交通对邻近地面及建筑物振动的影响与传递规律分析★

李东海 李博洋 金恒翔 曹艳梅

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

当前日益不断提高的生活水平使得人们对于生活环境的要求也正在不断提高。尤其是在城市中，由于道路集中、车辆繁多及各种轨道交通的存在，人们逐渐意识到各种振动对于建筑物的影响。交通所引起的振动对于生活环境的影响正逐渐被人们重视起来[1]。由于交通工具所导致的环境振动介于确定性振动与随机振动之间，同时地下沿途也具有随机性，交通工具的重量具有随机性，完全通过数值计算难以准确确定交通对环境的振动影响，还必须结合实测加以分析[2]。基于上述原因，本文针对建筑物缩尺模型及激励力的传播路径进行了分析，研究振动在地面及建筑物上的传递规律，了解振动在地面与建筑物上的传递特性，对于控制和减小交通运行引起的环境振动具有一定实际意义。

1 基本原理

在振动与冲击过程中，振动传递函数一般理解为系统内的响应函数与激励输入函数的傅里叶变化之比[3]。它所反映系统本身的特性与激励输入信号无关[4]。现有测试[5]和计算[6]表明，由交通运行产生的振动所引起环境振动的量级较小,建筑材料在此时完全处于弹性工作阶段，故在交通正常运行的情况下，在建筑物上的振动传递响应函数，并不会随激励荷载的改变而发生改变，只与建筑结构本身的固有特性有关。

振动在传播的过程中，是一个复杂的组合系统，该系统是由许多子系统经过组合叠加而产生的。当振源有振动荷载的激励时，不同的子系统之间都会互相产生振动的响应，而此时不同的子系统之间的振动响应就存在量值的比例，这就是振动传递比的概念。

在实际测量中，由于不同的子系统之间作用力比较难测量，而它们的振动的加速度较容易测量，因此需要引入振动传递比的概念，定义在时域内，同一振源载荷激励下，振动达到稳态时，其竖向加速度的幅值之比，即为不同子系统之间的振动传递比，其定义式[7]为：

2 振动传递比

为研究振动在建筑物之中的传递规律，制作了高75 cm。由型钢焊接成的缩尺五层框架结构，测量框架结构各楼层的振动，进而研究振动从振源到结构的传播规律(见图1)。

现场场地选在了北京交通大学图书馆门前32 m×24 m闲置草地上，试验现场的测试点布置如图2所示，通道1～通道5之间，每个通道相互间隔1 m，通道5～通道8之间，每个通道相互间隔为2 m，通道8～通道11之间，每个通道相互间隔4 m，建筑物摆放在距激励点8 m的位置处，本实验共进行了33组试验，下文将取其中一组试验数据进行分析。

2.1 地面振动传递

振源激励后，布置的竖向传感器记录了力锤敲击后对地面产生振动的竖向加速度分量，在经过简单的变换后，得到其加速度时程曲线，将得到的时域信号通过傅里叶变换转换为频域信号，经过简单变换后得到信号的频谱，实现了信号域的转换，如图3所示。

由图3可知，125 Hz以上频率振动随距离增加迅速衰减，直到完全消失。50 Hz～100 Hz是引起地面竖向振动的主要频率，在70 Hz左右竖向加速度有峰值。在8 Hz～40 Hz之间，竖向加速度随距离衰减的同时会有一定的回弹。随距离增加，传递的振动主要为低频率振动。

设定振动传递比为各测点所测竖向加速度幅值与一号测点竖向加速度幅值之比，通过对数据进行分析，得到振动在地面上的传递比，如图4所示。

由图4可知，地面振动传递比是单调递减的，其曲线近似为一条直线，接近线性变化，距离越远，传递的振动越小。

2.2 建筑物内的振动传递

根据建筑物1层～5层竖向加速度传感器所采集的数据，经过简单变换后，得到竖向加速度时程曲线，如图5a)所示。之后将时程信号转变为频域信号，并经过变换后，得到建筑物1层～5层振动竖向加速度频域曲线，如图5b)所示。

由各层竖向加速度时域曲线可知各层竖向加速度的幅值，令各层竖向加速度幅值与一层竖向加速度幅值相比，求出建筑物的振动传递比，如图6所示。

由图5与图6可知，20 Hz～40 Hz是主要引起建筑物振动的频率，振动在35 Hz处达到峰值。40 Hz以上频率振动随楼层增加迅速递减，20 Hz以下振动对建筑物影响不大。由图6可知，楼层振动并不随楼层增加而呈现单调性增加或减小，而是在顶层出现较大的振动响应。

3 结语

研究振动传递规律得出如下结论：1)振动在地面及建筑物中传递以低频率振动为主，高频率振动衰减速度很快。2)在地面振动中，50 Hz～100 Hz是引起地面竖向振动的主要频率，在该段内竖向加速度有峰值。在8 Hz～40 Hz之间，竖向加速度随距离衰减的同时会有一定的回弹。3)20 Hz～40 Hz是主要引起建筑物振动的频率，振动在35 Hz处达到峰值。40 Hz以上频率振动随楼层增加迅速递减，20 Hz以下振动对建筑物影响不大。4)楼层振动并不随楼层增加而呈现单调性增加或减小，而是在顶层出现较大的振动响应。