某文物建筑不同振动源的振动影响实测分析

王 昆 WANG Kun 谢永健 XIE Yongjian

0 引言

随着现代城市的快速发展，城市地区文物建筑所处的振动环境正在逐渐恶化，交通、施工等引起的振动对文物建筑的环境影响尤为显著。振动环境中，文物建筑的保护涉及建筑结构安全性和建筑完整性。一方面，受自身结构寿命的影响，文物建筑的建筑构件对环境更加敏感，对振动环境的要求也相对更高；另一方面，由于文物建筑的历史文化特殊性和破坏不可逆性，其对“建筑破坏”的定义远比现代建筑严格[1]。

目前，国内外关于交通振动环境下古建筑的振动研究已比较成熟。例如，许多学者先后通过理论分析、数值建模和现场实测等方法，评估地铁等交通环境振动对建筑物的影响，分析环境振动变化规律，并开展相应的评估与预测研究[2-3]；亦有学者通过实际应用案例，分析地铁隧道等深基坑的开挖与施工对古建筑的振动影响[4-6]。但对于同一古建筑不同振动源引起的振动影响，尚缺乏完善的研究。

本文结合实际工程，研究地铁振动、装修施工及周边工程建设造成的偶然冲击荷载等3 种振动源对古建筑带来的影响，为今后类似工程的监测方案提供经验参考。

1 工程概况

某文物建筑始建于1922 年，为近现代全国重点文物。建筑原为4 层（局部5 层）砖木结构，后经多次修缮，内部改为框架结构。其建筑平面呈“回”字形布置，内设天井，主体4 层，前部屋顶设2 层塔楼，建筑总高度约为21.6 m，建筑面积4245m2；房屋底层层高4.5m，二、三层层高均为3.4 m，四层层高为3.3 m。该建筑地处城市闹市区，其北侧不到30 m 处有一条运营中的地铁，且周边300 m 范围内有4 处建筑工地；同时，其本身正在进行装修施工。为调查建筑周边振动源及其振动的关联情况，持续对该房屋进行6 d 振动监测。

2 监测方案

2.1 振动评价标准

目前，与文物建筑相关的振动评价标准，主要有《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T50452—2008）[7]（以下简称《古建筑规范》）和《建筑工程容许振动标准》（GB 50868—2013）[8]。其中，《古建筑规范》对全国重点文物砖结构的容许振动值规定为“承重结构最高处振动速度响应不超过0.15 mm/s”；而《建筑工程容许振动标准》（GB 50868—2013）仅对“振动敏感、具有保护价值、不能划分上述两类的建筑（即未核定为文物保护单位的不可移动的、具有历史、艺术、科学价值且需要保护的古建筑、古文化遗址、古墓群、近现代史迹和代表性建筑等）”进行了规定，且交通振动的容许振动值为2.5 mm/s，建筑施工容许振动值为3.0 mm/s。鉴于该建筑为全国重点文物建筑，且作为纪念馆，馆内存有许多珍贵展品，故振动控制标准较高，其振动水平的评价应参考国家标准《古建筑规范》中的容许值0.15 mm/s。

同时，由于建筑临近运营中的地铁，其地铁运营引起的振动应满足行业标准《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170—2009）[9]（以下简称《轨交标准》）相关要求；且全国重点文物建筑属于对振动要求很高的特殊建筑，应按0 类或1 类区域考虑，故室内的昼间振动限值为65 dB，夜间振动限值为62 dB。

2.2 测试仪器设备及测点布置

测试方案主要根据上述评价标准进行。测试时，根据现场情况布置测点及拾振器，采用由中国地震局工程力学研究所制造的941B 型拾振器接收速度信号，并采用INV3062T 云智慧采集仪进行离线采集和存储。国内外大量工程实践表明，地面质点峰值速度与建筑物的破坏程度相关性最好[10]。本测试方案采用的914B 型拾振器，是一种广泛用于多种场合的低频振动测量和监测仪器。基于动圈式往复摆的运动原理，将拾振器水平向或铅锤向与被测结构固定后，拾振器的运动部分构成速度摆，拾振器则构成加速度计。通过接通不同的微型拨动开关，仪器可输出速度或加速度参量。经过与数据采集仪的配接，即可在终端设备上实现测量数据的离线采录。

测点布置的主要原则是：底层布置加速度传感器，且测量的铅垂向加速度依据《轨交标准》相关要求评价振动水平；其它楼层布置速度传感器，并依据《古建筑规范》评价振动水平。测点的布置详见表 1 和图1。

表1 测点布置说明

图1 各层测点布置示意图

3 监测结果分析

3.1 地铁振动数据分析

部分文献曾对列车行驶轨迹与相邻古建筑振动特性展开测试研究。他们认为，列车振动引起古建筑结构的动力响应随水平距离和竖向距离的改变呈有规律的变化，其中，在地下结构部分以竖直方向响应为主，超过一定高度后，地上结构振动以水平方向响应为主，且地上结构的动力响应高于地下结构[2]。亦有文献对地铁隧道穿过建筑物正下方及隧道位于建筑物一侧时的传递损失特性进行了研究：当地铁隧道穿过建筑物正下方时，传递损失最小；当隧道穿过建筑物旁侧时，则传递损失较大；且随着隧道与建筑物间的水平距离增加，传递损失显著增大。可见，增加隧道与建筑物之间的水平距离，能够有效地减小建筑物振动[11]。这些均表明：地铁的行驶路线与建筑物的水平距离会对地铁振动造成有规律的影响。

本项目中，地铁最近处从建筑北侧30 m 斜向而过，且相邻地铁的载客运营时段为 6:30—22:00。为专门分析地铁运营的影响，应尽量减少周边工地振动及地面交通振动对地铁振动分析结果的干扰，故抽取19:00 以后周边工地停工、道路地面交通减少时段的速度、加速度数据进行分析。根据典型振动时程曲线（图2），对振动时程曲线进行频谱变换，可得出功率谱密度曲线（图3）。可以看出，地铁从建筑北侧经过时，底层加速度测点的振动先逐渐变大，后又逐渐变小，时程曲线外包络线呈梭形，反映了地铁靠近建筑后又远离建筑的过程；通过频谱变换，可知底层加速度测点的铅垂向主要响应频率为10.5～12.5 Hz。

图2 底层3 个测点加速度时程曲线

图3 底层3 个测点加速度功率谱密度曲线

3.1.1 按《古建筑规范》评价振动影响

表2 列举了地铁从房屋北侧经过时，各层楼板典型时段的最大响应速度。可以看出，地铁经过时的各层楼板水平方向最大响应速度介于0.011～0.026 mm/s 之间，小于《古建筑规范》中的容许值0.15 mm/s，均满足规范要求。

表2 地铁影响下各层楼板最大响应速度

3.1.2 按《轨交标准》评价振动影响

根据《轨交标准》，对截取的5辆列车经过时底层测点 P1～P3的最大分频振级进行计算（表3），其中，各车次经过测点的时间为7～10 s。由表3 可知，地铁引起室内振动的最大分频振级为51.7 dB，满足标准昼间振动限值（65 dB）的要求（地铁运营时间为6:30—22:00，属于昼间时段，故只分析昼间振动情况）。

表3 地铁影响下底层测点最大分频振级

3.2 装修施工影响

监测期间，房屋三、四层处于装修施工阶段，振动干扰较大；特别是在进行敲凿粉刷作业时，振动最为明显。其典型测点的速度时程曲线见图4，功率谱曲线见图5，且内部装修施工荷载作用下各层测点5 次振动测试的最大响应速度测试结果见表4。由此可知，距离装修施工最近的三、四层楼板振动峰值最大，超过《古建筑规范》中0.15 mm/s 容许值的测点较多；距离装修施工较远的二层楼板和屋面楼板振动较小，超过《古建筑规范》容许值的测点较少。因此，装修施工振动主要影响的是局部临近装修施工的楼层。

图4 装修施工影响下三层测点速度时程曲线

图5 装修施工影响下三层测点速度功率谱曲线

表4 装修施工影响下各层楼板最大响应速度

3.3 工程建设偶然冲击荷载振动的监测结果及分析

监测期间，曾采集到2 次明显冲击荷载振动，每次持续时间约5 s，其典型时程曲线见图6，频谱变换后的频谱曲线见图7。从图6 的时程曲线可以看出，冲击荷载振动快速达到峰值，然后又快速衰减。两次冲击对应的最大响应速度测试结果如表5 所示。可以看出：建筑屋面层东西方向和南北方向的最大响应速度分别为0.221 mm/s 和0.205 mm/s，四层东西方向和南北方向的最大响应速度分别 为0.181 mm/s 和0.167 mm/s，均超过0.15 mm/s 的容许值；二、三层则未超过0.15 mm/s。根据振动响应曲线，结合周边工程建设情况，可以推测，这种短时的振动可能是由周边建设过程中存在较大冲击能量的大型机械施工振动引起。此外，受楼层高度影响，房屋在同一冲击荷载下，较低楼层加速度与上部楼层加速度差别较大，施工时，应对不同楼层加速度开展专项监测。

表5 偶然冲击振动影响下楼板最大响应速度

图6 偶然冲击荷载影响下三层测点速度时程曲线

图7 偶然冲击荷载影响下三层测点速度功率谱曲线

3.4 不同影响源的振动影响比较分析

本文研究的振动源主要为相邻地铁运营振动、装修施工振动及周边工程建设引起的冲击荷载振动。

（1）根据现场监测人员的振感分析：冲击荷载振动最为明显；装修施工振动也较明显，尤其是凿除粉刷层的施工，但能感受到的范围有限；地铁振动基本不太明显。

（2）根据作用时间：地铁振动持续时间最长；装修振动次之；冲击荷载振动作用时间最短，每次仅持续数秒，且监测的 6 d 内仅发现2次。

（3）根据典型振动时程曲线：地铁振动由于和列车运行有关，时程曲线外包络线呈梭形，近似呈周期性影响；冲击荷载振动的时程曲线快速到达峰值，然后快速衰减；装修振动，基本维持在较低水平，偶尔有一个较大的峰值。

（4）根据振动频率：地铁振动因其影响源较为单一，影响的主频比较明显，集中为10.5～12.5 Hz；装修振动频率较多，有低频有高频，主要集中于65.0～73.5 Hz，这与装修影响源频率多样化有关；冲击荷载频率较低，主要为3.5～6.0 Hz。

本项目监测过程中，冲击荷载振动和装修振动均超过相应标准，对房屋的影响较为明显；但从房屋的长期振动角度来考虑，振动的潜在影响还需要进一步研究。

4 结语

本文针对某文物建筑不同振动源引起的振动监测，分析地铁振动、装修施工振动、相邻工程建设施工偶然冲击荷载振动的时程曲线特点、频谱特征及幅值大小，并按照相应规范评价振动对建筑的影响，为判断振动源并制订针对性的监测方案提供研究基础，继而为今后文物建筑或类似建筑的保护监测提供参考。需注意的是，振动对文物建筑的长期影响，尚需将振动监测与房屋结构损伤调查、分析结合起来，开展更为长期深入的研究，才能更好地为文物建筑及类似建筑的保护提供科学有效的方法。