绛帐古镇南门楼交通激励下动力响应测试及分析

绛帐古镇南门楼交通激励下动力响应测试及分析

吴志伟 ,孟凡俭

（山东国兴城市更新有限公司  山东聊城  252000）

摘要：本文对绛帐古镇南门楼结构现状进行了检测，并对交通激励下的振动响应进行了测试。通过水平和竖向两条线路的测点数据分析，研究了振动波速在结构中的传播规律，利用峰峰值平均法和水平速度幅值统计法对南门楼的速度响应进行分析、评估，基本满足现行规范要求。

关键词：古建筑木结构；交通激励；速度响应；评估

0前言

绛帐古镇位于陕西省扶风县，南门楼为设有拱券门洞的砖石高台基木结构古建筑，始建于清代道光十二年，1998年重修。古镇南北向中心公路横穿台基底部，南侧150米处有东西向运行的西宝中线高铁线路，车辆引起的交通激励在台基顶部震感明显。交通激励引起建筑物的振动不像地震那样剧烈，但它可以加速古建筑木结构内部损伤，累计疲劳破坏[1-2]。出于预防性保护目的，项目组对绛帐南门楼进行了结构常规检测及动力测试。

1测试内容

1.1建筑测量

南门楼台基东西长度30m，南北宽度10m，中部拱门砖石结构高4.5m，宽5.5m。台基内部拱券门洞两旁各有两间房，其东侧有通向二楼的入口及台阶。上部木结构为二重檐木结构，尺寸为13.3m×8.2m；有外檐柱18根，内金柱10根，直径20cm,高4.1m；主梁均匀分布，将木结构分为三间。测量需要的设备有：测距仪、水准仪、米尺、折叠梯等。经过外观损伤检测，高台基结构保存较好，木结构填充墙体有部分墙皮脱落，西侧有部分沉降；上部木结构由于年代久远，梁柱裂缝、柱脚滑移、拔榫等现象明显。

1.2结构检测

采用东华DH5907A三通道模态分析测试仪测试，共10台，根据《古建筑防工业振动技术规范》（下文简称“技术规范”），采用速度响应的测试系统作为评价标准，采集绛帐古楼在交通振动下的横向、竖向速度传播规律。除此之外还需要：非金属超声探测仪、笔记本电脑、GPS信号放大器、T-Link局域网收发器等[3]。将东华模态分析仪布置在台基底、台基顶、柱底、柱顶及梁端，测量期间，统计过往车辆和南部高铁车次。

1.2.1测点布置

为研究交通振动沿高台基、上部木结构传播规律，依据现场监测情况和现有仪器数量，共布置了十个测点。选择两条垂直轴线，分别研究随高度的增加，振动沿高台基底至高台基顶，再沿金柱底至柱顶，然后传至跨中的传播规律；对比两条轴线，分析同一位置的衰减或放大规律。

1.2.2采集参数设定

根据《技术规范》7.2.1条规定：低通滤波频率采样频率宜为100~200HZ，采样信号应不小于测试信号最高频率的十倍[4]。综合准确灵敏度，考虑后选取采样频率定为100HZ。另外，在信号采集分析系统中，“信号处理”添加频谱分析中的实时谱，为每一块数据的傅里叶谱的幅值谱。

2测试结果及分析

交通激励对古建筑的影响评价标准主要在速度和频率上，速度大小反应破坏程度大小，振动频率则反应振动响应能量的大小。

2.1频域分析

通过对频谱频域分析，得到振动速度响应的卓越频率范围和动力特性。在交通振动实测中，高频波较低低频波衰减较快。通过测试可知EW向的占优频率集中在0~10HZ，说明车辆引起的振动以低频为主；台基底和台基顶分布较广，分布在20HZ以内，到上部木结构振动频率衰减。从振动速度上来看，振动速度传播经过高台基，振动响应得到放大；由柱底传播至柱顶，振动响应得到放大；由柱顶传播至梁跨中，振动响应减小。

2.2时域分析

所有测点同时进行测试，测试时间不少于30分钟，为了排除突变的数据，每组数据分为若干个样本且每个样本不低于60s。根据《古建筑防工业振动规范》7.3.3规定：古建筑结构响应分别按同一高度、同一方向各测点速度响应峰峰值的一半确定，最后取五次平均值。在进行数据滤波、平滑、消除趋势项后，采集部分振动数据。

中轴和西边轴台基及木结构测点各向速度响应用折线图描述。如图2.1和图2.2可以发现，中轴水平方向平均放大150%，西边轴110%，竖向均不明显，说明高台基对振动水平速度有放大作用[5-6]；由台基顶至柱底，三向振动响应较为平稳，说在台基明同一层面上，振动响应相当；柱底至柱顶，EW向中轴放大110%，西边轴放大5倍，这说明车辆振动在门洞中沿垂直车辆行驶方向传播时，柱底传播至柱顶，振动速度放大最为明显；由柱顶至梁跨中三向振动速度有减小的趋势，其中主轴平均下降14%，西边轴平均下降48%，说明木结构框架榫卯节点有减震耗能作用且西边轴耗能较大，结合中轴开榫较西边轴严重，也说明开榫越大，耗能越少[7]。

中轴和西边轴的台基底、台基顶、柱底、梁跨中分别对比，三个方向变化不大；EW向和竖向柱顶西边轴远大于中轴，说明垂直于交通方向朝两侧放大作用较为明显。

轨道周边建筑物的振动以低频竖向振动为主[8]，而本文测试门楼的振动以水平方向为主，主轴竖向振动较为平稳，西边轴竖向振动在柱顶得以放大，但放大倍数不及水平向。反观绛帐门楼距离轨道130余米且有高架桥，与文献[8]中试验条件“轨道垂直于建筑物58米、无高架桥”比较有较大差别，说明本次测试高铁对门楼振动影响不大。高铁轨道

振动随轨道中心线距离的增大而削弱，高架桥对门楼有隔振作用。

3振动响应评估

将测得柱顶的两个水平数据分为30个样本，每个样本60s，取各样本幅值，得出水平速度均值。由置信度为95%的水平振动速度幅值的统计值得出水平振动幅值统计值和标准差，如下表所示：

表3.1 绛帐古楼柱顶水平振动速度幅值的统计值

由表3.1可知，绛帐古楼柱顶1的SN向和EW向水平振动幅值的统计值分别0.257mm/s和0.149mm/s；柱顶2分别为0.219mm/和0.252mm/s。取其中较大值0.257mm/作为绛帐古楼柱顶速度响应值。根据市县级文物各测点顺木纹弹性波速（4600~5600m/s之间）时，顶层柱顶的水平控制速度应介于0.29~0.35之间，绛帐古楼柱顶水平振动速度未超过顶层柱顶容许振动值，故可以认为在加固修缮后绛帐古楼维持在良好的状态中。

4结论

本次测试选取陕西地区古建筑，探究其交通激励下古建筑振动速度传播规律：

（1）高台基对振动速度有放大作用；同一台基层面上振动速度相当；柱顶较柱底放大作用明显；由于榫卯节点耗能减震作用，柱顶至梁跨中振动速度减小。

（2）相比较于竖向速度，门楼受水平速度影响较大；EW向较SN向振动速度较大且各测点变化较大，这说明交通车辆在经过拱门时，速度以垂直车辆行驶方向（EW向）传播。

（3）取柱顶两个振动较大的测点作为最大振动速度点，利用水平速度幅值统计法求得其水平振动速度最大值，未超过容许振动值。

（4）本次测量以水平振动且以低频振动为主，随高度的增加振动逐渐放大。主要振动类型不满足高铁轨道振动，故门楼受高铁影响较小，受过往车辆影响较大。

（5）从柱顶至两跨中速度变化来看，中轴变化明显小于西边轴，梁柱榫卯节点性能有待于进一步研究。

参考文献

[1]李玉龙，姜峰.轨道交通运行引起的环境振动研究综述[J].北京市弘都城市规划建筑设计院，低温建筑技术，2020，（2）：76-79.

[2]孟昭博.西安钟楼的交通振动响应分析及评估[D].西安建筑科技大学，博士学位论文，2009.

[3]曹雨.交通激励下古建筑木结构动力分析模型研究[D].聊城大学，硕士学位论文，2015.

[4]刘密歌.采样定理研究[J].西安文理学院，西安文理学院学报（自然科学版），2019,22（5）：64-69.

[5]于海平.城市轨道交通微幅振动对西安南城墙的影响分析[D].西安建筑科技大学，硕士学位论文， 2011.

[6]于海平，韩广森，王斌.交通振动在西安城墙中的衰减规律探讨[J].低温建筑技术，2011,（6）：46-49.

[7]董金爽,薛建阳,隋,等.不同松动程度下古木结构不对称榫卯节点滞回特性及破坏评估试验研究  [J].应用力学学报，2019,36（6）:1321-1327.

[8]陈建国，夏 禾，曹艳梅，等.运行列车对周围建筑物振动影响的试验研究[J].振动工程学报，2008,21 （5）：476—481.