表1 测点统计分析量值表 /(m/s2)
Table 1 Statistical analysis values of measuring points
注：阴影部分为地下室范围内测点。
宗 刚1,2，郑玉琴1，任晓崧1，张永红1
(1. 同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所，上海 200092；2. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)
摘 要：选取上海某地铁沿线工程建设场地，先后开展了建设前自由场和建设后建筑—场地的振动实测，通过实测数据的时域、频域分析，对比研究了建筑物对场地振动的影响规律。结果表明：建筑物的质量对振动响应的影响较小，而地下室结构的墙、板构件对场地内传播的弹性波有显著的反射、阻隔作用。波的反射效应在地下室与轨线间局部区域形成能量聚焦区，导致地表振动响应放大，最高的放大率超过1倍以上；波的阻隔作用使地下室内形成振动能量的屏蔽区，振动响应减小，减小率超过45%。
关键词：地铁振动；振动实测；建筑影响；减振效应；波阻抗
以地铁为代表的轨道交通系统作为现代城市的重要基础设施之一，在提供便捷出行的同时，也产生了诸多的环境振动问题[1―2]，地铁运行产生的振动影响沿线居民的生产生活，降低精密设备的工作性能，甚至会加剧老旧建筑的损伤。地铁沿线既有建筑的振动问题可采用振动实测加以应对，但对拟建工程的振动水平评估则多依赖于自由场振动实测辅以数值模拟的方法进行预测[3―7]。采用自由场振动实测与数值模拟相结合的预测过程简便易行，但因自由场与建筑建成后的场地特性差异及数值模拟过程中的诸多假定条件影响，使预测结果往往很难准确反映建成后建筑物的实际振动情况。为此，有研究者开始关注地铁沿线既有建筑物的振动实测及响应分布规律的研究[8―12]，但目前这部分振动实测的样本量有限，且建筑物的构型各异，相应的预测规律难以普遍推广。
本文选取上海市某地铁沿线的工程建设场地，对建设前的自由场及建筑建成后的“建筑—场地”系统两个阶段分别开展了振动实测，基于实测数据分析，从响应水平、响应频带特征等方面分析了建筑物对原自由场地振动响应的被动减振效应，并对被动减振效应的作用机理进行了初步讨论。本文研究结论可修正与完善自由场振动实测并辅以数值模拟的振动预测方法。考虑到环境振动的评价往往以竖向振动为主，本文仅对竖向响应分量进行了分析，水平响应的分析过程及结果与竖向类似，不作展开。
选取的工程建设场地毗邻地铁线路，测点布置情况如图1所示。测线垂直于地铁线路，各测线测点与线路中心的水平投影距离相同，测点间距详见表 1。建成后的建筑物地面上共有两幢单体，分别为95 m高的框筒高层建筑(主楼)和16 m高的多层框架建筑(辅楼)，两幢建筑坐落于同一个大基坑上(地下室)，如图1(a)所示；地铁轨道面埋深约19.5 m，双圆盾构轨道，普通钢筋混凝土道床，无减振设计轨道；测线断面位于两地铁站中间位置，列车经过测线时的通行速度约40 km/h。
表1 测点统计分析量值表 /(m/s2)
Table 1 Statistical analysis values of measuring points
注：阴影部分为地下室范围内测点。
图1 测点布置图
Fig.1 Layout of measuring points
振动实测分两阶段进行，分别对应于自由场振动实测(测线 I)和“建筑—场地”振动实测(测线II)，测试周期跨越2年，期间地铁线路的结构、运营车辆、运营情况、人流量等均无较大的变动。测线II包含II-a、II-b、II-c三条子测线，分别对应于主楼地面层、辅楼地面层、主楼地下室底板层，测线布置的目的除用于考量建筑物对自由场振动的减振效应外，亦可对比不同体量的上部结构对振动效应的影响差异。
各测点同步采集x、y、z三向数据，测试设备采用 kinemetrics出品的 Basalt 4X系列采集仪及Episensor32三轴力平衡式加速度计，采样率为500 点/秒，每个测点的采样总时长大于 2 h，有效样本数量不少于20个。
图2给出了测线I及测线II-a中1#、4#、7#测点在列车通行时引发的振动响应典型样本时程图，图3是对应于1#测点的典型样本频谱图。从时程和典型频谱分布可见，在建筑物建成前后，测点的时程和频谱分布相似，说明在两个测试阶段里，列车的通行时速基本相当(样本持时均接近 16 s)，轨道情况和隧道结构等无较大变动。
图2 典型样本时程图
Fig.2 Time-history curve of typical sample
图3 典型样本频谱图
Fig.3 Spectrogram of typical sample
环境振动的评价指标多以加速度和速度表达，二者可基于适当的数值微积分处理方法进行转化，因此本文仅对加速度响应量进行分析。样本的有效值是环境振动评价的基本统计量，其根据不同的计权时间及滤波方式而应用于不同评价对象。本文借鉴文献[13]的规定，以响应样本的 1/3倍频程有效值作为统计分析量，其具体定义见式(1)～式(3)：
其中：
对应频段的有效值；
为全频段的有效值；A r m s(t)为所有样本的平均有效值。
由式(1)～式(3)得到各工况测点的统计分析量值列于表1中。
结合表1的统计量绝对值结果，将不同测点针对于测线I的1#测点响应统计量进行归一，则得到如图4所示的形态，可见：1) 自由场测线的振动衰减缓慢，且在30 m～50 m存在振动局部放大，与已有研究结果相似[14―15]；2) 建筑物建成后，在地下室区域之前距离轨线中心线约 20 m之间的区域，振动出现了反弹聚焦区(2#测点)，地表振动响应较自由场放大；3) 在地下室范围内，所有测线的振动响应均较自由场地表响应减小，整体而言，地下室底板的振动减小量更大，地下室顶板(建筑室内地面)的两条测线的振动在地下室范围内基本以等幅不衰减的规律传播，而地下室底板区域在 45 m测点处出现了局部放大现象，这一局部放大区与自由场的局部放大区域位置接近，其余测点基本维持等幅振动传播。
图4 振动响应统计量衰减曲线
Fig.4 Attenuation curve of statistics of vibration responses
以测线I的各测点响应统计量为基准，计算其他各测线对应点响应与自由场测点差异的相对值，结果由表1给出，相应图示见图5。分析结果表明，建筑物建成后对原自由场地振动的影响十分显著，具体表现在：
1) 1#、2#测点在建筑建成后的振动水平均较自由场时明显放大，其中2#测点的放大率接近120%，考虑这些测点与地下室的位置关系，这一振动放大区是地铁产生的振动能量经地下室外围护结构反弹后形成的能量聚集区，说明地下室的外围护结构对振动能量的传播有较强的隔振作用。
2) 建筑物建成后，地下室范围内的各测点振动均减小，在原自由场测线的局部放大区域内，地下室顶板的振动减小率超过80%，地下室底板的振动减小率超过50%；其他区段内，地下室顶板的振动减小率在60%左右，地下室底板的减小率在80%左右。
3) 结合图4，可见测线II-a和II-b的振动响应水平及振动衰减曲线均十分接近，说明虽然上部结构体量差异很大，但位于同一地下室顶板上的不同测线振动水平差异不大，说明上部结构的建筑体量对地下室顶板振动的影响很小，地下室结构对振动的影响更大。
4) 比较II-a和II-c，除局部放大区域外，地下室底板较顶板的振动水平降低约20%，但底板区域的放大区振动水平较顶板区大30%。
图5 振动响应相对值曲线
Fig.5 Curve of relative values of vibration responses
选取测线的2#、3#、5#、7#测点进行响应的频域特征比较，2#测点和5#测点分别对应建筑物影响效果突出的地下室外测点和地下室内测点，3#测点和 7#测点对应建筑物影响效果较小的地下室外测点及地下室内测点。采用式(1)～式(3)给出的1 Hz～80 Hz中心频率对应的1/3倍频程响应有效值统计结果，对响应的频域分布特征进行比较，比较结果如图6所示。
图6 1/3倍频程响应比较图
Fig.6 Comparison diagram of 1/3 octave responses
比较图6(a)、图6(b)中2#和3#测点结果可以发现，建筑物建成后，在地下室之前的某一范围内，振动响应较原自由场时有明显的放大，放大的频率分量主要集中在50 Hz～100 Hz，这正是地铁引发场地振动响应的主频带，说明地铁引发的振动因地下室结构的存在造成了反射界面，形成了这一区段的振动能量聚集放大效应。图6(c)、图6(d)的结果则表明，在地下室区域内，各频段的振动响应均有显著的降低，5#和7#测点的距离虽然不同，但不同频带的减小率整体趋势相似；而由于5#测点对应的原自由场响应存在局部放大，导致5#测点的各频带的振动减小率均较7#测点大。对于大部分频带，地下室底板层的振动减小率均较顶板层大，但主楼和辅楼地面层的振动减小率在不同频带内各有高低，无规律可循。
比较建筑物建成前后，引起场地振动响应变化的因素主要有两方面：建筑物对原场地的附加质量作用和建筑物地下室的墙、板产生的波阻抗作用。仅考虑参与质量对振动响应的影响程度，则建筑物建成后的场地振动响应变化率可由式(4)近似估算。由于一般的建筑结构对地基附加应力与基础的设计目标为考虑各种基础结构后，对原场地的附加应力达到静力平衡状态，因此实际工程中式(4)中分式结果通常接近于 1.0，相应的因建筑附加质量引起的振动变化往往很小。
式中：δm为考虑参与质量变化引起的原场地振动响应变化率； Ms、 Mb、 Md分别表示自由场参与振动的土体质量、建筑物质量、建筑物建造过程中挖去的土体质量。
在明确因参与质量引起的场地振动响应变化率不大的情况下，即可得知：地下室的墙、板结构对传至该区域弹性波提供的阻抗作用是造成建筑物建成后场地振动响应变化的最主要因素。图7的示意图给出了地铁引发的振动经土体传至建筑物后，波动能量在“建筑—场地”区域内传播、反射的情况。相对于周边土体，地下室可看作四周波阻抗很大的封闭结构体，因此对于地下结构内部而言，封闭墙板在几何意义上提供近似无限修长的隔振屏障，当围护结构的材料与土体间的波阻抗差异足够大时，弹性波将被完全阻隔；实际工程中，围护结构多为钢筋混凝土结构，与土体的波阻抗差异在一个数量级左右，传至的波动能量有少量透射至结构内部继续传播，从而使地下室区域内的振动较原自由场响应有较大的减小；除透射至地下室内的能量外，建筑结构亦会随周边更大范围内土体整体脉动，这也是地下室内振动响应能量的组成部分。而由于地下室侧面连续墙对传至的弹性波反射作用，在地表的能量聚集区形成振动放大，即图4中的1#和2#测点对应的区域。图7给出的振动能量传播示意图可定性地解释建筑物建成后场地振动变化的主要机理模式，若进行定量分析，应考虑地铁埋深、地铁隧道与地下室的空间关系、弹性波的频谱成份、地下室结构构造、地下室桩土共同作用等诸多因素，有待进一步研究。
图7 地下结构隔振屏障示意图
Fig.7 Schematic diagram of obstruction of underground structure on vibration
(1) 与自由场相比，建筑建成后的场地振动发生了显著变化，在建筑地下室内部，振动响应显著减小，不同测点的振动减小率在 45%～95%变化；除局部区域外，地下室底板层振动较顶板层更小；地下室与轨道间的区段内出现了振动放大区域，放大率最高达120%以上。
(2) 建筑物的质量对振动响应的影响较小，而地下室结构的墙、板构件对场地内传播的弹性波有显著的反射、阻隔作用。波能量的反射效应在地下室与轨线间局部区域形成能量聚焦区，导致地表振动响应放大，波能量的阻隔作用使地下室内形成振动能量的屏蔽区，振动响应减小。
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IN-SITU MEASUREMENT AND ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF A BUILDING ON GROUND VIBRATION INDUCED BY METRO
ZONG Gang1,2, ZHENG Yu-qin1, REN Xiao-song1, ZHANG Yong-hong1
(1. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction in College of Civil Engineering; Shanghai 200092, China;2. State Key Laboratory of Disaster Reduction Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract:A construction field nearby a metro line was selected for vibration measurement. In situ measurements for free field vibration and building-field vibration were performed before and after the construction. The influence of the building on the ground vibration were studied by data analysis. The results show that the influence of the building’s mass is weak on the ground vibration, while the reflection and obstruction of the walls and baseboard in the basement is prominent. The energy focus region is made by the wave reflection on the basement wall, so the ground vibration is amplified in some local region. The maximum amplification ratio is more than 100%. The energy shielding zone is made in the basement by the obstruction of the wall and baseboard and the vibration is reduced obviously. The minimum reduction ratio is still more than 45%.
Key words:metro vibration; vibration measurement; building influence; vibration reduction; wave impedance
中图分类号：U211.3
文献标志码：A
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2017.06.S055
文章编号：1000-4750(2018)Suppl-0287-06
收稿日期：2017-06-01；修改日期：2017-11-20
基金项目：国家科技支撑计划课题项目(2015BAK17B04)
通讯作者：任晓崧(1968―)，男，上海人，教授，博士，主要从事工程结构抗震等领域的教学和科研工作(E-mail: rsx@tongji.edu.cn).
作者简介：宗 刚(1977―)，男，吉林人，讲师，博士，主要从事工程结构抗震防灾研究(E-mail: zong@tongji.edu.cn);
郑玉琴(1992―)，女，四川人，硕士生，主要从事工程结构抗震防灾研究(E-mail: zyqlyj323@163.com);
张永红(1993―)，男，重庆人，硕士生，主要从事工程结构抗震防灾研究(E-mail: 1630750@tongji.edu.cn).
距离 测点 测线II-b(辅楼地面) 测线II-c(主楼地下室)有效值 衰减率/(%) 有效值 衰减率/(%)9 1# 0.0098 50.77 0.0098 50.77 18 2# 0.0094 67.86 0.0124 121.43 29 3# 0.0060 27.66 0.0045 -4.26
