交通振动对砌体古建筑影响分析的研究现状

夏 倩，赵 瑾，马 蒙，李懿卿

（1.西安理工大学 土木建筑工程学院，西安 710048；2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；3.西安建筑科技大学 建筑设计研究院，西安，710055）

一座完好的古建筑既是研究某一阶段历史文化的重要资料，又是社会、文化变迁的历史见证。随着城市机动车数量的激增和轨道交通网络化的逐渐形成，位于城市地区的古建筑所处的振动环境正在逐渐恶化。振动环境中古建筑的保护涉及结构安全性和建筑完整性两个方面：一方面，这些经历了数百年甚至上千年的古建筑受其自身结构寿命的影响，建筑构件对环境的改变非常敏感，较现代建筑其对振动环境的要求更高；另一方面，由于其历史文化特殊性和破坏不可逆性，古建筑对“建筑破坏”的定义要远比现代建筑严格。交通振动对古建筑的影响主要体现在振动长期、持久的效应——这既可能导致脆弱的建筑构件产生疲劳破坏，也可能导致地基土产生不均匀沉降从而诱使古建筑开裂甚至倒塌。因此，研究交通微振动对古建筑的影响对古建筑防振保护具有重要的理论意义和实用价值。

本文将从交通振动对古建筑影响的研究方法、古建筑控制标准、砖石结构疲劳损伤的力学分析和结构疲劳寿命分析四个方面总结分析交通微振动下砌体古建筑的研究现状。

1 交通振动对古建筑影响的研究方法

交通振动对临近建筑物振动影响的研究由来已久，但专门针对古建筑的研究始于上世纪中叶。在国外，公路交通造成古建筑损坏开裂的问题引起一批国外学者的注意。捷克Bata[1]最早开始着手研究公共交通引起的振动对临近石砌历史建筑影响，提出为避免建筑受到疲劳破坏，应该发展与古建筑保护协调发展的现代交通。我国对文物建筑微振动控制研究始于上世纪80年代末，对焦枝铁路复线建设中隧道施工爆破震动、列车运行振动等环境问题开展了研究[2]。

近几年，随着城市轨道交通建设的加速，国内外学者针对具体古建筑微振动进行了大量研究，部分案例见表1。

表1 近年来针对交通微振动对古建筑影响研究的相关案例

分析表1可知，目前用于古建筑微振动预测的方法主要有3类：

(1)基于规范[20]的经验预测法；

(2)基于有限元软件的数值预测法；

(3)利用现场测试与数值计算相结合的方法。

这3种方法各有优缺点：经验预测法适用于对振源的激励机制缺少全面了解或建筑材料参数不容易确定的情况，对整个振动系统进行比较精确的模拟有一定难度时，此时就可以根据以往的试验结果进行经验分析，对建筑物的振动反应进行预测，但这种方法缺少通用性，由此得到的结果准确性不高，在实际工程中使用较少[6]。数值预测法是模拟交通振动问题的一个非常有效的工具，并且发挥着越来越重要的作用，但由于受到计算手段和参数条件的限制，不得不采用各种程度的近似假设，建立简单而易于计算的模型，且这些模型需要进行验证，而这只能通过试验才能解决。现场测试与数值计算相结合一方面可实测传递函数以解决目前单纯采用数值模型对古建筑结构复杂节点处理困难的问题[6,12,21-22]，另一方面亦可采用该方法验证与校核模型、提高预测精度[23-24]。

2 古建筑控制标准研究现状

国内外不同标准和不同学者提出的古建筑振动标准的限值如表2所示。

可以看出，国外没有专门针对古建筑的振动控制标准。德国标准DIN4150-3-1999、瑞士标准SN640312-1992、美国联邦交通署FTA标准及一些国外专家对古建筑的限值是比较宽松的，并且这些标准均没有涉及“建筑破坏”的理念，前文提到，古建筑应重视考虑建筑完整性的理念。

我国古建筑振动标准的严格性要远远高于国外，其中，国标GB/T50452-2008和国家文物局文件是表2限值中最严格的两项，均小于1 mm/s，同时考虑了建筑安全性和完整性；国标GB/T50452-2008《古建筑防工业振动技术规范》（简称《规范》，是目前国内外唯一一个专门针对古建筑作出的振动规程，该规范按照古建筑结构类型、所用材料、保护级别及弹性波在古建结构中的传播速度等规定了相应的容许振动值，表3仅列出砖结构的容许振动值，石结构、木结构以及石窟的容许振动值详见《规范》。

表2 国内外古建筑控制标准归纳表

表3 砖结构的容许振动速度υ/(mm∙s-1)

然而，该标准在制定和使用时存在一些问题，并受到相关研究人员的质疑[35-39]，这些质疑主要体现在以下方面：

(1)对需要进行微振动保护的古建筑界定不清：《规范》中在规定振动容许值时，以建筑材料的不同来划分类型、以文物保护级别的差异主导分级，但并没有给出便于工程上判别是否为“古建筑”的界定。

(2)以文物保护等级主导振动限值制定有待商榷：“文物保护等级”与“古建筑”的概念存在着区别，保护级别的划分会综合历史文化内涵、艺术价值、珍稀程度、建筑重要性等不同因素，给出综合评判，这种划分方式不能反映其承振能力。

(3)采用弹性波速划分振动限值的区分度太低：弹性波速是能够客观反映古建筑承受振动能力的物理量，尽管《规范》采用了这一物理量，但由于容许值的划分隶属于保护级别划分之下，其区分力度无法显现。

(4)没有考虑维护加固历史对古建筑的积极影响。

为了更加科学评估古建筑的受振能力，作者认为疲劳寿命可以作为古建筑振动容许值分级的主导因素。在分析交通微振动对砌体结构古建筑的影响中，引入累积损伤思想，建立砌体结构古建筑疲劳寿命的评估方法，能够为古建筑控制标准提供参考依据。

3 砖石结构疲劳损伤分析现状

国内外专家已充分认识到研究历史性建筑性能退化规律及机理对于优秀建筑遗产保护的重要性，并进行了一些初步研究。然而国外历史建筑主要采用常见的石砌结构，我国历史建筑采用的材料和构造与国外有显著区别，多为砖砌体结构，其性能退化历程、规律及机制具有独特之处，相关研究也刚刚起步，很多机理性问题尚未解决。例如，对于不同材质（砖、砂浆）及其复合结构在力学与交通微振动耦合作用下的损伤劣化过程及力学分析等均尚未有公开报道。

对于砖石古建筑，欧美学者的研究重点是砖石古建筑的结构性能和加固技术。例如，Gunay[40]编著了关于美国古建筑的结构分析一书。在疲劳损伤方面，欧美学者关注的是砖石结构在冻融环境、硫酸盐腐蚀环境下的性能变化。

结构的损伤主要是由于材料在荷载、环境侵蚀作用下材料损伤不断积累，从而产生裂纹并不断扩展引起的。近年来国内外对砖石结构和材料疲劳损伤的主要研究工作见表4。

表4 国内外砖石结构和材料疲劳损伤的部分案例

综上所述：

（1）国内古砌体材料和结构的损伤机理及评估研究零散、不系统。国内学者对我国古砌体结构建筑的损伤机理及评估研究甚少，对砖、砖-黏结砂浆复合结构在微振动或多种耐久性因素下的损伤劣化缺乏系统研究。表4中宋丽对古砖砌体材料在疲劳荷载作用下的损伤力学分析进行了初步研究，目前为国内外唯一一例。

（2）除了对抗冻性、抗环境单一因素下的损伤性能研究，交通环境微振动荷载下或微振动与环境因素耦合作用下古砌体的性能研究成果较少，尚未见有公开报道。

4 结构疲劳寿命研究现状

目前针对砌体结构古建筑在交通环境振动下的疲劳寿命预测，国内外均未见相关报道，相关结构的疲劳寿命研究主要集中在铁路、桥梁、隧道等方面，且研究对象多为混凝土和钢材两种材料，见表5。

疲劳是一个材料特性逐渐变化的过程，它依次引起材料微裂缝的起裂、扩展，直到形成主裂纹。古建筑砌体材料，由于其历史特殊性和不可修复性，不可避免会存在既有损伤或缺陷。在静荷载作用下，这种损伤不会对结构造成太大影响；而在交通环境微振动长期作用下，损伤将不断增长、累积，最终造成结构的破坏，这种破坏方式称为结构的疲劳破坏。分析砌体材料古建筑的疲劳破坏，其破坏机理与现代结构的破坏机理相一致，因此作者分析，砌体材料古建筑的疲劳寿命预测的整个理论体系应与现代结构的疲劳寿命分析近似，基于此现状，在目前未有对砌体材料古建筑进行疲劳寿命研究的背景下，作者创新性地提出在交通环境长期微振动影响下，对砌体材料古建筑进行疲劳寿命分析研究，在传统混凝土疲劳破坏理论基础上，针对古砌体材料，引入相关参数，建立损伤演化模型，研究砌体古建筑在交通振动下由于材料性能劣化引起的结构损伤演化规律，同时结合疲劳损伤理论及相应材料疲劳方程，计算得到砌体古建筑的疲劳寿命。

表5 结构疲劳寿命部分案例

5 结语

通过以上论述，可以得到以下结论：

（1）目前国内外关于交通振动环境下具体古建筑的振动研究已相当成熟，研究方法主要有3类：分别是经验法、数值分析法、现场测试与数值计算相结合法。经验法缺少通用性，数值分析法在建立数值模型时需要进行模型验证，现场实测与数值计算结合一方面可实测传递函数以解决目前单纯采用数值模型对古建筑结构复杂节点处理困难的问题，另一方面亦可采用该方法验证与校核模型、提高预测精度。在研究中应根据实际情况选择研究方法。

（2）本文总结分析了国内外古建筑振动标准的取值范围以及存在的问题，为了更科学评估古建筑的受振能力，提出在分析交通微振动对砌体结构古建筑的影响时引入累积损伤思想，建立砌体结构古建筑疲劳寿命的评估方法，能够为古建筑控制标准提供参考依据。

（3）目前古砌体结构的性能退化过程、规律及机理的研究才刚刚开始，还存在一些问题有待解决：1）国内古砌体材料及结构的损伤机理及评估研究零散、不系统；2）尚未见有交通环境微振动荷载作用下或微振动与环境因素耦合作用下古砌体的性能研究成果的公开报道。

（4）针对砌体结构古建筑在交通环境振动下的疲劳寿命预测，目前国内外均无相关方面研究。参考目前现代结构的研究成果，作者提出在交通环境长期微振动影响下，针对古砌体材料，引入相关影响参数，建立损伤演化模型，研究砌体古建筑在交通振动影响下由于材料性能劣化引起的结构损伤演化规律，同时结合疲劳损伤理论及相应材料疲劳方程，计算得到砌体古建筑的疲劳寿命。