混凝土板尺寸對(duì)主動(dòng)隔振效果影響的試驗(yàn)研究

張 楠 劉晶磊* 王 洋

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000；2.河北省寒冷地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 075000；3.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

振動(dòng)可使精密的儀器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受到影響，可使鄰近建筑物遭受不同程度的危害，嚴(yán)重時(shí)可造成基礎(chǔ)下沉，建筑物傾斜墻體開裂等，對(duì)周圍人群的正常生活也能造成一定影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)：θ梭w健康.隨著振動(dòng)對(duì)人們生活的負(fù)面影響越來越顯著，研究如何減小振動(dòng)帶來的危害也變得越來越重要.

在遠(yuǎn)場(chǎng)被動(dòng)隔振方面，廣大學(xué)者已對(duì)空溝、排樁等典型屏障做了深入研究，且得出了試驗(yàn)參數(shù)變化對(duì)隔振效果的影響和如何提高隔振效率的許多結(jié)論，相比而言近場(chǎng)主動(dòng)隔振方面的研究則較少.劉晶磊[1-2]等采用樁板組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)隔振，通過有限元法和試驗(yàn)探究了樁板結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)隔振效果的影響.有研究表明可在振源下埋置波阻板進(jìn)行隔振[3].高廣運(yùn)[4-5]等基于薄層法對(duì)波阻板的隔振性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明增加波阻的彈性模量、厚度、寬度以及選取較小埋深均可增強(qiáng)波阻板隔振效果.王俊峰[6]基于有限元模型模擬了地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)周圍建筑的影響，通過對(duì)各樓層的振動(dòng)加速度振級(jí)進(jìn)行分析，結(jié)果表明水平和豎直振動(dòng)的振幅相當(dāng)，且當(dāng)波阻塊的厚度增加后減隔振效果得到提升.周鳳璽[7]等通過采用線彈性理論和Biot多孔介質(zhì)理論對(duì)含液飽和多孔波阻板進(jìn)行了深入研究，分析了其彈性模量、孔隙率和孔隙中流體的黏滯系數(shù)對(duì)隔振的影響.時(shí)剛[8]等基于頻域彈性邊界元法推導(dǎo)了將波阻板用于遠(yuǎn)場(chǎng)隔振的效果，結(jié)果表明波阻板能起到隔振作用且隔振效果隨厚度的增加而提高.馬強(qiáng)[9]等基于線彈性理論對(duì)梯度波阻板進(jìn)行了研究，結(jié)果表明增大其厚度可改善隔振效果.丁智[10]等通過2.5維有限元法研究得出波阻板的厚度增加后隔振作用得到了加強(qiáng).

以上研究已經(jīng)取得一系列有價(jià)值的成果，不過多為理論方面研究，且以上研究表明波阻板的尺寸對(duì)于隔振效果有重要意義，因此本文通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探究在振源下方的土層中埋置混凝土板后其寬度、厚度變化對(duì)隔振效果的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)為室外試驗(yàn)，選取較為平整空曠且附近車輛較少的試驗(yàn)場(chǎng)地來減少外部環(huán)境對(duì)試驗(yàn)的干擾.在試驗(yàn)場(chǎng)地開挖長(zhǎng)寬均為4m深2m的土坑，通過對(duì)坑內(nèi)土體換填的方式消除了原本土體中含有的礫石雜質(zhì)的影響，換填的土體為河沙.回填過程中使回填土總體積與挖出土體體積相同，且進(jìn)行分層夯實(shí).

圖1 試驗(yàn)布局

試驗(yàn)采用WS-Z30型振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)，設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)采集控制儀、功率放大器、電荷放大器、激振器、加速度傳感器、信號(hào)發(fā)生器、加速度計(jì)放大器.在試驗(yàn)場(chǎng)地地表放置激振器作為振源產(chǎn)生振動(dòng)，通過對(duì)加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而比較混凝土板參數(shù)變化對(duì)隔振效果的影響.圖1為試驗(yàn)場(chǎng)地的示意圖，在場(chǎng)地中心位置埋置混凝土板，激振器位于混凝土板上方土層表面的中心位置，沿混凝土板區(qū)域的中軸線在距振源70cm處開始依次布置5個(gè)傳感器，1、2、3號(hào)傳感器的間距為10cm，3、4、5號(hào)傳感器的間距為20cm.

表1 混凝土板的尺寸工況

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)中，采用C30混凝土板，厚度分別為2.5cm、5cm和7.5cm，長(zhǎng)度與寬度相等且分別為60cm、90cm、120cm；混凝土板埋置深度為30cm.振源頻率f為50Hz和60Hz，尺寸工況如表1所示.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果圖像

鑒于采集到的圖像數(shù)量較多，于是選取部分有代表性的圖像.圖2和圖3為2號(hào)加速度傳感器采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)圖象，采樣時(shí)間內(nèi)波動(dòng)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)較為可靠.

圖2 無隔振措施時(shí)加速度 圖3 有隔振措施時(shí)加速度

圖2為無隔振措施時(shí)的數(shù)據(jù)圖像，圖3為埋置了厚5cm，寬90cm混凝土板后的數(shù)據(jù)圖像，圖2中波的峰值明顯大于圖3中波的峰值，可見混凝土板有效起到了隔振的作用.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)方式

為直觀體現(xiàn)埋置混凝土板后的隔振效果，將測(cè)試區(qū)內(nèi)加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，取傳感器采樣時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)圖像上平穩(wěn)段的加速度最大值作為該測(cè)試點(diǎn)的加速度值，通過對(duì)比不同工況的加速度變化來分析混凝土板參數(shù)變化對(duì)隔振效果的影響.

2.3 不同厚度混凝土板的隔振效果比較

對(duì)1-5號(hào)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取混凝土板寬為90cm的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說明，對(duì)比不同厚度混凝土板的隔振效果，如圖4所示.

由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)混凝土板厚度為2.5cm時(shí)，在傳感器測(cè)試區(qū)地表的加速度值明顯小于無隔振時(shí)的測(cè)試結(jié)果，取測(cè)試區(qū)兩端測(cè)試點(diǎn)的結(jié)果即1號(hào)和5號(hào)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，f為50Hz時(shí)相比無隔振措施時(shí)在距振源70cm處的加速度減小了0.034m/s2，距振源130cm處減小了0.015m/s2，f為60Hz時(shí)相比無隔振措施時(shí)在距振源70cm處的加速度減小了0.039m/s2，距振源130cm處減小了0.019m/s2，可見混凝土板起到了隔振效果.當(dāng)混凝土板的厚度增加至5cm后，測(cè)試區(qū)范圍內(nèi)的加速度值又有所降低.7.5cm厚的混凝土板隔振效果最好，f為50Hz時(shí)相比無隔振時(shí)在距振源70cm處的加速度減小了0.053m/s2，距振源130cm處減小了0.023m/s2，f為60Hz時(shí)在距振源70cm處的加速度減小了0.057m/s2，距振源130cm處減小了0.026m/s2.在兩種不同頻率下混凝土板均可起到隔振作用，且在f為60Hz時(shí)加速度減少的更多.綜合來看在不同頻率下增加混凝土板的厚度都有益于達(dá)到隔振的目的.

(a)f=50Hz (b)f=60Hz

2.4 不同寬度混凝土板的隔振效果比較

對(duì)1-5號(hào)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取混凝土板厚度為5cm的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說明，對(duì)比不同寬度混凝土板的隔振效果，結(jié)果如圖5所示.

(a)f=50Hz (b)f=60Hz

在測(cè)試區(qū)域內(nèi)無隔振措施時(shí)的加速度值明顯大于埋置混凝土板后的測(cè)試值，且通過對(duì)比板寬為60cm、90cm和120cm的試驗(yàn)結(jié)果可知增加混凝土板的寬度可達(dá)到提高隔振效果的目的.取測(cè)試區(qū)相對(duì)靠中的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果即2號(hào)和4號(hào)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行說明.對(duì)比無隔振措施的試驗(yàn)結(jié)果，f為50Hz時(shí)埋置60cm寬的混凝土板后可在距振源80cm遠(yuǎn)處將加速度值降低0.024m/s2，在距振源110cm處可降低0.017m/s2，f為60Hz時(shí)在距振源80cm處加速度降低了0.029m/s2，在距振源110cm降低了0.023m/s2.寬度為120cm的混凝土板隔振效果最好，埋置寬120cm的混凝土板后當(dāng)f為50Hz時(shí)距振源80cm處加速度降低了0.041m/s2，振源110cm處加速度降低了0.027m/s2，當(dāng)f為60Hz時(shí)距振源80cm處加速度降低了0.045m/s2，振源110cm處加速度降低了0.033m/s2.從試驗(yàn)結(jié)果來看，在不同頻率下增加混凝土板的寬度均可增強(qiáng)隔振效果，且本試驗(yàn)中混凝土板在f為60Hz時(shí)降低的加速度更多.

3 結(jié) 語

在室外試驗(yàn)場(chǎng)地對(duì)有無隔振措施時(shí)的地表加速度進(jìn)行測(cè)定和對(duì)比，在本試驗(yàn)條件下得出如下結(jié)論：

(1)布置混凝土板后測(cè)試區(qū)的加速度值有明顯的降低，可見在振源下布置混凝土板對(duì)布置區(qū)外起到了隔振的效果.

(2)混凝土板的厚度對(duì)隔振效果有一定影響，本試驗(yàn)中不同振源頻率下采用較厚的混凝土板時(shí)均可取得更好的隔振效果，反之減小板的厚度時(shí)會(huì)減弱隔振效果.

(3)在本試驗(yàn)的不同的頻率下當(dāng)混凝土板的寬度從600 mm增加到1200 mm后，隔振效果均得到了加強(qiáng)，即在一定范圍內(nèi)增加板的寬度對(duì)隔振作用是有利的.