郭靳時(shí)，李翔 （吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118）

1 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，交通荷載引起的環(huán)境振動(dòng)普遍存在于人們的日常生活中。環(huán)境振動(dòng)一般通過(guò)巖、土層介質(zhì)向地表四周或地下傳播，傳播過(guò)程中會(huì)引起地面建筑物或地下建筑物振動(dòng)響應(yīng)，雖然沒(méi)有地震那么強(qiáng)烈，但這種振動(dòng)長(zhǎng)期存在，影響著人們的身心健康，干擾精密儀器的正常使用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使建筑物內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)變，當(dāng)殘余應(yīng)變積累到一定程度，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生疲勞破壞，降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[1-3]。介于環(huán)境振動(dòng)對(duì)人們的身心健康和生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的影響日益嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)環(huán)境振動(dòng)所產(chǎn)生的危害，進(jìn)行深入的探討和研究。

2 交通引起環(huán)境振動(dòng)的危害

2.1 對(duì)鄰近建筑物的影響

2006年曹艷梅[4]等建立了列車(chē)—軌道—路基解析分析模型，計(jì)算出單個(gè)車(chē)輪對(duì)地基的作用力，采用疊加的方式計(jì)算得到整列車(chē)對(duì)路基的動(dòng)荷載。通過(guò)有限元軟件加載的方法，研究了此動(dòng)荷載對(duì)附近某一高層建筑的振動(dòng)影響，得出如下規(guī)律：①列車(chē)所引起的振動(dòng)隨著樓層的增高有增大的趨勢(shì)；②在車(chē)速為60km/h～120km/h的范圍內(nèi)，建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)隨車(chē)速增大而增大，大致呈線性關(guān)系。每當(dāng)車(chē)速增加20km/h，建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度增加4dB～7dB；③建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)隨著與動(dòng)荷載作用位置的水平距離增大而減小，每當(dāng)距離增加10m，建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度減小2dB～5dB。

2006年鄭薇[5]利用有限元軟件Ansys數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)相結(jié)合的研究方法，對(duì)浙江省某鄰近火車(chē)站的樓盤(pán)進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)影響評(píng)估，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：①列車(chē)經(jīng)過(guò)建筑物附近時(shí)引起的豎向振動(dòng)要比水平振動(dòng)更大，這是因?yàn)樨Q向振動(dòng)主要由結(jié)構(gòu)共振和局部振動(dòng)共同作用所產(chǎn)生的，而水平振動(dòng)則主要由結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生；②豎向振動(dòng)和水平振動(dòng)隨震距增大而單調(diào)遞減。豎向振動(dòng)和水平振動(dòng)的振級(jí)總體呈現(xiàn)樓層增加而增加的趨勢(shì)，但其中存在一個(gè)拐點(diǎn)；③通過(guò)分別建立十層框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型比對(duì)模擬發(fā)現(xiàn)，剪力墻結(jié)構(gòu)的振級(jí)相比框架結(jié)構(gòu)的振級(jí)更大，因此說(shuō)明剪力墻并不能絕對(duì)地更好抑制振動(dòng)；④結(jié)構(gòu)的跨度因素對(duì)豎向振動(dòng)的影響程度要比樓板厚度因素對(duì)振動(dòng)影響更顯著。

2008年文強(qiáng)[6]采用了有限元分析和數(shù)值模擬的方法，分析了距離、車(chē)速、隧道埋深、巖土層性質(zhì)、列車(chē)軸重和軌道不平順等因素對(duì)地鐵引起的振動(dòng)問(wèn)題的影響，進(jìn)而研究了列車(chē)行駛引起的振動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響，分析建筑物自身特性的改變和振動(dòng)響應(yīng)之間的關(guān)系，得到以下結(jié)論：①隨著與隧道距離增加，相應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)總體越小，但并非單調(diào)遞減，而是存在一個(gè)反彈區(qū)；②與隧道距離一定的建筑，振動(dòng)隨樓層的增高而增大，頂層最大；③框架梁的剛度和質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)的影響顯著，剛度和質(zhì)量越大，振動(dòng)響應(yīng)越小。

2014年宗琳[7]利用ANSYS建立了一個(gè)六層框架結(jié)構(gòu)分析模型，并以實(shí)測(cè)地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)波作為激勵(lì)對(duì)模型進(jìn)行加載，得出以下結(jié)論：①地鐵在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的地面振動(dòng)頻率集中在0～100Hz，且在40Hz～60Hz區(qū)間的振動(dòng)分量較大。在振動(dòng)傳播的過(guò)程中，高頻振動(dòng)部分會(huì)衰減得更快；②振動(dòng)加速度隨著與隧道的距離增大而減小，但并非單調(diào)衰減，而是在一定范圍內(nèi)存在一個(gè)回升區(qū)，且主要以豎向加速度為主；③在建筑物基礎(chǔ)底部裝置橡膠減振墊，有助于減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，且對(duì)地震也有一定的減振效果。

2016年楊凱[8]利用ANSYS軟件分別建立了隧道—土體—建筑物二維和三維模型，采用激勵(lì)函數(shù)來(lái)模擬列車(chē)動(dòng)荷載，研究表明：①當(dāng)?shù)罔F列車(chē)勻速運(yùn)行時(shí)，地面振動(dòng)隨著與隧道水平距離增大而減小，但是在25m左右出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，二維模型比三維模型反彈更明顯，而這個(gè)距離恰好可能出現(xiàn)在建筑物區(qū)域；②隧道埋深對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度相關(guān)性明顯，豎向振動(dòng)加速度隨著埋深的增加而減小，因此深埋地鐵隧道能有效減振。

2.2 對(duì)人的影響

1993年張朝群等[9]對(duì)全身振動(dòng)環(huán)境舒適性進(jìn)行了系統(tǒng)性評(píng)價(jià)，介紹了乘坐舒適性系數(shù)法、吸收功率法、1/3倍頻程分析法、矢量疊加法、單一不舒適性指數(shù)法等舒適度評(píng)價(jià)方法，并對(duì)這幾種方法進(jìn)行了比較，建議以均方根加速度對(duì)振動(dòng)頻率的關(guān)系作為舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2003年韋光毅等[10]對(duì)83名長(zhǎng)期接受全振人員和40名非接振人員進(jìn)行健康檢查和腰椎X射線正側(cè)位拍片，進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頭暈、惡心、耳鳴、失眠、多夢(mèng)、記憶力減退、食欲不振、心悸、關(guān)節(jié)酸軟、上腹痛及頸、肩、背、腰部和上下肢疼痛等為受全振人員的主訴癥狀，相比之下對(duì)照組的發(fā)生率明顯更小。

2016年劉娟等[11]在學(xué)術(shù)會(huì)議中指出，環(huán)境振動(dòng)會(huì)引起受振人群泌尿系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和心血管及循環(huán)系統(tǒng)等多種系統(tǒng)的病理學(xué)效應(yīng)，以及生理學(xué)和心理學(xué)效應(yīng)，并提出了減振、吸振和隔振措施。

2.3 對(duì)精密儀器的影響

2007年栗瑞德等[12]利用傳感器實(shí)地測(cè)量正常運(yùn)營(yíng)的地鐵和汽車(chē)的豎向振動(dòng)加速度，將地面振動(dòng)時(shí)程轉(zhuǎn)換到國(guó)際通用的1/3倍頻程頻譜研究地面振動(dòng)特性，以討論交通引起的環(huán)境振動(dòng)對(duì)精密儀器的影響。得出以下結(jié)果：①作者提出“等振頻率”的概念，即在同一振源下，“等振頻率”對(duì)應(yīng)的地面振動(dòng)的振級(jí)，不隨距震源的距離而改變。當(dāng)振動(dòng)頻率小于“等振頻率”區(qū)間時(shí)，地面振動(dòng)主要受到背景振動(dòng)影響；當(dāng)?shù)孛嬲駝?dòng)大于“等振頻率”的區(qū)間時(shí)，地面振動(dòng)主要受到距離因素影響，但背景振動(dòng)的影響依然存在；②參照某儀器的環(huán)境振動(dòng)限值，結(jié)合地面振動(dòng)特性，總結(jié)出地面振動(dòng)頻率分別大于和小于“等振頻率”的情況下對(duì)精密儀器的影響規(guī)律。

2011年馬蒙等[13]以北京某地鐵線穿過(guò)科研實(shí)驗(yàn)室為背景，對(duì)精密實(shí)驗(yàn)儀器平臺(tái)的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行了檢測(cè)和評(píng)價(jià)。將實(shí)測(cè)樓外振動(dòng)響應(yīng)通過(guò)傳遞比曲線折算到精密儀器上，以評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)精密實(shí)驗(yàn)儀器的影響。研究表明：道路車(chē)流荷載產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器平臺(tái)水平方向的振動(dòng)較大；當(dāng)列車(chē)低于60km/h且勻速行駛，振動(dòng)對(duì)精密儀器影響不明顯；當(dāng)車(chē)速大于60km/h勻速通過(guò)時(shí)，振動(dòng)的影響較大，為保證儀器正常使用，應(yīng)采取減振措施。

2020年高廣運(yùn)等[14]等利用意大利進(jìn)口設(shè)備TROMINO測(cè)試合肥某顯示驅(qū)動(dòng)芯片廠房微振動(dòng)，將得到的有效實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)用1/3倍頻程法進(jìn)行分析，得到地面微振動(dòng)特性，得到如下有用結(jié)論：①由于廠房地坪長(zhǎng)期受豎向荷載作用，其豎向剛度大于水平向剛度，因此豎向振動(dòng)比水平向振動(dòng)明顯；②車(chē)輛在廠區(qū)內(nèi)行駛，廠房二層振動(dòng)響應(yīng)明顯大于一層，尤其在8Hz～250Hz頻段的振動(dòng)顯著增加，并且在80Hz～90Hz頻段出現(xiàn)振動(dòng)放大現(xiàn)象。

3 減振與隔振建議

①對(duì)于地鐵設(shè)計(jì)，增加隧道埋深能顯著降低環(huán)境振動(dòng)，穿過(guò)居民區(qū)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低行駛速度。

②軌道列車(chē)盡可能避開(kāi)市區(qū)，當(dāng)無(wú)法避開(kāi)時(shí)，應(yīng)使用減振軌道，并且在距離軌道中心線水平方向25m振動(dòng)反彈區(qū)內(nèi)，不宜建造居民樓房、辦公樓和有精密儀器的廠房或科研所。

③車(chē)流密集的城市道路，在限速的基礎(chǔ)上，還應(yīng)增加道路的平整度，并且降低路面剛度。

④城市軌道、快速路、高速路、城市干道臨近區(qū)域不宜建造高層建筑。