01
振动（振源）分类及传播特性
建筑振动是一种复杂的物理现象，它既是建筑的固有特性，也是受迫运动的结果。在各种激振源的作用下，建筑结构会产生往复运动。这些激振源可以是直接作用于建筑的，如内部设备的运转和人群的活动；也可以是间接作用的，如地铁振动和施工活动通过土层传递振动能量至建筑基础。了解这些振动的来源和传播机制，对于确保建筑的稳定性和舒适性至关重要。
/ 人致振动 /
/ 地铁振动 /
振源是建筑结构产生振动的根本原因。目前的研究表明，振源根据不同的产生方式和传播特性可概括为：人致振动、工业振动、道路交通振动等。
人致振动
人在行进的过程中，两下肢交替运动，带动整个身体前进，产生一个动态的时程力，力因为行人移动时加速度变化而产生变化，包含三个方向的分量，即重力方向的竖向力，与行走方向垂直的水平侧向力和沿行走方向的水平纵向力，正常行走、跑步、跳跃、左右摇摆等具有不同的荷载特征，这些荷载构成了单人动荷载。单人步行模式根据速度、步幅及步频又可分为慢走、正常速度行走、快走、正常速度跑步及快跑等。如果行进速度再加上行人数量，就有四种荷载——单人步行荷载、低密度人群自由行走、高密度人群自由行走等。
/ 行走产生时程力 /
工业振动
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。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、冲压及叉车运行等生产运作，偶尔的单次作业不会产生大的破坏，但长期作业就会对建筑的安全产生较大的影响。在研究中，把机械设备运转过程中产生有规律、周期性、反复作用的振动称为稳态振源，通常有冷冻机、发动机和空压机等，现已成为危害建筑安全最突出的振源之一。
/ 工业厂房叉车振动 /
/ 工业厂房锻锤振动 /
/ 工业厂房冲压机振动 /
交通振动
交通振源可分为公路振源、铁路振源和轨道交通振源，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，也会通过周边土层传播，进而诱发附近地下空间结构的二次振动。
/ 火车经过沿线居民受到振动影响 /
对我国几个典型城市的调查结果表明，交通车辆引起的环境振动水平较高。根据铁路部门的实测，距线路中心线30米附近的振动可达80分贝。地铁列车通过时，在地面建筑物上引起振动的持续时间大约为10秒。在一条线路高峰时，两个方向1h内可通过30对列车或更多，振动作用的持续时间可达到总工作时间的15%～20%。最近在我国某城市地铁车辆段附近进行了现场测试，结果表明，当地铁列车以15～20千米/小时的速度通过时，地铁正上方的居民住宅振动高达85分贝。
02
振动危害
随着现代工业的迅速发展和城市规模的日益扩大，振动对大都市生活环境和工作环境的影响引起了人们的普遍注意，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，开始着手研究振动的污染规律、对人体的危害、产生的原因、传播途径、控制方法等。
振动对人身心健康造成危害
环境振动对人体的身心健康带来了巨大的危害。据相关的人体振动研究人体最敏感的频率范围为纵向振动4~8Hz，水平向振动1~2Hz，颈椎和腰椎为2.5~5Hz，躯体、肩为4~6Hz，眼球、手指为60~200Hz等。除了人体感受到振动外，人体在经受振动后还会产生不良的生理反应。例如：在经受振动后会感受到不舒服、烦躁不安、疲劳等，在频率70Hz左右的振动使得眼球发生共振，会使视力模糊，降低了视力的敏锐性，大大削弱人体完成工作的能力，频率高而振幅小的振动主要作用于组织的神经末梢，频率较低而振幅较大的振动使前庭器官受刺激。中等振幅的全身性振动由前庭器官传递，发生恶心、眩晕和运动疾病等不良反应。
/ 人体各部位的频率 /
/ 人体振动反应图 /
不同激振频率作用下人体生理机能影响
振动对建筑物的危害
建筑物在振动的影响下，往往会遭到破坏，表现为墙皮脱落出现灰泥裂缝以及承载部件结构损坏。交通车辆引起的结构振动通过周围地层（地下或地面）向外传播，进一步诱发附近地下结构以及邻近建筑物的二次振动和噪声，对建筑物特别是古旧建筑物的结构安全以及其中的居民和工作人员产生很大影响。
振动作用长期作用于建筑物，将引起结构的动力疲劳和应力集中，严重时还会引起结构整体或局部的动力失稳，如地基产生液化基础下沉或不均匀下沉，墙体裂缝，建筑物倾斜甚至局部损坏等。
例如某地铁沿线周围地面在长期的交通振动作用下引发了地面沉降；某城市居民楼在地铁运行从底下穿过时，能显著感受到振动，长期的振动更是让家具发生了错位，部分承重结构产生了明显的疲劳现象；某地铁上盖项目振动引发不均匀沉降，导致建筑结构混凝土产生明显开裂引起业主的投诉等。轨道交通沿线的建筑结构在长期的振动作用下，其建筑结构自身的安全性受到了影响。
振动对精密仪器的危害
轨道交通及工业机器等振源会穿过安装有精密仪器的科研院所、医院、实验室等对振动特别敏感的区域。当振动达到一定强度时就会影响这些区域中精密仪器的正常使用。
/ 科研院所 /
/ 医院等精密设备 /
例如某精密仪器，因100米外的地下有地铁列车通过，在电子显微镜内“仿佛刮起了一阵飓风”，原本清晰的原子图案因为振动变得模糊不清。再比如某生产线，正常产品良率在98%以上，因环境的振动超标，产品良率不足九成。
03
振动控制策略
为了应对这些挑战，国家和地方政府相继出台了一系列法律法规，如《工业建筑振动控制设计标准》、《城市区域环境噪音标准》、《建筑工程容许振动标准》等，以规范建筑振动控制的标准和要求。
减振基本原理及措施
减振是一种关键的动态控制振动的策略，目的是降低或者消除不良振动，通常通过将输入到结构的能量合理有效地耗散、转移，来减小结构的振动响应，在实际工程应用中，耗散能量可以通过多种设备和技术来实现，包括阻尼器、调谐质量阻尼器（TMD）和调谐液体阻尼器（TLD）等。
在某些旅游景点，有些摇摆吊桥能够产生较大幅度的摇晃而闻名，成为了打卡地。许多人站在桥上同时向左或向右晃动，桥就会随着大家用力的方向左右摇摆，为了不跌落到桥下面的水坑中，需要将身体朝吊桥摇摆的反方向移动来取得平衡。TMD在建筑结构中的作用也类似于此，当建筑结构受到外部的振动时，TMD就像是吊桥上的人们一样，会在相反的方向产生力，从而减少整个结构的振动。
位于上海中心126层的“上海慧眼”，重达1000吨，是目前世界上最大的TMD，如果强风从某个方向刮来，配重物就好比吊桥上的人向风的反方向晃动，从而削弱建筑结构振动的程度。
/ 摇摆吊桥图 /
/ TMD系统示意图、上海中心的TMD“上海慧眼” /
隔振基本原理及措施
在日常生活中，我们会经常在网上购买玻璃等易碎物品时，为了确保它在运输中不会因为颠簸而破损，卖家会在包装箱内加入一些隔振泡沫，这些泡沫就像是一个个小的隔振支座，它们可以有效将外界的冲击隔离，形成一个冲击缓冲地带，同样的原理也适用于建筑结构的隔振。建筑结构就等同于易碎的瓷器，隔振系统就像是保护瓷器的泡沫，它能够有效地减少外部振动对建筑结构的影响。
/ 建筑结构受到“泡沫”的保护、建筑结构隔振支座布置 /
通常我们把竖向的振动称为“振”，水平向的振动称为“震”。华建集团课题《地铁上盖开发结构振震双控技术研究》，开发了一种新型振震双控支座，它由橡胶隔震支座、箱体结构、设置箱体内的碟簧及导向装置，支座两端设置连接锚固构件等构成。振震双控支座的基本结构为橡胶隔震支座位于上部，箱体结构设置在下部。橡胶支座的下连接板嵌在箱体内部，碟簧设置在箱体内的导向装置上。箱体结构的限位作用可以保证上部橡胶支座的水平受力性能不受影响，而橡胶支座的隔震作用使水平地震作用能够明显减小从而降低箱体的水平受力，同时箱体内部的导向装置可以承受水平地震产生的倾覆力矩，保证振震双控支座各向受力的稳定。这样通过将橡胶隔震支座、箱体和碟簧集成为一体，解决了地铁上盖的建筑物水平隔震和竖向隔振的双重需求。
/ 新型振震双控支座构造图 /
根据振动台动力加载试验，部分加载工况如下图所示，下部盒子（隔振前）中的水振动强烈，上部盒子（隔振后）的水振动较小，蓝色为隔振前，红色为隔振后，其中650Hz及950Hz加载频率的隔振效率分别为92%、95%。新型震振双控支座可以有效减小高频振动的传递。
650Hz加载工况
950Hz加载工况
/ 新型振震双控支座振动台试验图 /
通过实际项目应用的计算结果表明，采用振震双控支座后结构的振动减小比较明显，加速度减小70~90%左右，减振效果可达18dB左右。
/ 有限元对比分析 /
总体来看，振震双控支座构造简单，还具有承载力大的优点，不仅对地铁的高频振动起到明显的改善作用，还解决了地铁上盖结构振动控制支座承载力不足和成本高的问题，可广泛应用于多、高层地铁上盖开发的项目中。
04
结语
随着现代工业的迅速发展和城市规模的日益扩大，人们对生活质量要求的不断提高，各种振动所引发的危害越来越突显出来。一方面，在修建大型工业设施、交通枢纽的同时，应该做好长远的规划，在施工的同时，积极主动地采取各种避振措施。另一方面，对振动较为敏感的建筑应该做好必要的隔振、减振措施。城市发展致力于构建一个科学、健康、合理的人居环境，振动控制必不可少。为了确保振动得到有效管理，需要交通部门、环境保护、建筑规划设计、建筑施工以及减、隔振产品制造等部门共同协作，政府有关管理部门的监督和广大居民以及全社会的关注，才能实现振动控制新局面。
参考文献
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作者介绍
策划：赵杰
编辑：祁飞
审核：高文艳
