明显，竖向振动加速度随着埋深的增加而减小，因此深埋地铁隧道能有效减振。

2.2 对人的影响

1993年张朝群等[9]对全身振动环境舒适性进行了系统性评价，介绍了乘坐舒适性系数法、吸收功率法、1/3倍频程分析法、矢量叠加法、单一不舒适性指数法等舒适度评价方法，并对这几种方法进行了比较，建议以均方根加速度对振动频率的关系作为舒适性的评价指标。

2003年韦光毅等[10]对83名长期接受全振人员和40名非接振人员进行健康检查和腰椎X射线正侧位拍片，进行对照实验。实验结果表明，头晕、恶心、耳鸣、失眠、多梦、记忆力减退、食欲不振、心悸、关节酸软、上腹痛及颈、肩、背、腰部和上下肢疼痛等为受全振人员的主诉症状，相比之下对照组的发生率明显更小。

2016年刘娟等[11]在学术会议中指出，环境振动会引起受振人群泌尿系统、消化系统、神经系统、运动系统和心血管及循环系统等多种系统的病理学效应，以及生理学和心理学效应，并提出了减振、吸振和隔振措施。

2.3 对精密仪器的影响

2007年栗瑞德等[12]利用传感器实地测量正常运营的地铁和汽车的竖向振动加速度，将地面振动时程转换到国际通用的1/3倍频程频谱研究地面振动特性，以讨论交通引起的环境振动对精密仪器的影响。得出以下结果：①作者提出“等振频率”的概念，即在同一振源下，“等振频率”对应的地面振动的振级，不随距震源的距离而改变。当振动频率小于“等振频率”区间时，地面振动主要受到背景振动影响；当地面振动大于“等振频率”的区间时，地面振动主要受到距离因素影响，但背景振动的影响依然存在；②参照某仪器的环境振动限值，结合地面振动特性，总结出地面振动频率分别大于和小于“等振频率”的情况下对精密仪器的影响规律。

2011年马蒙等[13]以北京某地铁线穿过科研实验室为背景，对精密实验仪器平台的环境振动进行了检测和评价。将实测楼外振动响应通过传递比曲线折算到精密仪器上，以评价振动对精密实验仪器的影响。研究表明：道路车流荷载产生的环境振动对实验仪器平台水平方向的振动较大；当列车低于60km/h且匀速行驶，振动对精密仪器影响不明显；当车速大于60km/h匀速通过时，振动的影响较大，为保证仪器正常使用，应采取减振措施。

2020年高广运等[14]等利用意大利进口设备TROMINO测试合肥某显示驱动芯片厂房微振动，将得到的有效实测数据用1/3倍频程法进行分析，得到地面微振动特性，得到如下有用结论：①由于厂房地坪长期受竖向荷载作用，其竖向刚度大于水平向刚度，因此竖向振动比水平向振动明显；②车辆在厂区内行驶，厂房二层振动响应明显大于一层，尤其在8Hz～250Hz频段的振动显著增加，并且在80Hz～90Hz频段出现振动放大现象。