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西南交通大学 硕士学位论文 施工振动对临近桥梁结构影响的研究 姓名：谢宏云 申请学位级别：硕士 专业：桥梁与隧道工程 指导教师：蒲黔辉;洪显诚 20070801 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着交通建设事业的不断发展，我国桥梁工程建设的数量和规模日益扩 大。在桥梁的新建尤其是扩建过程中，经常会遇到施工振动对邻近桥梁或建 筑等绪构物的振动影响问题。由于施工引起的振动传播过程非常复杂，且受 到多稀因素的影响，因此，如何对施工振动影响下邻近桥梁结构的动力行为 进行仿真模拟和计算分析，如何制订合理有效的振动监测方案和安全评价标 准，就成为一些遣切需要解决的问题。 目前正在进行基础施工的佛开高速九江大桥扩建工程，由于扩建桥梁的 基础两侧各有一座l 墨九汪大桥，为了了解扩建桥梁基础施工过程孛既有两座 九江大桥所受到的影响大小，进行了两座桥梁的现场振动监测。本文围绕施 工振动对邻近桥梁结构的影响展开，首先简要介绍了桩基施工的施工工艺以 及施工振动的传播机理；然后叙述了施工振动对邻近结构物影响的监测方法 和评价标准；最焉着重介绍了扩建九江大桥的基础施工振动影响下邻近两座 旧九江大桥的振动响应的监测方法和监测结果，而且还利用有限元方法就施 工振动对邻近两座九江天桥的振动影响进行了模拟计算和对比分析。 关键词：施工振动；邻近桥梁结构；振动监测f 振动传播机理 a b s t t a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft r a n s p o r tc o n s t r u c t i o n , t h es i z e sa n d q u a l i t i e so fb r i d g ec o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r ya r ei n c r e a s i n g i nt h en e w l y - b u i l t b r i d g ee n g i n e e r i n g s ，e s p e c i a l l yi ne x t e n s i o nb r i d g e ，w eu s u a l l ym e e tt h ep r o b l e m t h a tc o n s t r u c tv i b r a t i o ni n f l u e n c ep r o p e r t yb r i d g e so rb u i l d i n g s t h ep r o c e s so f v i b r a t i o np r o p a g a t i o nc a u s e db yc o n s t r u c t i o ni sv e r yc o m p l e t e da n de f f e c t e d ，b y v a r i o u sf a c t o r s ，s o ，h o wt op r o c e e dd y n a m i ce m u l a t i o ns i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o n a n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo np r o p e r t yb r i d g e so rb u i l d i n g sc a u s e db yc o n s t r u c t i o n v i b r a t i o n , h o wt om a k ee f f e c t i v ev i b r a t i o nd e t e c t i o np l a na n ds e c u r i t ye v a l u a t i o n c r i t e r i a , w h i c hb e c o m et h ep r o b l e m sn e e d e dt ob es o l v e du r g e n t l y r e c e n t l y , t h ef o u n d a t i o no ff o - k a ih i 9 1 l - s p e e de x t e n s i o np r o j e c ti nj i u j i a n g b r i d g ei sb e i n gc o n s t r u c t e d b e c a u s eo ft w os i d e so ft h ef o u n d a t i o no f e x t e n s i o n e n g i n e e r i n g ，e a c ho fw h i c hh a so n eo l dj i 吗i a n gb r i d g e i no r d e rt ok n o wt h e i n f l u e n c eo nt h et w oo l dj i u j i a n gb r i d g e sc a u s e db yf o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o no ft h e e x t e n s i o nb r i d g e ，w ep r e c e d ev i b r a t i o nd e t e c t i o no ft w ob r i d g e s0 ns i t e t h et h e s i s s t a r t 丽t ht h ei n f l u e n c eo np r o p e r t yb r i d g e sc a u s e db yv i b r a t i o n , f i r s t l y , t h e c o n s t r u c t i o np r o c e s so fp i l ec o n s t r u c t i o na n dt h ep r o p a g a t i o np r i n c i p l eo fc o n s t r u c t v i b r a t i o nw a si n t r o d u c e d t h e nt h ed e t e c t i n gm e t h o d sa n de v a l u a t i o nc r i t e r i ao f t h ei n f l u e n c eo np r o p e r t yb u i l d i n g sc a u s e db yc o n s t r u c tv i b r a t i o nw a si n t r o d u c e d l 弱t d e t e c t i o nm e t h o d sa n dd e t e c t i o nr e s u l t so fv i b r a t i o nr e s p o n d e do nt w oo l d j i a n gb r i d g e sc a u s e db yf o u n d a t i o nc o n s t r u c tv i b r a t i o no fe x t e n s i o nj i 可i a n g b r i d g ew a ss p e c i a l l yi n t r o d u c e d ，a n ds i m u l a t i o n c a l c u l a t i o na n dc o m p a r a t i v e a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo np r o p e r t yt w oj i u j i a n gb r i d g e sc a u s e db yc o n s t r u c t i o n v i b r a t i o nw a sp r e c e d e da d o p t i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d k e yw o r d s ：c o n s t r u c tv i b r a t i o n ，p r o p e r t yb r i d g ec o n s t r u c t u r e s ，v i b r a t i o n d e t e c t i o n ，p r o p a g a t i o np r i n c i p l eo f c o n s t r u c tv i b r a t i o n 西南交通大学四南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在5 年解密后适用本授权书； 2 不保密钞适用本授权书。 学位论文作者签名国学秀参指导教师签名： 日期：加口易易中 日期：五彩、占。 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其它个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名： t 调掳雪 日期乃口g 年易月中 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 随着我国交通事业的飞速发展，在一个桥址修建两窿甚至多座桥梁的情 况已越来越多，蔼在既有桥梁的邻近区域修建新桥的过程中，新桥桩基施工 振动会对邻近旧桥产生各种各样的影响，因此桩基施工振动对邻近桥梁结构 的危害性逐渐成为桥梁工程界所关心的问题。 近年来，我国桥梁工程建设数量和规模日益扩大，各种桥梁基础施工技 术也褥到飞速发展。锤茜振动、爆破、机械施工( 打桩，强夯压实，插打钢 护筒) 等基础施工活动会在土体中产生弹性波，弹性波在土体中传播使邻近桥 梁发生振动，当振动超过一定的限度时就对周围桥梁产生不利影响，特别是 在大、中城市等建筑物和地下设施密集地区施工时，强烈的地面振动会影响 邻近精密仪器、仪表和对振动有特殊要求的产品精加工工艺过程，干扰周围 居民和有关人员的正常工作和生活，严重时还会危及周围结构物以及地下设 施管线的稳定与安全。 桩基施王产生的振动，每击振动持续时闻约l s ，对周围建筑物的影响随 离打桩点距离的增大而减少，加速度幅值随离桩位距离增加丽衰减。以保护 对象所在位置的振动响应速度峰值为差别标准的准则为：v o 。3 r a m s ( 新隔振 规范) 时，对精密仪器设备的正常运行有影响；v o 2 5 m m s 时，若持续时间较 长，会使人感到厌烦；v 7 。5 m m s 或a o 。l g 时，陈| 窭的砖混结构房屋可能有 损坏。 施工振动雩| 起靛环境公害问题已雩| 起王程界和有关鄂门的关注和重视， 在建筑物和地下设施密集的城市地区进行地基处理等施工活动时，施工振动 对周围环境的影响已成势该项嚣能否获得有关部门批准和施工过程能否顺利 进行的关键因素。因此，利用工程测振仪对各种工程施工中的振动对邻近结 构物所带来的震动破坏做出科学的测试和评价具有+ 分重要的意义。 1 。2 施工振动对临近结构物影响的研究现状 桩基础是最古老的基础形式之一。据文献记载，早在新石器时代，人类己 在湖泊和沼泽地里栽木桩搭台作为水上住所。我囡早在汉朝就已开始用木桩 修桥，发展到现在的钢板桩、混凝土桩等各种桩基形式。 在我国现代工程建设中，桩基础是最重要的一种基础形式，近年来在各 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 类建筑的基础工程中得到广泛的应用。目前在软弱土层中应用的桩，常见的 有静压预制钢筋混凝土方桩、各种直径的沉管灌注桩、重锤施打预应力钢筋 混凝土管桩及钢桩等桩型。但是桩基施工中打桩过程对周围建筑的振动影响 问题亦随着城市的改造与扩建，而目益受到人们的关注。特别是当打桩点与 周围房屋的距离较小且房屋的抗震能力较低时，为了安全施工，人们必须及 时考虑如何使这些振源与周围房屋保持合适的距离或采取相应的隔振措施， 以便有效地把这些振动影响控制在允许范围之内。因此，科学地监测和评估 打桩振动对周围建筑的影响，及时作出相应的防治对策，对保证工程建设的 安全和顺利施工是一项非常必要的工作。 近年来关于各种振动对建筑结构的破坏问题，国内终学者曾徽过许多研 究，其结果大多是以最大质点速度来作为破坏的判别标准，不同作者由于其 研究背景( 振源特性、传播介质、结构类型等) 不同，褥出的破坏标准不完 全一致。 在规范的制定方面，匿前，我国尚没有正式颁布有关建筑物和结构物安 全振动的控制标准。主要相关规范有爆破安全规程( g b 6 7 2 2 - 8 6 ) 和机 械环境保护设计规定( 试行 ( 沿1 6 8 8 ) 。 国外对振动控制的研究比较早，2 0 世纪六七十年代已经制定了比较详细 完善的关于振动与噪声方面的环境保护法规，并在隔声降噪方面有比较成熟 的经验。我国也先后制定颁布了噪声与振动方面的标准百六十余个，这些 法规和标准大大促进了噪声与振动控制技术和该行业的发展。但是，对道路 施工时振动机械所引起的不利影响及其防治却没有人进行过深入的研究，国 内外都无减少施工时振动与噪声影响的相关标准，没有简单而实用的治理措 施，对施工孛遇到的民事纠纷的处治缺乏可信的依据。 在振动的传播机理的研究方面，在国外，有关波的传播及其衰减规律的 研究最旱从h 1 a m b e 的经典论文开始，此蜃有关这方面的文献赘料陆续发表， 例如爆破振动分析、振动计算与隔振设计等专著中均有论述。g b o m i t z 提出了考虑几何阻尼和材料阻尼效应并结合的实测参数( 土的能量吸收系数 或衰减系数) 的实用计算方法来计算地面振动衰减，w 矾s g r ，m b a t a 探讨 了交通振动对地面的影响。d e g r a n d eg 提出了土中波传播的数值计算方法。 t f u j i k a k e 就交通车辆引起的结构振动机理、振动波在地下和地面的传播规律 及其对周围居民的影响进行了研究，提出了周围环境振动水平的预侧方法， g v o l b e r g 等通过对几秘不同场地土测试结果的统计，分析了列车引起的地面 振动传播和衰减规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在国内，张有龄对“由振源引起的地基振动及土中波的传播和衰减问题 进行了详尽的论述。茅玉泉通过大盘试验研究，研究了火车、汽车在运行过 程中引起的地面振动特征和衰减，探讨了振动的传播衰减规衔提出了地面 垂直振动和水平振动衰减的经验公式。杨先健等人研究了打桩振动的振源机 理，波的传播和衰减规律、环境影响评价及防振对策。孙进忠等提出了强夯 振动的频域分析方法，对实测振动资料进行谱分析，求出衰减速率与频率的 关系卢= ( 厂) ，并可进一步求取介质对振动传播的作用函数和振源的激励函 数，是对上述振动分析的进一步发展。 应用屏障是防止和减轻地面振动的有效措施，对该问题的研究始于本世 纪4 0 年代，并很快引起学者的重视，进行了一系列的研究。如b a r k a n ( 1 9 6 2 ) ，w o o d s ( 1 9 6 8 ) 等对屏障隔振问题进行了试验研究，其结果认为，应用明 沟作为屏障隔振，构成有效隔振的明沟深度应是瑞利波长的0 3 3 1 3 倍： s e g o i ( 1 9 7 8 ) 等采用有限元法研究了明沟隔振情况下各种参数的影响；m a y 和 b o l t 曾提出有关利用明渠时用平面应变有限元法分析隔振情况，钱菊生通过 边边界元法计算和试验研究，得出了一些关于明沟和填充沟的隔振规律。 以上国内外对振动波的传播的研究主要集中在轨道交通和桩基施工方 面，对于振动的波动理论和屏障隔振有了一定的研究，对于波在介质中的传 播和衰减的认识比较全面，得出了许多重要的结论。 1 3 本文的主要内容 本文围绕施工振动对邻近桥梁结构的影响展开，首先简要回顾了国内外 施工振动对于既有建筑或其他结构物影响的研究现状并介绍了施工振动的施 工工艺以及施工振动的传播机理；然后叙述了施工振动对邻近结构物影响的 监测方法和施工振动对邻近结构物影响大小的评价标准等一些问题：最后着 重介绍了扩建九江大桥的基础施工振动影响下邻近两座旧九江大桥的振动响 应的监测方法和监测结果，而且还利用有限元方法对施工振动对邻近两座九 江大桥的振动影响进行了模拟分析和比较，得出了一些初步的结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页。 第2 章施工振动的传播机理 2 1 振动法沉桩的施工工艺 振动法沉桩是采用偏心块式电动或液压振动锤进行沉桩的施下方法。该 类型桩锤通过电力或液压驱动，使2 组偏心块作同速相向旋转，其横向偏心 力相互抵消，而竖向离心力则叠加，使桩产生竖向的上下振动，造成桩及桩 周上体处于强迫振动状态，从而使桩周上体强度显著降低和桩端处上体挤开， 桩侧摩阻力和桩端阻力大大减小，于是桩在桩锤与桩体自重以及桩锤激振力 作用下，克服惯性阻力而逐渐沉入上中。 振动法沉桩工艺可以分为一下一些种类： ( 1 ) 干振施工法。只有振动作用适用于软上、松砂上层桩长小于3 0 m ，桩 径小5 0 0 m m 。 ( 2 ) 振动扭转施下法。振动与扭转联合作用适用于各类较硬上层大型管桩 采用低转速重偏心块振动锤，小型管桩采用高转速轻偏心块振动锤。 ( 3 ) 振动冲击施下法。振动与冲击联合作用，振动作用以克服桩侧摩阻力， 冲击作用以克服桩端阻力沉桩能力较差。 ( 4 ) 振动加压施下法。振动与静压联合作用沉桩能力强，穿透性能好可贯 穿硬夹层，可进入桩端持力层一定深度施下桩长3 0 m 左右。 ( 5 ) 附加弹簧振动施下法。振动与附加弹簧联合作用桩体下沉速度比干振 施工法快，适用于软上、松砂上层桩长小于3 0 r n ，桩径小于5 0 0 r a m 。 ( 6 ) 附加配重振动施下法。采用配重桩帽适用于软上、松砂上层桩长小于 3 0 m ，桩径小于4 0 0 r a m 。 ( 7 ) 附加配重振动加压施下法。为方法( 6 ) 和( 4 ) 井用使用效果略优于振动加 压法。 ( 8 ) 预钻孔振动施下法。预先钻孔和方法( 1 ) 并用可穿透硬夹层，增加桩的 贯入深度。 振动法沉桩有许多的优点，如：操作简便，沉桩效率高；沉桩时桩 的横向位移和变形均较小，小易损坏桩体；电动振动锤的噪声与振动比筒 式柴油锤小得多，而液压振动锤噪声低，振动小；答理方便，施下适应性 强，软弱地基中沉桩迅速。当然它也存在一些缺点，如：振动锤构造较 复杂，维修较困难；电动振动锤耗电量大；需要大型供电设备；液压振 动锤费用昂贵，地基受振动影响大，遇到硬夹层时穿透困难，仍有沉桩挤土 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 公害。 为了保证桩基施工的质量，同时确保施工安全，在选用振动锤时，应考 虑以下一些要求： 周围环境对振动和噪声的承受能力；地层上质特性：桩型、桩径 和桩长；振动锤应具有必要的激振力，以克服桩上间的摩阻力，使桩能顺 利地下沉到设计标高：振动锤应具有必要的频率，频率的选择需考虑是强 迫上体共振，还是桩体共振：振动锤应具有必要的偏心力矩，以使桩能穿 透硬夹层：振动体系应具有必要的振幅和重量以克服桩端阻力。 振动锤通常具有沉桩和拔桩的双重作用，振动锤按动力，可分为电动振 动锤和液压振动锤；按振动频率可分为低频( 4 0 0 “ - - , 1 0 0 0 r r a i n ) 、中频( 1 0 0 0 0 2 0 0 0 r r a i n ) 、高频( 2 0 0 0 “ - - 3 0 0 0 r m i n ) 和超高频( 大于3 0 0 0 r m i n ) ；按振动偏心 块结构，可分为固定式偏心块和可调式偏心块后者的特点是，在偏心块转动 的情况下，狠抓上层性质，用液压遥控方式实现无级调整偏心力矩，从而达 到理想的打桩效果，此外还有启动容易、噪声小和沉桩速度快等优点振动锤 按振动频率的分类。 振动法沉桩施工工艺的要点有：振动法沉桩与锤击法沉桩基木相同。不 同的是采用振动沉拔桩锤进行施下操作时，桩机就位后吊起桩插入桩位上中， 使桩顶套入振动箱连接固定桩帽或用液压夹桩器夹紧，启动振动箱进行沉桩 到设计深度沉桩宜连续进行，以免停歇时间过久，而难于沉入，一般控制最 后3 次振动( 加压) ，每次5 m i n 或l o m i n ，测出每m i l l 的平均贯入度，当不大 于设计规定的数值时，即符合要求。摩擦桩则以沉桩深度符合设计要求深度 为止。 为了确保施工不会对邻近桥梁和建筑物造成危害，施工中应注意： ( 1 ) 沉桩中如发现桩端持力层上部有厚度超过l m 的中密以上的细砂、粉 砂和粉上等硬夹层时，可能会发生沉入时间过长或穿不过现象，硬性振入较 易损坏桩顶、桩身或桩机，此时应会同设计部门共同研究采取措施。 ( 2 ) 桩帽或夹桩器必须夹紧桩顶，以免滑动，否则会影响沉桩效率，损坏 机具或发生安全事故。 ( 3 ) 桩架应保持竖自、平正，导向架应保持顺自。桩架顶滑轮、振动箱和 桩纵轴必须在同一垂直线上。 ( 4 ) 沉桩中如发现下沉速度突然减小，此时桩端可能遇上硬上层，应停止 下沉而将桩提升0 5 1 o m ，重新快速振动冲击，以利于穿透硬夹层而继续下 沉。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 5 ) 沉桩中控制振动锤连续作业时间，以免动力源烧损。 液压振动锤按其作用原理可分为偏心块式( 滑阀式) 液压振动锤和转阀式 液压振动锤。偏心块式( 滑阀式) 液压振动锤工作原理为：该振动锤由柴油发动 机驱动液压油泵，由泵出口的高压油经液压控制系统、输油管道驱动振动箱 的液压马达，液压马达通过齿轮副带动偏心块的回转轴旋转，使振动锤产生 正弦波状的垂直振动。振动力通过液压钳传递给桩身，桩身在偏心块的竖向 离心力和自重作用下沉入土中。 与电动振动锤相比，液压振动锤也有其自身的优点，如：采用液压度 量系统可实现无级调节转动频率，调频方便，使其适应于各种不同地层上质 的变化；腋压马达质量轻，振动质量与非振动质量的比例合理，沉桩效果 好；在激振力相仿的情况下，液压振动锤的重量一般只有电动振动锤重量 的一半，有利于提高振动幅度，发挥更好的沉桩效果；振动箱是全密封的， 可适应各种恶劣下况的施下作业，包括水下振动作业；采用高频振动，振 动污染小，噪声低；采用单独动力站，可向大功率方向发展：可方便地 更换多种液压夹桩器：使用方便而且无电力要求，可在现场迅速安装； 可实现机电一体化控制和智能化作业，达到更高效的使用。但是，液压振动 锤也有一些缺点，如：松机费用昂贵；松机装置复杂；维护保养要求 高，修理周期长。 由于液压振动锤优点明确，受到发达国家上木建筑界的重视，发展迅速 并已普遍推广使用。中港四航局第一工程公司先后在广东肇庆大桥、广和大 桥主墩基础桩施下中采用了i c e 4 4 5 0 液压振动沉拔桩锤，沉设管径为2 0 3 6 m 多种规格的钢护筒，沉桩质量和效率均较一般电动振动锤有显著的提高。 目前，国外液压振动锤生产技术已趋成热，生产厂家多为大型专业公司。 如德国m g f 、k r u p p 、p v e 、m e n c k 及t u n k e r s 公司，美国m k t 、i c e 公司，日本的日平公司，意大利s o i l m e c 公司，荷兰h e r a 公司等。产品 种类较齐全，如美国i c e 公司有中频系列4 种，高频系列8 种，高频无级调 幅系列7 种，功率2 1 6 5 6 k w ，激振力2 1 3 2 6 7 0 k n 。国内尚未形成液压 振动锤的正式产品，有2 家工厂正开发此类产品。 日本建调神户株式会社推出转阀式液压振动锤，采用液压差动活塞机构， 特点是：振动频率高( 1 2 0 0 “ - - 3 6 0 0 r m i n ) ；空载振幅小( 4 8 “ - 1 7 r a m ) ；激振力0 2 4 5 k n ；起动、停止流畅。对吊臂等无冲击作用。日本建设省已许可该锤在城 市使用。一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 施工振动的传播机理 2 2 1 基本振动的描述 振动是物体运动的一种特殊运动形式，是物体位移按一定规律或一定统 计特性运动的一种物理现象。振幅、频率和持时常被称为振动三要素。振动 压实机械，通过安装在一根或几根轴上偏心质量( 非平衡质量) 的旋转，产生均 匀而稳定的旋转振动，见图2 1 。在压实过程中，压路机激振器系统的振动基 本是一连续周期变化的。 图2 3 表示一正弦波振动过程，振动位移x 作为时间t 的函数，) ( - f ( t ) 可用以下数学式来表示 x = a s i n ( c o t + # ) ( 2 - - 1 ) 式( 2 1 ) 中：卜一频率，i - i z ： 一一角频率，r a d s ： a 一一振幅，m n l 。 振动速度v 和振动加速度a 的瞬时值，可由振动位移x 导出，见表2 1 表2 - 1 振动速度、加速度与振幅关系 振动速度振动加速度 v - 譬= 彳( 2 矿) c 。s ( 2 万) 口= 事= 肥秽s 蝉? ) 西 、。7 质点振动的振幅是指振动加速度、速度、位移三者之一的峰值、最大值 或某种意义上的有效值。振幅的大小是振动能量大小的反映，振幅的变化反 映了振动强弱的变化。对振动压路机施工时产生的地面振动，我们可以用振 幅的最大值来描述其振动的强弱。 2 2 2 振动波的传播机理与衰减 ， 波的传导问题，最早源于地震现象，近年来随着工业的发展，人为引起 的振动不断引起重视。这些振源包括公路交通、铁路交通、建筑施工、公路 施工以及机械引起的振动，这些振动通过土坡传递到邻近的建筑物，造成干 扰性的振动和破坏。为了防治这些现象，必须首先了解振动波的传播特性。 物体内的各部分是相互联系的，当弹性介质的某一局部受到扰动时，靠近振 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 动源的部分最先受到影响。介质受到扰动而引起的变形，将以应力波的形式 逐渐传播到介质的各个部分，从而形成弹性波。弹性波在传播过程中，并不 引起振动质点的位移，振动质点只是在自己的平衡位置附近振动。 振源产生的弹性波，在土中传播时，其振幅会随着传播距离的增大而减 少，这种现象称为波的衰减。波的衰减是由两种不同的效应引起的： l 、几何阻尼。各种形式的波向外传播时，都会使参振物质的体积逐渐增 大，因而每一种波的能量密度都将随着离开振源距离的增大而减小，这种能 量密度的减小( 表现为振幅的减小) ，被称为几何阻尼。 2 、粘性阻尼。因为地基土不是完全弹性的，波通过土层时，传播的振动 能量还会因土的材料阻尼( 摩擦和粘聚力) 而消耗，被称为粘性阻尼。 在压路机与地层动态耦合的压实过程中，所传输的振动能量以空间波( 压 力波及剪切波) 和表面波两种形式分布，有时以两种波的组合形式出现。振动 压路机作为施工机械不仅产生有用的压实振动，同时也会引起有害的环境振 动。振动压路机在工作时，冲击波( 体积波) 连续不断的传入土中并向四周发散， 其波幅取决于激振器类型和所传递能量的大小。 、 由于振动压实的振源接近地表面，故振动主要以表面波形式分布。表面 波是地面振动的主要传播形式，表面波的波型主要是与表面或接近表面的土 坡结构有关，表面波的振幅随着距离振源距离的增加而迅速减小，我们把这 种现象称为地面振动振幅随距离衰减，简称振动衰减。振动能量的2 1 3 以表面 波沿地面表层在大约一个波长区域深度内向四周传播引起环境振动，其余1 3 以体积波向纵深传播起压实作用。 与源自爆炸的振动相比较，位于表面的振动设备所产生的振动波的传播， 明显小于前者。但是，在压实过程中，有一件事实必须加以考虑，就是表面 波和空间波对建筑物( 管线、墙壁、烟囱结构等) 要产生反复影响。 2 2 3 振动的控制 随着现代工业、交通运输和建筑施工事业的发展，振动工具和产生强烈 振动的大功率机械动力设备不断增多，带来的振动危害也日益突出，控制振 动是当前环境保护和工程界需要迫切解决的重要问题之一。机械振动不仅产 生噪声，而且强烈的振动本身又要引起机械部件疲劳和损坏，使建筑物结构 强度降低甚至变形，使精密仪器仪表失灵。特别是长期在强烈振动环境中工 作的工人，会受到职业性危害，产生振动病，给生产带来直接或间接的经济 损失。振动会造成如下一些影响： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 l 、振动对人体身心健康造成危害 在大型锻锤、压力机、重型压路机等设备附近操作的工人，振动会通过 人体的支撑面传递到整个人体上。长期工作在振动环境中，造成操作人员身 心健康受损。影响视觉，造成阅读或观察的正确性和效率下降：干扰手的操作 不准确，操作速度下降，甚至出现误操作，引起事故；妨碍精力集中，特别在 振动和噪声共存的环境下，人的大脑思维受到干扰，难以集中糟力进行判断、 思考、运算和操作，从而造成工作效率下降。 2 、振动对建筑物的损害 振动对建筑物的危害是由以下两个方面原因造成的。其一，振动施于建 筑物，建筑结构变形将不断增大，就会造成结构受到损害。常见的破坏现象 为基础和墙皮龟裂、墙皮脱落、地基下沉等。尤其是当振动频率和建筑物等 结构的频率相近或一致时，损坏将更严重，可能会使建筑物倒塌。其二，若 设备或结构基础的地质情况不好，则振动会引起基础不均匀下沉，会使建筑 物墙体裂缝，甚至断裂。 3 、振动产生噪声 振动的物体可以直接向空气辐射噪声，这就是空气声。振动又会在土壤 中传播，在传播过程中，又会激起建筑物基础、墙体、门窗、管道等的振动， 这些物体的振动又会再次辐射噪声，这种噪声叫圆体传声。显然，固体传声 加大了噪声的危害和影响。 随着大跨度桥梁的普遍兴建和高效能建桥材料的广泛应用，桥梁结构的 振动问题嚣趋突毖。作为交通枢纽及生命线工程的桥梁，其振动闯题不仅关 系到车辆的正常安全运行，而且关系到发生灾害后求援正作能否顺利开展。 结构振动控制作为一种积极主动的对策，依靠控制系统与结构的联合工作来 抵御外部的动力输入，从而有效地减小结构的动力响应。因此，近年来桥梁 结构的振动控制倍受学术界、王程乔的广泛关注，并获得了长足的进展。然 而由于桥梁结构的几何形体、构造形式、动力行为及运营要求与房屋结构、 高耸结构有较大的差剐，因此其振动控制在理论、装置设计和工程实践等方 面均有其独特之处。在理论上h a y z s h i k a w a 和w a t a n a b e t a 把多跨桥理想化为 伯努力一欧拉梁，求出特征值和移动集中荷载下的动力反应，但是他们没有 考虑移动荷载的惯性力；b i g g s 把车辆简化为一个单自由度，由质量阻尼和弹 簧组成，得到单跨桥的运动方程。目前应用被动控制装置来减小桥梁振动己 有一定的研究成果，如刘承斌、黄洪波、王柏生分析了t m d 在桥梁振动控制 上的作用：韩学敏研究了铅芯橡胶支座在铁路桥梁抗震中的应用；陈水生研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 了粘弹性阻尼器对桥梁振动控制的影响。振动被动控制由于不需要外界能源， 装置结构较简单，易于实现。但它只在某种特定情形下取得较好的效果，当 环境发生变化时，其效果就会大打折扣。主动控制可以对变化的情况做出适 当的反应，因而在一定范围内均可取得良好的效果。 振动主动控制装置的雏形可追溯到本世纪2 0 年代出现的采用电磁阀控制 的缓冲器。直到1 9 6 0 年前后才出现较复杂的振动主动控制系统。近2 0 年来， 随着科技的飞速发展，振动主动控制技术进入蓬勃发展阶段，已成功应用于 航空、航天结构振动控制、土木工程结构抗震、车辆结构隔振和其他机械设 备振动控制等领域。 在土木工程领域，对于高层建筑及大跨度桥梁等，为保证结构完整性与 其他要求( 如建筑中人的舒适性等) ，都要对随机性外荷载( 如风、地震等) 引起 的响应进行控制。近年来研制的主动式阻尼动力吸振器取得了很好的减振效 果。由于巨型土木工程振动控制系统大都属于时滞的非定常线性系统，需用 实时辨识技术进行在线建模，因此土木工程结构振动自适应控制技术尚需深 入研究和探讨。 在机械工程领域，对于精密、超精密机床以及精密测量仪器和电子加工 设备等，由于对振动的要求极为严格，单纯的被动隔振已不能满足要求，必 须采用主动振动控制技术。随着机器人及各种操作手向高速、精密、重载、 轻量化方向发展，柔性机械臂的振动控制日益受到重视，已成为机器人学研 究领域的另一热点。转子的振动控制一直是机械工程中较重要的研究领域， 近几年主要集中在利用新型材料来改善振动控制效果，出现许多成功范例。 此外，利用主动控制技术减轻高速传送带的横向振动、预报控制金属切削颤 动、抑制线切割机的走丝振动以及抑制往复式内燃机振动等，都已取得了一 定成绩。 在交通运输工程领域内，为改善乘坐品质，人们在车辆主动隔振、半主 动隔振方面做了大量的理论研究工作。 振动主动控制( 尤其是大柔性结构的振动主动控制) 中的一个重要问题是 确定传感器与作动器的数目与位置四，以最少的数目、最佳的位置实现控制 目的。虽然数字的传感器与作动器可以测得更全面的信息，较容易达到控制 目的，但是过多的传感器与作动器会使控制系统硬件成本增加，使整个系统 重量增加，在处理传感器测量信号、控制律设计及控制信号处理等方面花费 计算机更多的时间，还可能带来整体控制能量增加、传感器和作动器故障机 会增多、系统可靠性下降等后果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 为了合理分布传感器和作动器，人们提出了优化的准则，如最优控制代 价最小准则、控制能量最小准则、性能指标的希望值最小准则、可靠性准则、 模态坐标提取精度准则、可控性及可观性准则，输出可控度准则等。 目前，振动主动控制技术在很多工程领域的应用前景相当明朗，但除在 个别领域中得到了应用外，在许多领域中还处于理论研究或试验阶段。下面 是大家较关注的凡个领域中主动控制研究的主要问题。 ( 1 ) 空间柔性体振动主动控制 空间大型柔性结构，往往具有很高的阶数，控制器的成本和复杂性随着 受控对象的阶数的增高而显著增加，因此通常采用低阶模型来代替原受控对 象的模型，以减少设计计算量，简化控制器结构，并便于控制算法的实时实 现。但这种简化的模型有时因为阶次太低，又因系统存在一些非线性因素， 而很难达到理想的控制效果，如果增加简化模型的阶数，又会遇到控制理论 的“维数灾难”。如果再考虑非线性因素，计算量更大，若用系统辨识技术建 模，考虑到系统参数变化，要进行在线实时辨识和控制，对在线计算机的速 度和存贮要求过高，不易实现。因此，空间柔性结构振动主动控制系统的设 计计算是有待进一步研究的课题。 ( 2 ) 在巨型土木工程的振动主动控制方面 随着材料强度和施工技术的改进，其结构的尺度显著增大，结构刚度明 显降低。其主动抗震有两个特点： 结构受强震激励时，抗力不断降低，表现出非定常、非线性特性； 结构受持续随机载荷激励作强迫振动。 这是因为土木工程结构常有非弹性变形，承受循环载荷时，应变力图上 有滞环。当循环载荷达到局部损伤水平时，材料抗力开始蜕变，表现出非定 常特性。因此巨型工程结构的主动控制抗震系统是有时滞的非定常非线性系 统，应该用实时辨识技术建立计算最优控制力的数学模型，才能获得理想的 控制效果，这对在线计算机提出了难以实现的要求。因此，为土木工程结构 建立合理的数学模型，研究计算最优控制力的算法，都是重要的研究课题。 另外，对于大型土木结构的主动控制抗震需要有能迅速提供巨大控制力的执 行机。目前试验采用的液动机、拉索和喷气推进器等还未达到工程实用的标 准。因此，研制可靠性高、响应快、控制力达几百吨或更大的执行机是这一 领域的重大课题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 4 隔振技术 熏、振动控制的基本方法 常见的工程施工振源，如打桩机、打夯机以及振动压路机，由于振动强 度大，不仅干扰罔匿屠民生活，而且会对建筑物造成损害。 对于重型振动压路机来说，我们可以从以下曼个方面来控制振动对环境 的影响： ( 1 ) 控制振源。控制振源振动是使危害严重的振源强度控制到最小程度， 如在公路施工中使用中型或小型振动压路机。 ( 2 ) 控制共振。使振动波的频率尽可能地避开建筑物的自振频率。 ( 3 ) 隔振技术。振动对环境的影响，主要是通过振动波传递来达到的，隔 断振动波传递路径就可使振动褥到有效控制，如隔振沟等。 2 、隔振技术一一隔振沟的应用 振动影响主要是透过振动传递来达到的，减少或隔离振动就可使振动得 到控制。在屏障隔振中，通常根据距离分为两类，第一类为近场积极隔振， 主要是在靠近或圉绕人工振源采用屏障以减少振源辐射如来的波熊，即减少 振动的输出。第二类为远场消极隔振，主要是远离人工振源而在振幅必须减 少的场地附近采用屏障，戮减少振动的输入。在不满足最小施工安全距离的 条件下，设置人工隔振沟是工程实际中所经常采用的一种有效方法。 利用振动压路机进行公路施工是短期行为，是被动隔振。隔振沟的效果 与振源至沟中心的距离、沟长、沟宽、振动波波长及沟内填充物的性质有关。 隔振沟长度可借鉴w o o d s 等按9 角的取值法，具体的沟位置、沟深和沟宽设 计应按测试情况决定。隔振沟的效果很少见到详细的文献报道，根据已有工 程实践分析，隔振沟的效果在沟边测点效果显著，远离沟效果不佳；隔振沟 对高频能量隔振优于低频；屏蔽区大小与隔振沟深度和长度成正比，与沟至 振源距离有关，但是沟宽影响不大。隔振沟填充物应选择两种介质波阻抗差 异尽量大的材料，如空隙、沙等。 2 。3 施工振动加速度的产生和衰减规律 为了分析打桩振动对邻近建筑的影响，首先应了解振波的类型及其在土 牢传播的性状。 假定把土体看成是匀质各向同性弹性半空间，或成层弹性半空间体。则 其弹性波可分为体波和瑟波两大类。体波包括纵波( 压缩波) 及横波( 剪切波) ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 纵波要比横波传播得快；横波和纵波经过折射、反射、变形又复合而成的波 称为面波。在没有特殊表面层的情况下，面波呈瑞利波，在有低波速的表面 覆盖土层时，则面波呈现乐夫波，瑞利波的传播速度比横波稍低。三种弹性 波占总输入能量的百分比为：瑞利波6 7 ，剪切波2 6 ，压缩波7 。由于瑞利 波占了来自竖向振荡振源的总输入能量的三分之二，以及瑞利波随距离的增 加而衰减要比体波慢得多( 呈r o j 的衰减关系) 等原因，所以在离震源一定距离 以外，对于位于或接近于地面的建筑物及其基础，瑞利波在振动中起主导作 用。 、 因此，桩打入的过程，实际上是一个能量传递的过程，锤击的动能- d , 部分损失在锤垫、桩垫的压缩、桩产生的弹性变形以及桩间土的摩擦上，大 部分通过桩传到桩尖，并在桩尖以弹性波的应变能形式向桩周土体传播，从 而引起桩周一定范围内的土体发生振动。 土体是一种非弹性、非匀质和各向异性的由水、气和土壤颗粒组成的混 合体。土体的各种受力性能还往往取决于其过去所受荷载的历史，因此打桩 引起的地面振动的传递是一个复杂的振动波运动的过程。当桩被打入土中时， 会在桩的周围土体中产生球面的压缩波和剪切波，这些体波通过土体及各层 土体界面折射和反射进行振动波的传递。打桩振动传播的机理可用图2 1 表 示。 。l 钉往作用力 、， 图2 - 1 打桩引起振动波的产生和传播示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 要考虑打桩振动惯性力对邻近桥梁结构的影响，首先要确定打桩后桩周 产生的加速度场分布和加速度的衰减规律。由于土体介质的阻尼作用以及振 动波传递过程中的参振质量的不断扩大，使得紧靠打桩区域的土体振动分量 较大，丽随着离开打桩点距离的增加，振动分量迅速减小。 打桩时引起魄地面振动分量的大小还和所打的桩的大小、形式以及所选 打桩枫的工作能量等因素有关。根据国妯的有关试验研究成果，打桩引起的 周围土体中任一点的振动速度峰值可以用式( 2 一1 ) 表达： 矿= k 【 尹】- 开( 2 - - 1 ) 玖 式( 2 1 ) 中： v 打桩点周围任一点的振动速度； v _ - 哆+ 形2 曙，是径向震振动速度分量，1 i , 水平切向水平向振 动速度分量，圪为垂直振动速度分量。 e _ 打桩机工作时输出的能量： d 离开打桩点的水平距离； k _ 比例常数； 静一大予1 ，小于2 的衰减系数，遁常取1 5 。 图2 2 所示，是国外有关资料介绍的根据从打桩现场实测得到的地面振 动速度峰值与打桩机工作时输嬲的能量、距离之阗的关系。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 贾 薹 茎 蓁 翟 l + o e & 鬈 i 毒： 幸 f ，6 墨1 0 麓4 0 精秘l 印z o o 锄 塑望耋垡二 图2 - - 2 振动速度峰值与能薰、距离之间的关系 打桩引起的地面振动的衰减规律还可阻用下面的公式来表达： 。矿= 捂e x p 叫r - r o ) 】 亿2 ) 式中：v - 一离打桩点距离为r 的土体振动速度峰值： v o 离打桩点距离为天。的土体振动速度峰值； 戤一离打桩点的水平距离。 图2 - - 3 是上海张华滨和国外两个工程实测打桩引起的振动加速度和距离 关系曲线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 0 2 鑫纛1o 1 21 4 离桩距离r - i i i ) 。瞬2 - 3 实溅打桩振动加速度与距离关系 土、桩和锤的有关参数如表2 - 2 所示。 袭2 - - 2 土、桩和锤的有关参数 牵 中 一 上海张华宾二坡 翦苏联板桩 前苏联混凝土试 位混凝土桩桩 o = 5 0 x 5 0 c m 桩尺寸钢板装d = 6 0 e m ，l = 2 4 m l 燃2 6 m 锤重( k n ) 6 5 8 5 ，2 0 4 0 5 m 时，1 5 m 士层名称粉质粘土饱和粘土粉质粘土 土的孔隙比 1 o o o 7 l 0 4 8 土的密实度软弱稍密密实 测点埋深 3 5 m 2 4。3 2 5 振动频率 1 63 62 3 8 从图2 3 和表2 - 2 巾可以看出：桩锤的类型、锤重和能量对产生振动影 响不大；桩打入密实土中比打入松