建筑振动及其测试评价方法研究

时间：2024-07-28

魏晓斌，郭建祥，孙正华

（江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，江苏南京 210033）

0 引言

随着建筑行业的迅速发展，振动对结构安全、居住舒适度及工作环境的影响受到越来越多的关注［1］。建筑振动是建筑在激振源的影响下产生了往复的运动，这种激振源一方面来自于建筑内部，主要体现在设备振动激励引起建筑结构的振动［2］；另一方面体现在建筑外部，施工、交通等振源通过土层等介质把振动能量传递给建筑结构［3］。建筑物受振动的影响程度，直观表现为装饰物开裂脱落［4］。振动是一个能量转变过程，强烈的振动有可能会瞬间形成一个大范围的动应力，导致结构构件及节点螺栓等产生瞬间动力，造成结构疲劳和破坏，严重时，会直接造成结构的失衡和基础的沉降，使基础、结构等部位构件受牵拉作用而最终导致断裂破坏。此外，过于频繁的结构振动，也会对室内环境中的人体舒适度产生影响［5］。

振动对建筑的危害程度与很多因素有关，例如，振源的基本特性、激振源与建筑之间的传播距离、振源与建筑之间的传输介质、建筑物对振动的抵抗能力以及建筑物的振动响应特性等。因此，研究振动对建筑物的危害及建筑物内人员的舒适度的影响，除了要研究振源的特性外，对结构、设备、系统等进行振动测试也是必不可少的手段。振动速度和振动加速度能反映建筑物振动时能量值大小，与建筑物的破坏有着直接的关联。因此，在振动测试中，常用振动速度和振动加速度评价建筑物的振动响应程度［6］。

本文结合以往学者对振动测试的研究，总结了振动的产生及传播模式，分析了不同规范中的振动评价指标，并结合实际工程进行了实例验证，为今后类似的工程振动检测提供经验参考。

1 振动分类及其传播特性

目前的研究表明，振源可概括为：工业振源、工程振源、道路交通振源及自然振源等。

1.1 工业振源

工业振源主要指的是工厂内的一些生产运作，例如机械运转、传动轴、管道振动等［7，8］。在工业生产中，撞击作业的机械称为瞬态振源，由于器械本身的自重大这一特点，其产生的振动能量也很大，例如在建筑中进行的锻锤和冲压等生产，通常布置于一层地面，当布置于楼面时，其振动波在房屋内沿着房屋结构传播，长期以往，对建筑的安全影响较大，现已成为危害建筑安全最突出的振源之一。若机械设备运转过程中产生有规律、周期性、反复作用的振动，则称为稳态振源，通常有冷冻机、发动机和空压机等，这类振源当布置于楼面时，其产生的振动相对较小，但是对人体舒适度的影响较为明显，需设置专用的基座。工业厂房中的吊车等设备属于随机性振源，通常支承在柱或梁上，其对吊车梁的影响要大于支撑柱。

1.2 工程振源

工程振源主要指的是施工现场机械作业产生的振源，包括：打桩机、强夯机、水泥搅拌机、辗轧设备、爆破以及各种大型运输机等［9］。在工程作业中，其振动主要来自于地下工程施工作业、桩基施工以及拆除作业等。在城市地下工程施工中，爆破作业主要用于破除坚硬的岩石层，其特点是产生的幅值高、振动衰减快，通常爆破振动频率在 15～100 Hz，振动持续时间在 1 s 之内。打桩、强夯等地基基础施工以及建筑拆除施工，其产生的振动主要通过地面传播，对周边建筑物的影响随距离的增大而减小，通常其主要对精密仪器运行和人体舒适度会产生一定的影响，以及对陈旧的砖混结构房屋可能产生损坏［10］。

1.3 交通振源

交通振源可分为公路振源和铁路振源，公路振源主要是车轮和路面的摩擦产生振动，而铁路振源主要指的是铁轨与轨道连接处的撞击产生的振动。轨道和道路交通振源主要来自于列车对轨道的冲击作用和车辆与路面的相互作用，两者之间的原理相似，主要是对精密仪器、人体舒适度和建筑物本身产生影响。这种振动产生的振动波，通过周边土层传播，进而诱发附近地下空间结构二次振动。

1.4 自然振源

自然界中的一些现象引起建筑振动称之为自然振源［11］，包括地震、风荷载、海啸等。地震作用危害性巨大，现有规范已对地震作用做出了响应的抗振处理。风荷载属于一种随机振源，对于一般建筑特别是高层建筑引起振动较为明显。其他振动，如洪水、海啸等，类似于地震，这类振源对建筑是毁灭性的。

2 既有建筑动力响应测试方法

目前，对于建筑振动的研究已有很多理论方面的成果，然而，振动问题仅仅依靠理论分析不能满足工程应用的需要，且与实际情况有所偏差，因此，需要在理论分析的基础上进行建筑现场检测试验。振动检测方法是目前最常用的评估振动对建筑物影响程度的手段。结构振动现场检测已有成套的软件及设备。常见的振动检测可分为三类基本问题：①对振动源的动力特性的检测；②对建筑物的动力特性的检测；③在振动源的影响下，对建筑的动力响应的检测。振动系统的参数识别可以用频域、时域识别法，通过对参数的分析，可以对结构的状态进行监测评估。

2.1 测试基本要求

目前对于振动的测定，并没有统一规定，GB 50858－2013《建筑工程容许振动标准》［6］中规定：“当测试振动信号频率范围不大于10Hz时，宜选用位移型或速度型传感器；对于宽屏带冲击机器，宜选用位移型和速度型传感器同时进行测试；振动测试点应设在振动控制点上，振动传感器的测试方向应与测试对象所需测试的振动方向一致，测试过程中不得产生倾斜和附加振动，振动控制点应取基础或支撑结构顶面振动最大点，宜在水平和竖向布置振动传感器”。以建筑施工为例，其打桩、振冲等基础施工对周边建筑的影响则用建筑基础和顶层的速度峰值来评价，因此只需在建筑基础和顶层布置水平向和竖直向测点。GBT 50355－2018《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》［12］中规定：“测点布置于住宅建筑室内地面中央或室内地面振动敏感处，拾振器的灵敏度主轴方向应与地面（或楼层地面）的铅锤方向一致”。GB/T 14124－2009《机械振动与冲击建筑物的振动振动测量及其对建筑物影响的评价指南》［13］介绍：“对于强迫振动的监测，较好的位置为建筑物的基础上，当无法在基础上测量时，典型测点可以设置在基础底板主要承重外墙的底部。对于高度大于 4 层的建筑物，每隔四层和在顶层设置测点，对长度大于 10 m 的建筑物，应沿水平方向每隔 10 m 设置一个测点”。JGJ/T 170－2009《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》［14］则规定：“测点位置应布置于一楼室内敏感点或敏感区域，且至少应布置 3 个测点，当布置于建筑物的基础距外墙 0.5 m 范围内的振动敏感处时，应在靠近轨道一侧的基础上至少布设 1 个测点”。

综上可以看出，对于外部地面振源，建筑物动力响应测点宜布置在建筑基础和楼顶，根据实际需要，其余楼层可逐层或隔层布置测点，测点数量也可根据实际情况，布置位置则是以振动敏感处和结构薄弱处为主，在满足规范最低要求的同时，可以适当增加测点。

2.2 振动测试评价标准

振动评价主要是通过分析振动速度及加速度时域信号，获得测量时域范围内的振动速度峰值和振动加速度峰值。GB 50858－2013《建筑工程容许振动标准》中对于精密仪器及设备、动力机器基础、人体舒适度、交通振动、建筑施工振动、声学环境振动容许速度峰值已有相关规定。设备类的振动容许值主要是根据时域、频域范围内的设备振动速度获得。人体舒适度评价将办公区和生产操作区进行了区分，其评价指标为振动计权加速度级。交通振动对建筑结构的影响则是对基础（竖向、水平）和屋顶（水平）处的振动速度峰值及其对应的频率进行评价，其频率范围为 1～100 Hz。不同于交通振动，建筑施工振动是通过测量基础和屋顶水平和竖向速度峰值及其对应的振动频率，以获得其在时域范围内的容许振动值。GB 50858－2013《建筑工程容许振动标准》中关于声学环境振动是以噪声排放限制及在频域范围内的容许振动加速度均方根值来评价，不同的是，《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》中关于环境振动指的是住宅建筑物外部各种振源对住宅建筑物的容许振动限制，在环境振动测量中，一般选用振动加速度级和振动级作为振动强度参数，表征振动对人体响应的主要采用加速度级 La 来表示振动加速度的大小，由于居民日常生活主要是在住宅建筑室内地面或楼面上，其主要受铅垂向振动影响较大，因此振动测量通常以铅垂向 Z 振级为主。JGJ/T 441－2019《建筑楼盖振动舒适度技术标准》［15］中介绍了两种舒适度评价方法，一种对应工况为有节奏运动为主的楼盖建筑，则采用有效最大加速度进行评价，另外一种则是对于其他楼盖结构、连廊和室内天桥，则采用峰值加速度进行评价。

因此，在对建筑振动进行评价需要清楚振源的产生因素以及评价的目的，利用不同规范进行评价时，其需要获得的振动响应位置也有所区分。

3 既有建筑动力响应测试方法

某办公楼结构型式为框架-核心筒结构，结构标高83.25 m，地上 17 层，地下 3 层。楼顶中间为空调循环水泵，楼顶东南角为热泵机组，即空调循环水泵 4 台和热泵机组 6 组，如图1～图3 所示。

图1 屋面层动力机器位置及编号示意图（单位：mm）

图2 空调循环水泵外观照片

图3 热泵机组外观照片

空调循环水泵每组自重 573 kg，功率为 43 kW；热泵机组每组 5 台，每台自重 885 kg，每台功率 43.3 kW。上人屋面活荷载设计值 2 kN/m2。

按照振动信号测试分析系统布设方法，考虑到结构的振动特点及传振形式，在 17 层楼面布置了 6 个测点，测试铅垂向振动加速度，测点位置位于楼板形心，数据采集采用振动信号测试分析系 DH5927N 和941B拾振器进行数据采集。测点布置如图4 所示，测试实景照片如图5 所示。

图4 17 层振动测点布置示意图（单位：mm）

图5 测点 ZD17-6 实景照片

现场检测分为 2 个工况：工况 1，在屋面层空调循环水泵和热泵停止运行时，测试环境振动下室内振动情况；工况 2，测试空调循环水泵和热泵同时运行时室内振动情况，即打开 2#、3# 空调循环水泵和 1#、3#、6# 热泵，在空调循环水泵和热泵运转稳定后开始采集数据。空调循环水泵和热泵的位置如图1 所示。

工况 1 时，空调循环水泵和热泵没有启动时，各测点的振动加速度较小，如表1 所示。各测点的时域图谱如图6 所示。

表1 17 层测点工况 1 下振动加速度汇总表

图6 17 层测点工况 1 下振动时程曲线

工况 2 时，开启空调循环水泵和热泵进行测试，保持 2#、3# 空调循环水泵和 1#、3#、6# 热泵同时运行。在测试工况下 ZD17-3 测点的振动加速度最大，最大加速度峰值为 0.130m/s2，方向为铅垂向，具体检测结果如表2 所示。各测点的时域图谱如图7 所示。

表2 17 层测点工况 2 下振动加速度汇总表

图7 17 层测点工况 2 下振动时程曲线

测试结果表明，利用振动测试技术可以及时对建筑物内环境进行评价，其测点选择综合考虑了结构形式和振动传递模式，所模拟的测试工况能够真实反映未来运行时的实际情况，对后续减振降噪具有很好的指导意义。此次测试仅对舒适度进行了评价，恰当的选点和增加测点也可对建筑安全性进行评估。