鋼彈簧隔振支座在地鐵上蓋建筑中的應(yīng)用

蘭凱 黃博

【摘要】地鐵上蓋建筑由于其位置的特殊性，常常受到軌道交通引起的振動以及二次結(jié)構(gòu)噪聲影響，對建筑壽命、使用功能以及人們的身體健康均可能造成損害，需要采取相應(yīng)減振降噪技術(shù)措施。文章以成都天府國際機場旅客過夜用房為實例，通過隔振設(shè)計、施工及現(xiàn)場振動測試，對鋼彈簧隔振支座在地鐵上蓋建筑的應(yīng)用進行了研究和工程實踐，現(xiàn)場測試結(jié)果表明鋼彈簧隔振支座可以起到很好的減振降噪作用。

【關(guān)鍵詞】地鐵振動;鋼彈簧隔振支座;隔振原理

【中圖分類號】 TU761.1+9????????? 【文獻標(biāo)志碼】 A

隨著城市化的不斷推進，城市軌道交通迅速發(fā)展，因此由軌道交通造成的振動和噪聲問題愈發(fā)突出[1-2]，其中地面線路和高架線路以噪聲污染為主，地下線路以振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲為主。振動和噪聲對人們的生活和身體健康、古建筑、建筑內(nèi)精密儀器等方面造成不利影響。地鐵上蓋建筑由于大多建筑本身與軌道相連，相比于普通建筑具有更嚴(yán)重的振動與結(jié)構(gòu)噪聲問題。因此需要采用適當(dāng)?shù)臏p振措施來控制結(jié)構(gòu)的振動問題。軌道交通系統(tǒng)引起的振動主要以波的形式通過結(jié)構(gòu)以及周邊地層傳播，因此想要進行振動控制可以從多個方面著手。一為在振源處（即軌道）采取減振措施，以控制軌道自身的振動達到減振目的，現(xiàn)今大多使用減振扣件[3-4]。二為在受振體處（即受振建筑結(jié)構(gòu)）采取減隔振措施，通過彈性體把軌道結(jié)構(gòu)的上部建筑與基礎(chǔ)完全隔離從而形成一個質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)[5]，以此達到減隔振目的，常用措施有隔振支座[6-7]、減振墊[8-9]等。

傳統(tǒng)建筑的隔震支座一般選擇橡膠隔震支座，但由于地鐵振動以豎向高頻振動為主，側(cè)向剛度較小、豎向剛度較大的橡膠支座并不適用，因此選擇鋼彈簧隔振支座。本文將對鋼彈簧隔振支座原理、設(shè)計和施工等予以說明，并通過工程實例進行振動和噪聲測試對其減振效果進行研究。

1鋼彈簧隔振支座

1.1鋼彈簧隔振支座原理

設(shè)外界振動為 Asino1，彈簧剛度為 K， 阻尼為 C，質(zhì)量為皿， 隔振支座系統(tǒng)原理如圖1所示。

該模式運動方程為式（1）。

根據(jù)式（1）可以解得結(jié)構(gòu)位移值，為直觀的看出隔振系統(tǒng)原理，定義隔振系統(tǒng)的傳遞效率7， 為質(zhì)量塊最大位移xma×與支座振動位移 A（即振動振幅）之比為式（2）。

式中：w為外界振動頻率，w。=上為隔振體系固有頻率，ξ為阻尼比。

要使傳遞效率小于1，則必須使>^，即使隔振體系的固有頻率低于外界的干擾頻率，隔振系統(tǒng)才能起到效果。據(jù)申躍奎[10]研究表明，阻尼比的值越小，振幅放大率曲線的峰值越大，即當(dāng)外界干擾振動頻譜較為復(fù)雜時，隔振系統(tǒng)固有頻率便不易選擇;干擾頻率為低頻時，隔振較為困難。由于地鐵上蓋建筑距離振源較近，地鐵振動呈現(xiàn)高頻，振動造成的影響較大，因此設(shè)計具有較低頻率的隔振體系，可以有效隔絕高頻振動能量。

1.2鋼彈簧隔振支座設(shè)計與施工

鋼彈簧隔振支座的固有頻率在3～5 Hz之間，作為具有較低頻率的隔振系統(tǒng)可以先于建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，從而消耗振動能量，達到減振目的。地鐵上蓋建筑一般對建在下穿隧道上的基礎(chǔ)立柱采取基礎(chǔ)隔振措施，即把鋼彈簧隔振支座一般放置在建筑物的上部主體結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間，從而隔絕大地之間傳播的振動，如圖2所示。

隔振支座在工廠時需要預(yù)緊，即預(yù)壓縮后用產(chǎn)品自帶的預(yù)緊螺栓鎖住再送到現(xiàn)場進行安裝，預(yù)壓縮的量與將來受到的荷載基本一致。在結(jié)構(gòu)的建設(shè)期間，彈簧隔振支座的支承可看做剛性支承，支撐上部結(jié)構(gòu)荷載，在結(jié)構(gòu)竣工后將彈簧釋放，此時彈簧才恢復(fù)彈性，隔振系統(tǒng)正式開始工作。

2工程應(yīng)用實例

2.1工程概況

成都天府國際機場是國家"十三五"規(guī)劃中計劃要建設(shè)的我國最大的民用運輸樞紐機場項目，旅客過夜用房作為天府機場的重要配套設(shè)施，其功能為酒店，位于機場航站區(qū)的核心位置，分別臨近 T1航站樓、T2航站樓、GTC交通換乘中心。地鐵線路下穿機場旅客過夜用房，位置關(guān)系如圖3所示，旅客過夜用房部分柱網(wǎng)放置于地鐵隧道頂板上，地鐵運行至旅客過夜用房下方最高設(shè)計時速為100 km/h，運行時產(chǎn)生的振動向上傳播，再通過樓板、墻體傳遞振動并產(chǎn)生顯著的二次輻射噪聲，將大大影響酒店的居住舒適度。因此，對于地鐵下穿部分的酒店樓體采用鋼彈簧隔振方案，以減小地鐵列車通過時產(chǎn)生的振動對上方酒店樓體的影響，滿足酒店的居住舒適度要求，隔振區(qū)域示意如圖4所示。根據(jù)上部荷載，在酒店的柱底布置1～4個鋼彈簧支座，如圖5所示。

2.2現(xiàn)場振動測試

為了檢驗鋼彈簧隔振支座的減振效果，選擇振動測試和噪聲測試。對酒店房間及宴會廳進行振動測試，評價酒店振動是否達標(biāo)：酒店房間的二次噪聲測試，評價酒店二次噪聲是否達標(biāo)。同步采集酒店下方對應(yīng)地鐵線路斷面的振動響應(yīng)，以便在室內(nèi)噪聲和振動水平都較低的情況下確定地鐵過車時間和信號，從而確定減振降噪效果以及舒適度保障。

旅客過夜用房分為悅享酒店、云享酒店2個部分，分別位于地鐵線路東西兩側(cè)。文獻[11]研究表明，在地鐵引起的振動影響下，結(jié)構(gòu)的 Z向振級總體呈現(xiàn)逐層增大的趨勢，梁、柱、板節(jié)點的振級依次遞增可能超過相關(guān)限值標(biāo)準(zhǔn)的要求。故本次測試選擇2、4、6、8多個樓層，并分別選擇距離地鐵線路最近的房間布點測試。測試房間區(qū)域如圖6所示。

房間內(nèi)的振動測點均選擇房間靠近中心的區(qū)域，因宴會廳地面鋪設(shè)有地毯會嚴(yán)重影響振動測試的準(zhǔn)確性，故在據(jù)宴會廳不遠(yuǎn)的大堂處進行振動測試。

噪聲測試在房間內(nèi)采集1 h 的噪聲數(shù)據(jù)，根據(jù)地鐵測點的列車通過時間選取房間噪聲測試時間點。

2.3振動、噪聲評價指標(biāo)

2.3.1振動·噪聲限值

我國對于地鐵引起建筑物室內(nèi)的振動以及二次噪聲問題僅有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即 JGJ/T170-2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]（下稱標(biāo)準(zhǔn)），故振動與噪聲的限值以此標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，城市軌道交通及其沿線建筑按照其使用功能進行分類，并對不同的分類采取不同的振動噪聲限值，室內(nèi)振動限值如表1所示。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定建筑室內(nèi)二次輻射噪聲限值如表2所示。

在本次測試建筑物的區(qū)域分類以及振動和噪聲限值選擇上，旅客過夜用房房間按照1類區(qū)域，即居住、文教區(qū)標(biāo)準(zhǔn)限值。振動限值為，晝間15 dB，夜間12 dB;噪聲限值為，晝間30 dB;夜間35 dB。酒店宴會廳按照2類區(qū)域，即居住、商業(yè)混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)標(biāo)準(zhǔn)限制。振動限值為76 dB，噪聲限值為41 dB。

2.3.2振動＼噪聲評價方法

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，考慮到軌道沿線巖土介質(zhì)振動傳遞特征，規(guī)定振動分析頻率范圍為4～266 Hz，可以以此來選擇合適的傳感器型號與量程。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測量的鉛錘向振動加速度按表3規(guī)定的1/3倍頻程中心頻率的 Z計權(quán)因子進行數(shù)據(jù)處理，按計權(quán)因子修正后得到各中心頻率的振動加速度級（振級），而采用的評價量應(yīng)為1/3倍頻程中心頻率上的最大振動加速度級（簡稱分頻最大振級，記為VLmax）。

故上述分頻最大振級VLz，max可以表示為式（3）。

式中∶VALi為第i個1/3倍頻程帶的分頻振級; wk，i為表中給定的第i個1/3倍頻程帶的計權(quán)因數(shù)。

噪聲評價方法∶根據(jù)規(guī)范要求，本振噪聲測試采用如下評價指標(biāo)∶

等效連續(xù) A聲級LAeq，按式（4）計算∶

式中∶ L Aeq為晝間或者夜間的等效 A聲壓級，單位為 dB（A）;n 為晝間或夜間通過的列車數(shù)量; L AEi為晝間或夜間第i列列車通過時測點的二次輻射噪聲 A聲壓級。

二次輻射噪聲測量值應(yīng)大于室內(nèi)背景噪聲3 dB（A）以上，并按表4對二次輻射噪聲測量值進行修正。若二次輻射噪聲測量值與室內(nèi)背景噪聲的差值3 dB（A）以內(nèi)，而且室內(nèi)背景噪聲小于限值，則可認(rèn)為途徑的列車對建筑物室內(nèi)噪聲并無影響。

2.4振動、噪聲測試

2.4.1振動測試

為直觀的看出地鐵過車時隧道與地鐵上蓋建筑的振動差異，將隧道以及4個樓層和宴會廳的振動測試結(jié)果以加速度響應(yīng)時程曲線圖一并展示，選擇測量時間段內(nèi)最典型的部分如圖0～圖16所示。

按照振動響應(yīng)加速度時程曲線來看，在地鐵過車時隧道內(nèi)測點加速度響應(yīng)明顯，曲線有明顯的波動，在同一時間下的各樓層和宴會廳前廳測點并沒有看到明顯波動，據(jù)研究表明，在結(jié)構(gòu)的振動舒適度評價中，人作為主要的振動接收者，對加速度較為敏感[13]，國內(nèi)外普遍把豎向峰值加速度作為舒適度的評價指標(biāo)。因此可以以此認(rèn)定在地鐵過車時，各樓層房間內(nèi)和宴會廳內(nèi)住客無法察覺到列車經(jīng)過，可以保障住客舒適度要求。

依據(jù)式（3）計算建筑物室內(nèi)分頻最大振級VLmax， 將計算結(jié)果列于表5、表1并計算平均值與標(biāo)準(zhǔn)限值進行對比。

對表5、表6計算結(jié)果與前文振動、噪聲的限值選擇進行對比發(fā)現(xiàn)，酒店各樓層房間和宴會廳計算所得值均小于標(biāo)準(zhǔn)限值。結(jié)合加速度響應(yīng)時程曲線圖，可以認(rèn)定地鐵上蓋建筑在使用鋼彈簧隔振支座時，減振效果明顯，且最大振級合乎標(biāo)準(zhǔn)。

2.4.2噪聲測試

選擇2個典型房間進行噪聲測試，并根據(jù)式（4）計算 L Aeq的值，將計算結(jié)果列于表7。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測試所得二次輻射噪聲測量值與室內(nèi)背景噪聲的差值均在3 dB（A）以內(nèi)，而且室內(nèi)背景噪聲小于限值，因此可以認(rèn)為途徑的列車對建筑物室內(nèi)噪聲并無影響。

3結(jié)論

地鐵上蓋建筑因其建筑位置的特殊性，會受到軌道交通振動以及結(jié)構(gòu)二次噪聲等問題。本文研究表明，采用鋼彈簧隔振支座后的地鐵上蓋建筑，現(xiàn)場測試后得到的振動響應(yīng)與噪聲均遠(yuǎn)小于現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限值，這說明隔振支座可以起到很好的減振降噪效果，可以保障建筑使用功能不受影響。

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