吳 燕,俞 翔,孫金海,劉干斌

軌道交通鄰近建筑的砂袋墊層多維隔振試驗(yàn)研究

吳 燕1,俞 翔1,孫金海1,劉干斌2*

（1.寧波市軌道交通物產(chǎn)置業(yè)有限公司, 浙江 寧波 315000; 2.寧波大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 浙江 寧波 315211）

修建了足尺隔振建筑模型, 通過現(xiàn)場試驗(yàn)分析了砂袋墊層對(duì)豎向和水平向多維軌道交通環(huán)境振動(dòng)的實(shí)際隔振效果. 結(jié)果表明: (1)砂袋墊層的壓縮和剪切模量較小, 且等效阻尼比較大; (2)應(yīng)用砂袋墊層后, 隔振頻率遠(yuǎn)低于樓蓋豎向和建筑物水平向的自振頻率, 且遠(yuǎn)離軌道交通環(huán)境振動(dòng)的主振頻率; (3)應(yīng)用砂袋墊層隔振措施后, 建筑室內(nèi)的豎向和水平向加速度峰值減幅分別達(dá)79%和60%; (4)與此同時(shí), 室內(nèi)的豎向振動(dòng)1/3倍頻程分頻振級(jí)減小近15dB, 水平向分頻振級(jí)減小近12dB. 由此可知, 砂袋墊層可顯著提升軌道交通多維激勵(lì)下鄰近建筑的室內(nèi)舒適度.

軌道交通; 砂袋墊層; 足尺建筑模型; 基礎(chǔ)隔振

軌道交通鄰近建筑的被動(dòng)隔振是控制環(huán)境振動(dòng)不利影響的傳統(tǒng)措施之一[1-4], 其主要機(jī)理是應(yīng)用豎向隔振支座降低結(jié)構(gòu)的自振頻率, 以減少軌道交通豎向高頻振動(dòng)的傳遞. 但已有研究結(jié)果表明, 軌道交通運(yùn)行時(shí)誘發(fā)的水平向環(huán)境振動(dòng)也對(duì)建筑物的室內(nèi)舒適度具有潛在負(fù)面影響[1,5], 特別是當(dāng)環(huán)境振動(dòng)的主振頻率與建筑結(jié)構(gòu)的水平向高階振型自振頻率一致時(shí), 影響更為明顯.

而目前針對(duì)軌道交通鄰近建筑開發(fā)的各類隔振支座以滿足豎向隔振需求為主, 對(duì)于其水平向隔振需求關(guān)注度較小. 此外, 這些支座還存在較多天然缺陷, 例如: 蝶簧或鋼彈簧支座[6]的耐腐蝕性較差, 厚層橡膠支座的豎向剛度離散性較大[7], 等等. 此外, 這類支座的設(shè)計(jì)構(gòu)造也較為復(fù)雜, 導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)成本較為高昂, 在一定程度上限制了其實(shí)際應(yīng)用范圍.

針對(duì)以上不足, 在考慮經(jīng)濟(jì)成本和施工難度后, 文獻(xiàn)[8]提出應(yīng)用砂袋墊層作為軌道交通鄰近建筑豎向隔振支座的新途徑, 并結(jié)合某三層框架結(jié)構(gòu)的1/8縮尺模型對(duì)其豎向隔振性能展開了試驗(yàn)研究. 其機(jī)理是應(yīng)用砂袋墊層的豎向低剛度和摩擦耗能特性[9], 減少軌道交通環(huán)境振動(dòng)的傳遞. 但其并未對(duì)砂袋墊層的水平向隔振性能展開試驗(yàn)研究, 且因其縮尺比例過小使得砂袋墊層的抗壓剛度、阻尼, 以及樓蓋的豎向自振頻率在相似性上存在較大誤差. 因此, 砂袋墊層的實(shí)際三向隔振性能還有待更深入的試驗(yàn)研究與驗(yàn)證.

為進(jìn)一步檢驗(yàn)砂袋墊層作為軌道交通鄰近建筑基礎(chǔ)隔振措施的可行性, 分析砂袋墊層對(duì)軌道交通豎向和水平向多維環(huán)境振動(dòng)的實(shí)際隔振效果, 本文擬在某空置場地修建一棟足尺隔振建筑模型, 再結(jié)合足尺砂袋墊層開展現(xiàn)場試驗(yàn), 研究結(jié)果可為軌道交通鄰近建筑的環(huán)境振動(dòng)控制提供技術(shù)參考.

1 足尺隔振建筑

本文設(shè)計(jì)的足尺隔振建筑采用砌體結(jié)構(gòu), 層高2.8m, 平面設(shè)計(jì)尺寸為3.0m×2.8m. 參照建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范, 在基礎(chǔ)部位設(shè)置300mm×500mm的鋼筋混凝土隔振層梁, 混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30. 此外, 現(xiàn)澆樓蓋的厚度均設(shè)置為100mm. 墻體采用實(shí)心黏土磚砌筑, 厚度為240mm. 上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約16t. 圖1所示為其立面設(shè)計(jì). 在其基礎(chǔ)部位設(shè)置有大功率激振設(shè)備, 可模擬輸出軌道交通的豎向和水平向多維環(huán)境振動(dòng)激勵(lì). 其中, 水平弱軸方向與圖1(a)中含門窗的墻體方向平行, 隔振試驗(yàn)時(shí)沿該方向輸入水平向激勵(lì).

圖1 足尺建筑模型立面

圖2是施工完成后的足尺建筑現(xiàn)場照片. 在放置砂袋墊層后, 混凝土短柱與上部結(jié)構(gòu)脫離, 僅由砂袋作支承構(gòu)件. 砂袋尺寸為35cm×35cm×8cm, 外包裝袋為長絲無紡?fù)凉げ? 內(nèi)部填充均勻級(jí)配的中砂顆粒, 填充度為100%. 長絲無紡?fù)凉げ己蜕邦w粒的物理力學(xué)屬性見表1～2.

圖2 建筑物及場地照片

表1 長絲無紡?fù)凉げ嫉奈锢砹W(xué)屬性

表2 填充砂的物理力學(xué)屬性

2 砂袋墊層的抗壓抗剪試驗(yàn)

應(yīng)用壓剪試驗(yàn)機(jī)對(duì)疊放層數(shù)為3層的砂袋墊層開展抗壓和抗剪性能試驗(yàn). 抗壓試驗(yàn)主要測試其豎向滯回曲線及極限承載力, 抗剪試驗(yàn)測試其設(shè)計(jì)壓應(yīng)力下的等效剪切剛度及等效阻尼比. 其中, 抗壓試驗(yàn)以800kPa為平衡位置, 通過往復(fù)加載獲得其滯回曲線; 抗剪試驗(yàn)控制剪應(yīng)變?yōu)?.5%. 試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

在壓力作用下, 砂顆粒之間孔隙率逐漸減小. 圖3(a)中滯回曲線未呈現(xiàn)對(duì)稱性, 但一定程度上仍能反映砂袋墊層的豎向動(dòng)力特性. 由滯回曲線換算得到其抗壓剛度約為2.6kN·mm-1, 等效阻尼比約為9%; 等效抗剪剛度約為4.0kN·mm-1, 等效阻尼比約為12%. 此外, 其極限抗壓承載力約1MPa, 遠(yuǎn)小于橡膠隔振支座, 比較適合輕質(zhì)量建筑. 由此可知, 砂袋墊層的動(dòng)力性能原理上可滿足軌道交通鄰近中、低層建筑的豎向和水平向減隔振所需.

3 激振試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 激振試驗(yàn)工況

設(shè)計(jì)2個(gè)試驗(yàn)工況, 見表3. 其中, 工況1為非隔振, 由4根混凝土短柱支承上部結(jié)構(gòu), 其豎向和水平向隔振頻率設(shè)計(jì)值分別由短柱的抗壓、抗彎和抗剪剛度估算得到. 工況2為基礎(chǔ)隔振工況, 采用4組砂袋墊層作為隔振支座, 每組砂袋疊放層數(shù)為3層, 此時(shí)砂袋墊層的高寬比小于1.0, 可保證支承結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性. 開展工況2試驗(yàn)時(shí), 為防止不均勻沉降, 在緩慢放松千斤頂和置入砂袋墊層的過程中, 嚴(yán)格控制4個(gè)支撐部位的沉降變形并實(shí)時(shí)作出調(diào)整, 使得各部位的沉降變形一致.

表3中工況2的豎向和水平向隔振頻率均由砂袋墊層的抗壓、抗剪剛度估算得到. 足尺建筑敲擊試驗(yàn)的結(jié)果表明其自振頻率與設(shè)計(jì)值基本相符.

3.2 測點(diǎn)布置

分別在基礎(chǔ)頂面、室內(nèi)樓面中央布置2個(gè)加速度傳感器. 加速度傳感器為LC0132T高靈敏度壓電式傳感器, 設(shè)置采樣頻率為200Hz, 最大可分辨頻率涵蓋了規(guī)范要求的4～80Hz[10].

3.3 軌道交通環(huán)境振動(dòng)輸入

以上海市某軌道交通鄰近建筑基礎(chǔ)頂面實(shí)測的豎向和水平向加速度時(shí)程作為輸入[3]. 其中, 豎向和水平向分別包含由5趟列車引起的場地振動(dòng), 其采樣頻率均為200Hz.

分別作出某趟列車引起的豎向振動(dòng)和水平向振動(dòng)的加速度時(shí)程及其功率譜曲線, 如圖4所示. 由功率譜曲線可知, 軌道交通環(huán)境振動(dòng)的豎向主振頻率區(qū)間為30～80Hz, 水平向主振頻率區(qū)間為50～60Hz.

4 試驗(yàn)結(jié)果與分

4.1 豎向隔振性能分析

豎向軌道交通環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)下, 各測點(diǎn)豎向振動(dòng)加速度峰值的平均值見表4. 工況1和工況2的基礎(chǔ)頂面加速度峰值基本相同, 但工況2的室內(nèi)樓面加速度峰值降幅達(dá)79%, 由此可知砂袋墊層的豎向隔振效果顯著.

表4 各測點(diǎn)豎向振動(dòng)加速度峰值平均值cm·s-2

以城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)[10]為依據(jù), 從頻域角度分析砂袋墊層對(duì)室內(nèi)舒適度的提升效果. 首先將室內(nèi)樓面實(shí)測的加速度時(shí)程由快速傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域, 再計(jì)算4～80Hz區(qū)間內(nèi)各1/3倍頻程處的分頻振級(jí)平均值, 并與居住區(qū)限值(2類區(qū))進(jìn)行比較, 其結(jié)果如圖5所示.

結(jié)果表明, 工況1中的分頻振級(jí)集中在40Hz和80Hz處, 且超出規(guī)范限值約13dB, 證明軌道交通環(huán)境振動(dòng)引發(fā)了樓蓋的強(qiáng)烈共振. 工況2中的室內(nèi)樓面振級(jí)遠(yuǎn)小于工況1, 其中40Hz和80Hz處的振動(dòng)均降低了約15dB, 滿足規(guī)范限值要求. 雖然低頻處的豎向振級(jí)有所放大, 但仍遠(yuǎn)小于規(guī)范限值. 上述現(xiàn)象符合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中基礎(chǔ)隔振的相關(guān)原理[11]. 由此可知, 應(yīng)用砂袋墊層后, 豎向軌道交通環(huán)境振動(dòng)對(duì)建筑物的負(fù)面影響得到較好控制, 舒適度顯著提升.

4.2 水平向隔振性能分析

水平向軌道交通振動(dòng)激勵(lì)下, 各測點(diǎn)水平向振動(dòng)加速度峰值的平均值見表5. 工況1和工況2的基礎(chǔ)頂面加速度峰值相同, 但工況2的室內(nèi)樓面水平向加速度峰值降幅達(dá)60%, 由此可知, 砂袋墊層對(duì)水平向軌道交通環(huán)境振動(dòng)也具有明顯的隔振效果.

表5 各測點(diǎn)水平向加速度峰值平均值 cm·s-2

以機(jī)械工業(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范[12]為依據(jù), 作出列車經(jīng)過時(shí)室內(nèi)樓面的水平向1/3倍頻程分頻振級(jí)平均值, 并與規(guī)范限值進(jìn)行比較, 如圖6所示.

結(jié)果表明, 工況1中的分頻振級(jí)集中在63Hz和80Hz處, 僅小于規(guī)范限值約1dB. 結(jié)合圖4(b)中的軌道交通水平向環(huán)境振動(dòng)頻譜特性可知, 工況1中60Hz附近振動(dòng)與建筑高階模態(tài)發(fā)生了共振. 工況2中的室內(nèi)樓面水平向振級(jí)遠(yuǎn)小于工況1, 其中63Hz處的振級(jí)降低約12dB, 且遠(yuǎn)小于規(guī)范限值要求. 同理, 在低頻成分附近的水平向振級(jí)有所放大, 但幅度較小. 因此, 應(yīng)用砂袋墊層后, 水平向軌道交通環(huán)境振動(dòng)對(duì)建筑物的負(fù)面影響也得到較好控制, 舒適度得到顯著提升.

圖6 室內(nèi)樓面水平向1/3倍頻程分頻振級(jí)平均值

5 結(jié)論

修建了足尺隔振建筑模型, 通過激振試驗(yàn)分析了砂袋墊層對(duì)軌道交通豎向和水平向多維環(huán)境振動(dòng)的實(shí)際隔振效果, 得出如下結(jié)論:

(1)以3層砂袋墊層作為隔振支座時(shí), 豎向和水平向隔振頻率遠(yuǎn)小于建筑物的豎向和水平向自振頻率. 此外, 隔振頻率與軌道交通豎向和水平向環(huán)境振動(dòng)的主振頻率區(qū)間也相距較遠(yuǎn).

(2)應(yīng)用砂袋墊層后, 室內(nèi)樓面的豎向加速度峰值減幅達(dá)79%, 水平向加速度峰值減幅達(dá)60%, 樓板豎向振動(dòng)的1/3倍頻程分頻振級(jí)也減小了約15dB, 水平向振動(dòng)的分頻振級(jí)減幅達(dá)12dB, 室內(nèi)舒適度均得到顯著提升.

綜上所述, 砂袋墊層對(duì)豎向和水平向軌道交通環(huán)境振動(dòng)的隔振效果顯著, 且因其顯著的經(jīng)濟(jì)性, 在實(shí)際工程中具有較高的推廣和應(yīng)用價(jià)值. 但需要說明的是, 砂袋墊層的豎向承載力偏低, 目前僅適合于中、低層建筑物. 如何進(jìn)一步提高其承載力, 使其適應(yīng)于更多建筑還有待展開更深入研究.

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Vibration suppressing test of a building with sandbag layers neighboring rail transportation

WU Yan1, YU Xiang1, SUN Jinhai1, LIU Ganbin2*

( 1.Ningbo Transit Property Co., Ltd., Ningbo 315000, China; 2.School of Civil and Environmental Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

The vibration isolation effect of sandbag layers for the vertical and horizontal metro environmental vibration has been tested in this paper with a full-scale building model. The test results showed that: (1) the vertical and horizontal stiffness of sandbag layers were both small, and the equivalent damping ratios were high. (2) The isolation frequencies of buildings after installed sandbag layers were lower than the main frequency zones of subway environmental vibration. (3) The vertical and horizontal peak values of indoor acceleration were reduced greatly by using the sandbag layers, and the reduction magnitude reached 79% and 60%, respectively. (4) After installation of sandbag layers, the vertical third-octave frequency vibration levels were nearly reduced by 15dB, and the horizontal frequency vibration levels were nearly reduced by 12dB. So, the sandbag layers are benefitial to controlling the negative effect of metro environmental vibration, thus improving the human comfort inside the building.

subway transportation; sandbag layer; full-scale building model; base-isolation

TU352.12; TB533+.2

A

1001-5132（2021）04-0067-05

2020?10?28.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

浙江省自然科學(xué)基金（LY18E080011）; 寧波市自然科學(xué)基金（2019A610402）.

吳燕（1972－）, 女, 江蘇海門人, 高級(jí)工程師, 主要研究方向: 軌道交通上蓋物業(yè)開發(fā)技術(shù). E-mail: 936474900@qq.com

劉干斌（1976－）, 男, 江西吉安人, 教授, 主要研究方向: 土結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用. E-mail: liuganbin@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 韓 超）