市政道路鋼彈簧浮置板對地下空間結(jié)構(gòu)的減振影響

陳 偉，鄒錦華，霍文斌，王 健，鄔龍剛

(1. 廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510010；2. 廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，城區(qū)道路密集，土地資源緊張，市政道路汽車荷載引起的環(huán)境振動及噪音問題引起了廣泛的關(guān)注，對居民的日常生產(chǎn)生活帶來嚴重影響，容易引發(fā)人們的身體健康問題[1]。如何有效地減小交通荷載引起的低頻振動，已經(jīng)成為重要的研究熱點。

目前對于交通荷載引起環(huán)境振動的隔振研究較多，徐平等[2]通過研究無量綱位移等值線、無量綱位移變化曲線等進而分析了屏障后不同位置、剪切模量、樁間距和入射頻率對非連續(xù)彈性圓柱實心樁屏障的隔離效果的影響。陳鋒和黃茂松[3]利用阻抗函數(shù)研究填充溝的厚度, 深度以及填充材料相對周圍土體的阻抗比的隔振效果。陸建飛和聶衛(wèi)東[4]應(yīng)用 Biot理論和積分方程的方法，研究了頻域內(nèi)飽和土中的單樁在瑞利波作用下的動力響應(yīng)。廖雪嬌等[5]對連續(xù)墻擋板進行三維數(shù)值模擬分析，研究了5～20 Hz 荷載下混凝土樁組成的不同尺寸擋板的減振效果, 并與日本某現(xiàn)場試驗結(jié)果比較。

浮置板是城市軌道交通中最為有效的軌道減振降噪結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)外關(guān)于浮置板軌道減振降噪已有頗多研究成果。如：Lombaert等[6]通過有限元方法建立了浮置板軌道模型，研究了軟硬2種土質(zhì)下的動力響應(yīng)。TSUTOMU等[7]研究了浮置板軌道系統(tǒng)支撐剛度對行車安全性和舒適性的影響。姚京川等[8]通過Ansys對浮置板軌道結(jié)構(gòu)的減振效果進行分析。谷愛軍等[9]建立了鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)的三維模型，研究了不同參數(shù)及激振頻率對結(jié)構(gòu)的傳遞特性和隔振效果。丁德云等[10]通過室內(nèi)試驗與有限元模擬相結(jié)合，研究了簡諧荷載作用下浮置板軌道的加速度響應(yīng)和振級損失。孫曉靜等[11]通過Ansys對鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)進行了模態(tài)和諧響應(yīng)分析，并采用Sperling指標進行了舒適度評價。耿傳智等[12]對浮置板軌道系統(tǒng)進行了三維有限元模態(tài)分析，研究了浮置板密度、尺寸、扣件和支座剛度、支座間距等參數(shù)變化對軌道系統(tǒng)固有頻率的影響和鋼軌撓度、位移和加速度的變化規(guī)律。王建偉等[13]利用室內(nèi)試驗研究了鋼彈簧隔振器對浮置板軌道的動力特性。蔣吉清等[14]研究了剪力鉸的減振效果及參數(shù)優(yōu)化問題。

但上述研究都是關(guān)于浮置板應(yīng)用于軌道交通方面，而對浮置板應(yīng)用于市政道路的研究則未見文獻報道。本研究以國內(nèi)首次應(yīng)用的地下空間上方鋼彈簧浮置板減振道路為研究對象，以實測道路振動荷載時程作為車輛荷載激振源，計算了4種車輛和車流荷載作用下有、無浮置板時的地下空間頂板的振動響應(yīng)，評價了鋼彈簧浮置板道路的減振效果。研究成果可為鋼彈簧浮置板減振道路的工程應(yīng)用提供參考。

1 浮置板道路設(shè)計方案及評價標準

浮置板道路系統(tǒng)由鋼筋混凝土厚板、鋼彈簧隔振器、地下空間混凝土頂板及瀝青混凝土鋪裝組成。該系統(tǒng)把混凝土厚板置于可調(diào)的鋼彈簧隔振器上，瀝青混凝土鋪裝在鋼筋混凝土厚板上形成連續(xù)路面，最終形成一連續(xù)體系的質(zhì)量-彈簧隔振系統(tǒng)，降低車輛激振導(dǎo)致的地下空間結(jié)構(gòu)的振動和噪聲。

研發(fā)的鋼彈簧浮置板道路系統(tǒng)位于萬博中央商務(wù)區(qū)核心區(qū)萬惠一路地下空間上方(圖1所示)，雙向雙車道。地下空間為二層地下結(jié)構(gòu)，地下一層為半敞開式地下結(jié)構(gòu)，層高5 m，頂板厚0.8 m，地下二層層高5 m，頂板厚1.2 m，由剪力墻和立柱支撐；混凝土浮置板全長139.5 m，板寬10.0 m，板厚0.45 m，鋼彈簧隔振器624個，剛度5.3 kN/mm，間距1.8 m×1.8 m。

圖1 鋼彈簧浮置板(單位：mm)Fig.1 Steel spring floating slab (unit:mm)

由于地下商場的頂板直接位于市政道路行車道下，汽車荷載的加-卸載循環(huán)引起地下結(jié)構(gòu)尤其是頂板較大幅度的振動和噪音，對商業(yè)活動產(chǎn)生較大的負面影響，影響舒適感和健康。另一方面，引起的地下空間結(jié)構(gòu)振動，也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷、裂紋甚至沉降。根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB 10070—88)[15]和《聲環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3096—2008)[16]，應(yīng)按2類振動環(huán)境標準，即Z振級晝間和夜間分別不大于75 dB和72 dB，環(huán)境噪聲等效A聲級晝夜間分別不大于60 dB和50 dB。

2 市政道路汽車荷載激振源

2.1 基本原理

古典的車橋振動理論適用于簡單系統(tǒng)，對于現(xiàn)實復(fù)雜的情況，古典理論無法從理論上給出合理的解釋。隨著計算機的發(fā)展，從古典的車橋振動理論基礎(chǔ)上發(fā)展完善了現(xiàn)代車橋振動理論，現(xiàn)代車橋振動理論考慮了橋面不平整度對車輛荷載產(chǎn)生的作用，更接近實際情況。

為了獲得合理的汽車荷載激振源，需要進行現(xiàn)場實測。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)可知，結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下產(chǎn)生響應(yīng)可以分為瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。由于有阻尼的存在，瞬態(tài)響應(yīng)很快會衰減為零，剩下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)如式(1)所示，而穩(wěn)態(tài)響應(yīng)頻率就是荷載頻率。因此，進行現(xiàn)場實測，能夠獲得車輛荷載產(chǎn)生的真實頻率。

y(t)=ρsin(ωt-θ),

(1)

(2)

式中，y為位移;t為某一時刻點;ρ為穩(wěn)態(tài)振動的振幅；ω為汽車荷載頻率；θ為振動響應(yīng)的相位比荷載相位所滯后的角度;α為阻尼比；β為汽車荷載頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率之比。

2.2 測試概況

為了較準確地得到車輛荷載激勵頻率，在番禺大道北輔路進行了城市交通車輛的4種主要車型(小客車、小貨車、大貨車、公交車)通行時的路面振動測試，以實測路面振動加速度作為地下空間結(jié)構(gòu)上方浮置板道路的荷載激振數(shù)據(jù)。

試驗采用INV3060S采集儀和941B型拾振器，24位同步采集儀，頻率誤差小于0.01%，幅值誤差小于1%，頻率0.17～100 Hz，采樣頻率512 Hz。

2.3 測點布置及測試結(jié)果

在道路外側(cè)行車道邊緣布設(shè)10個測點，縱向間距1.8m，橫向0.7 m，每個測點均為豎向，如圖2所示。4號測點在各類車型40 km/h時測試結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖2 路面振動測點布置圖Fig.2 Layout of vibration measuring points on pavement

從圖3～圖6可以看出，車輛行駛過道路，道路的振動加速度時程響應(yīng)呈現(xiàn)由弱變強再變?nèi)?，且具有明顯的周期性，振動能量主要集中在10～40 Hz。由于4種車型的軸重、軸距等不同，因此加速度峰值大小和振動主頻不同，小汽車、小貨車、大貨車、公交車加速度峰值分別為6.6，25.8，33.3，44.1 mm/s2，主頻分別在27.5，21.0，16.3，18.0 Hz。

圖3 小汽車作用下路面振動時程和頻譜Fig.3 Time history and frequency spectrum of pavement vibration under car loads

圖4 小貨車作用下路面振動時程和頻譜Fig.4 Time history and frequency spectrum of pavement vibration under minivan loads

圖5 大貨車作用下路面振動時程和頻譜Fig.5 Time history and frequency spectrum of pavement vibration under truck loads

圖6 公交車作用下路面振動時程和頻譜Fig.6 Time history and frequency spectrum of pavement vibration under bus loads

3 地下空間頂板響應(yīng)分析

3.1 有限元模型

根據(jù)實際工程設(shè)計資料，采用大型通用有限元計算軟件ansys建立地下空間及其上方浮置板道路整體三維有限元模型，地下結(jié)構(gòu)樓板和側(cè)墻均采用板單元模擬， 立柱用梁單元模擬; 鋼彈簧用彈性阻尼連接單元模擬。建立的三維有限元計算模型如圖7所示，浮置板地下空間結(jié)構(gòu)的整體模型共7 097節(jié)點，7 630單元。

圖7 浮置板道路和下部地下空間結(jié)構(gòu)整體三維分析模型Fig.7 Three-dimensional analysis model of floating slab road and underground space structure

3.2 鋼彈簧浮置板模態(tài)分析

(1)固有頻率

根據(jù)國內(nèi)外已有的測試資料和項目測試結(jié)果，可知汽車荷載產(chǎn)生的激振能量頻段主要集中為10～40 Hz，控制減振效果的關(guān)鍵因素主要是鋼彈簧浮置板的是低階豎向固有振動模態(tài)，鋼彈簧浮置板、地下空間和設(shè)置鋼彈簧浮置板后地下空間整體結(jié)構(gòu)前6階豎向頻率如表1所示。

表1 前6階結(jié)構(gòu)固有頻率(單位:Hz)Tab.1 The first 6 orders natural frequencies of structure (unit: Hz)

(2)整體結(jié)構(gòu)振型

振型是結(jié)構(gòu)體系的固有特性，固有頻率對應(yīng)1種振型。圖8為浮置板和地下空間整體結(jié)構(gòu)的前6階振型圖。

從圖8可看出，前5階振型主要表現(xiàn)為鋼彈簧浮置板的振動，且隨著階數(shù)增大而加大；第6階時表現(xiàn)為地下空間頂板的振動。分析結(jié)果表明汽車荷載主要引起地下空間地下一層頂板的振動，未引起結(jié)構(gòu)其余部分的振動。

圖8 浮置板和地下空間整體結(jié)構(gòu)前六階振型Fig.8 The first 6 orders vibration modes of floating slab road and underground space structure

3.3 交通荷載激振作用分析

從實測交通荷載激振源的數(shù)據(jù)中選取小汽車、小貨車、大貨車和公交車4組數(shù)據(jù)。采用origin將4組實測數(shù)據(jù)進行小波降噪。采用DB4小波，閾值類型為sqtwolog，消除白噪聲的影響。將降噪后的4組數(shù)據(jù)歸一化，然后乘上(1+沖擊系數(shù))再乘上各種車型的重量，結(jié)合工程實際，沖擊系數(shù)取0.1，得到4組計算車型荷載。限于篇幅，選取大貨車計算荷載幅值譜如圖9所示。將4組計算車型荷載輸入ansys有限元模型，進行瞬態(tài)動力學(xué)計算，結(jié)構(gòu)阻尼采用瑞利阻尼，計算得到了車輛荷載作用下有、無浮置板時地下空間結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。

圖9 大貨車荷載譜Fig.9 Load spectrum of truck

提取地下空間結(jié)構(gòu)中跨的跨中點計算結(jié)果作為地下空間結(jié)構(gòu)頂板的代表點。各種車輛作用下鋼彈簧浮置板安裝前后加速度響應(yīng)峰值及減振值如表2所示。

從表2可看出，鋼彈簧浮置板有明顯的減振效果，減振值最低85.8%，最高達90.4%。浮置板是一種性能良好的減振隔振裝置，具有將交通荷載相對均勻地重新分配給整個地下空間結(jié)構(gòu)頂板的功能，使頂板從局部受力、振動轉(zhuǎn)化為整體受力、整體微幅振動。

表2 減振前后地下空間頂板加速度峰值Tab.2 Acceleration peaks of underground roof before and after vibration reduction

4 減振降噪效果分析

4.1 振動加速度級評價

根據(jù)我國《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》，振動加速度有效值定義為[15]：

(3)

式中，arms為加速度有效值；a(t)為加速度時程；T為加速度持續(xù)時間。

振動加速度有效值可作為振動強度指標，但通常采用振動加速度級La代替加速度有效值，即

La=20lg(arms/a0)，

(4)

式中，La為振動加速度級；a為振動加速度有效值;a0為基準加速度，取10-6m/s2。

4種車型的最大加速度級如表3所示，各頻段的插入損失如圖10所示。

表3 減振前后地下空間頂板最大加速度級(單位:dB)Tab.3 Maximum acceleration levels of underground roof before and after vibration reduction (unit: dB)

圖10 插入損失曲線Fig.10 Insertion loss curves

從以上結(jié)果可知，各種車輛作用下的插入損失曲線基本相同，且在大于浮置板基頻的頻率范圍內(nèi)非常相近。鋼彈簧浮置板對振動加速度級的減少值最少15.71 dB，減振效果滿足規(guī)范要求。

4.2 Z振級評價

Z振級VLz為按ISO 2631/1—1985[17]規(guī)定的全身振動Z 計權(quán)因子(wk)修正后得到的振動加速度級，公式為[17]：

VLz=20lg(a′rms/a0)，

(5)

(6)

式中,a′rms為振動加速度有效值，a0為基準加速度，取為a0=10-6m/s2；afrms為中心頻率f的加速度有效值；cf為Z計權(quán)因子。

表4為計算了各類車型的Z振級。從表4可以看出，各種車輛作用下的插入損失基本相同，鋼彈簧浮置板對Z振級最小為15.30 dB，結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表4 地下空間頂板最大Z振級(單位:dB)Tab.4 Maximum Z vibration levels of underground roof (units: dB)

4.3 二次噪聲評價

根據(jù)HJ 453—2008《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》附錄C.2二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測，建筑物內(nèi)室內(nèi)中部的二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測計算式為[18]：

(7)

式中,Lp為建筑物內(nèi)的A計權(quán)聲壓級；Lp,i(f)為未計權(quán)的建筑物內(nèi)的聲壓級；VLi(f)為與頻率相對應(yīng)的建筑物內(nèi)的振動加速度級；Cf,i為第i個頻帶的A計權(quán)修正值；f為1/3倍頻帶中心頻率(16～200 Hz)；n為1/3倍頻帶數(shù)。

各類車型作用下A計權(quán)的聲壓級如表5所示。

表5 減振前后地下空間頂板最大A聲級(單位:dB)Tab.5 Maximum vibration level A of underground space roof before and after vibration reduction (unit: dB)

從表5可以看出，鋼彈簧浮置板對二次噪聲減少值26.38 dB，降噪效果明顯，結(jié)果滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

為研究番禺萬博商務(wù)中心地下空間上方鋼彈簧浮置板示范道路的減振降噪效果，采用現(xiàn)場實測與有限元數(shù)值結(jié)合方法，分析了實測交通車輛激振源作用下有、無浮置板時地下空間結(jié)構(gòu)頂板的振動響應(yīng)，進一步采用國家現(xiàn)行標準評價了鋼彈簧浮置板的隔振降噪效果。結(jié)果表明：

(1)浮置板與地下空間結(jié)構(gòu)合建建筑，低頻振動主要為鋼彈簧浮置板的振動，鋼彈簧浮置板道路能夠有效地保證控制地下空間結(jié)構(gòu)振動。

(2)汽車荷載產(chǎn)生的激振能量頻段主要集中為10～40 Hz，鋼彈簧浮置板應(yīng)用于市政道路減振時，結(jié)構(gòu)整體設(shè)計頻率宜低于7.07 Hz。

(3)采用鋼彈簧浮置板減振后，各類車型荷載作用下減振效果最低85.8%。鋼彈簧浮置板具有將集中荷載重新分配給整個地下空間的功能，使地下空間從局部受力、振動轉(zhuǎn)化為整體受力、整體微幅振動。

(4)采用鋼彈簧浮置板減振后，振動加速度級最小減少15.71 dB，Z振級減少15.30 dB，A聲壓級減少26.38 dB，減振降噪效果明顯。