隔振技術(shù)在地鐵上蓋建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

王 怡

（深圳市建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站,廣東 深圳 518031）

為滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，我國超大城市及大城市已建成或正在建設(shè)大量的地鐵。地鐵有效地緩解了地面交通擁堵的問題，但地鐵振動(dòng)也對(duì)沿線和上部建筑產(chǎn)生了不良影響，甚至影響到人們正常的工作、生活和學(xué)習(xí)。以深圳市為例，根據(jù)深圳市交通運(yùn)輸局披露的數(shù)據(jù)，截至2022年底，深圳城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程達(dá)546.85 km，位居全國第四。深圳市政府發(fā)布的《深圳市綜合交通“十四五”規(guī)劃》，強(qiáng)調(diào)了推進(jìn)深圳城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的目標(biāo)，確立了軌道交通在粵港澳大灣區(qū)樞紐集群協(xié)同發(fā)展中的主體地位。到2025年，深圳地鐵通車?yán)锍虒⑦_(dá)到640 km，遠(yuǎn)期將達(dá)到1 000 km的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)。在深圳，土地是一種稀缺資源，城市采用在車站、車輛段等線路節(jié)點(diǎn)建造結(jié)構(gòu)的方式提高土地利用率。然而，即便采用最高等級(jí)的軌道減振措施，仍然難以避免地鐵運(yùn)行引起的建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)。越來越多的城市軌道交通線路不可避免地需近距離下穿居住區(qū)、辦公區(qū)、博物館、精密實(shí)驗(yàn)室等對(duì)環(huán)境振動(dòng)要求嚴(yán)格的建筑物，而其所帶來的振動(dòng)影響極有可能造成精密實(shí)驗(yàn)室搬遷、文物受損、居住和辦公舒適度下降。

地鐵列車引起的環(huán)境振動(dòng)及噪聲問題日益突出，甚至影響了人們正常的生產(chǎn)和生活。地鐵沿線，特別是地鐵上蓋建筑的軌道交通引起的振動(dòng)問題亟待解決。深圳市以創(chuàng)新引領(lǐng)超大型城市可持續(xù)發(fā)展為主題，建設(shè)國家可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)、中國特色社會(huì)主義先行示范區(qū)?！渡钲谑锌沙掷m(xù)發(fā)展規(guī)劃（2017—2030年）（2022年修訂）》指出，建設(shè)更高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的普惠發(fā)展之城是深圳可持續(xù)發(fā)展的五大重要任務(wù)之一。不被軌道交通振動(dòng)困擾，是在地鐵沿線和上蓋建筑中工作和生活的人們高質(zhì)量生活的基本要求，是深圳市可持續(xù)發(fā)展的要求，是深圳建設(shè)中國特色社會(huì)主義先行示范區(qū)的要求。

本文以深圳某中學(xué)新校區(qū)建筑物為研究對(duì)象，分析下穿地鐵所引起的豎向振動(dòng)對(duì)建筑物的使用舒適度造成的影響[1]。經(jīng)綜合考慮建筑物的結(jié)構(gòu)類型和地鐵振動(dòng)的特點(diǎn)，決定設(shè)置隔振橡膠支座[2-3]，通過底層隔振使振動(dòng)效應(yīng)降低到規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。

1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

1.1 建立非隔振與隔振對(duì)比結(jié)構(gòu)模型

（1）非隔振模型

取建筑物局部典型區(qū)域，在ETABS軟件中建立四層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)層高為3.4 m，總高為13.6 m，立柱采用450 mm×450 mm方形鋼筋混凝土柱，梁采用500 mm×250 mm的矩形鋼筋混凝土梁?；撞捎霉探Y(jié)形式，不做隔振設(shè)計(jì)，用于對(duì)比分析支座隔振效果，非隔振模型3-D視圖如圖1所示。

圖1 ETABS非隔振模型

（2）線性隔振模型

采用設(shè)置隔振支座的隔振方式，由于該支座設(shè)計(jì)并未考慮其非線性特性，在ETABS軟件中通過調(diào)整連接屬性來模擬線性隔振支座。

利用隔振支座在該4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)底部設(shè)置隔振層，完成線性隔振模型的建立，隔振層ETABS模型如圖2所示。

圖2 ETABS線性隔振模型

1.2 隔振支座及布置方案

（1）隔振支座參數(shù)

本項(xiàng)目采用的隔振技術(shù)，其實(shí)際工程及案例較少，為確保隔振的技術(shù)要求和施工質(zhì)量，對(duì)隔振支座進(jìn)行了產(chǎn)品檢測(cè)[4]，其基本性能參數(shù)如表1所示。

表1 支座性能參數(shù)表

（2）隔振支座平面布置方案

該四層框架結(jié)構(gòu)隔振設(shè)計(jì)采用的隔振支座平面布置示意圖，如圖3所示。

圖3 隔振支座平面布置示意圖

1.3 地鐵振動(dòng)加速度時(shí)程

地鐵振動(dòng)引起的地面振動(dòng)加速度的優(yōu)勢(shì)頻率段在40 Hz～70 Hz，且加速度幅值在60 mm/s2，對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響主要由豎向振動(dòng)控制。

根據(jù)地鐵的優(yōu)勢(shì)頻段及其幅值特性，采用優(yōu)勢(shì)頻段為60 Hz～70 Hz、符合正弦波的曲線作為地鐵振動(dòng)加速度時(shí)程曲線，其滿足地鐵振動(dòng)加速度時(shí)程的主要特點(diǎn)，地鐵振動(dòng)加速度時(shí)程如圖4所示。采用時(shí)程函數(shù)法將圖4所示的地鐵振動(dòng)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到ETABS軟件中，作用于Z向，依據(jù)規(guī)范要求選取1.0倍恒荷載與0.5倍活荷載之和作為質(zhì)量源，選用非線性直接積分法進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。

圖4 地鐵振動(dòng)加速度時(shí)程曲線

1.4 振動(dòng)考察點(diǎn)的選擇

在正在運(yùn)行的地鐵激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)各層發(fā)生豎向振動(dòng)，為評(píng)估地鐵振動(dòng)對(duì)建筑物的影響及安裝橡膠支座的隔振效果，以樓板中間處為考察點(diǎn)，各層取點(diǎn)位置相同。

2 隔振效果分析

2.1 安全性分析

通過對(duì)比隔振結(jié)構(gòu)與非隔振結(jié)構(gòu)頂層，由于地鐵振動(dòng)引起的水平X方向振動(dòng)速度，安全允許振速取為4.5 cm/s（見表2），可以看出隔振與非隔振結(jié)構(gòu)均滿足安全允許振速的要求（見表3），可以保證結(jié)構(gòu)在地鐵振動(dòng)下的安全性能。

表2 安全允許振速

表3 結(jié)構(gòu)頂層X方向振速

2.2 舒適度分析

（1）隔振前后加速度峰值比較

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）規(guī)定：辦公住宅類高層建筑豎向自振頻率不小于4 Hz時(shí)，樓蓋豎向振動(dòng)加速度限值為50 mm/s2。

從表4隔振前后各層加速度最大值對(duì)比可以看出，隔振前第三層與第四層加速度超過加速度限值。該建筑為教學(xué)建筑，考慮到建筑使用特性，如果加速度超過限值會(huì)對(duì)建筑使用效果產(chǎn)生較大的影響[5-6]。從表4可以看出，使用橡膠支座隔振能夠有效降低各樓層的豎向振動(dòng)加速度峰值，并將超出限值的第三、四層加速度峰值降低到滿足規(guī)范要求，減振效率最高可達(dá)36.32%，隔振效果良好。

表4 隔振前后加速度峰值對(duì)比

（2）隔振前后速度峰值比較

如表5所示，容許振動(dòng)速度峰值與建筑舒適度密切相關(guān)，本建筑豎向振動(dòng)容許振動(dòng)速度峰值為1.0 cm/s，隔振前后速度峰值均滿足舒適度要求，隔振后結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)速度減小，提高了建筑的使用舒適度。

表5 結(jié)構(gòu)頂層豎向振速

3 隔振支座設(shè)計(jì)技術(shù)要求

3.1 防火要求

根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014）的5.1.1條以及《建筑防火通用規(guī)范》（GB 55037-2022）的5.3.1條相關(guān)民用建筑分類和耐火等級(jí)，該建筑屬于一類建筑，耐火等級(jí)應(yīng)為一級(jí)。另外，隔振支座屬于豎向構(gòu)件，需滿足柱的防火要求，要求構(gòu)件燃燒性能為不燃性，耐火極限為3 h。

3.2 豎向變形要求

橡膠隔振支座在豎向壓應(yīng)力作用下，各支座的設(shè)計(jì)沉降量應(yīng)一致。

3.3 水平限位要求

對(duì)限位裝置應(yīng)提出具體的水平方向的限位要求，包括裝配間隙、水平荷載、材料以及連接方式等，以保證水平荷載作用下構(gòu)件的可靠性。對(duì)本項(xiàng)目的具體要求為：支座在水平方向上應(yīng)具有限位功能，限位間隙（裝配間隙）不超過±1 mm；限位裝置水平承載力不小于2 000 kN，采用不低于Q390的鋼材，不應(yīng)采用焊接。

4 隔振支座安裝工程的質(zhì)量監(jiān)督要點(diǎn)

4.1 支座進(jìn)場(chǎng)核查

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量及施工安裝質(zhì)量，要求對(duì)支座進(jìn)行檢測(cè)并由設(shè)計(jì)方審核確認(rèn)。

產(chǎn)品提供商須出示橡膠類隔振支座的第三方耐火試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告，要求直徑不低于1 000 mm；以及支座第三方耐火前后性能檢測(cè)報(bào)告，要求耐火極限不小于3 h且耐火前后的性能偏差不大于15%。本工程產(chǎn)品的耐火工藝應(yīng)不低于該報(bào)告產(chǎn)品的耐火工藝。

4.2 支座安裝階段

橡膠隔振支座定位準(zhǔn)確是關(guān)鍵，對(duì)支座的安裝精度應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制。應(yīng)在橡膠隔振支座下支墩施工前充分研究施工方案，進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，避免支墩因埋板下部承臺(tái)鋼筋密集無法準(zhǔn)確定位，確保隔振支座定位在容許偏差范圍內(nèi)。

（1）支承隔震支座的支墩（梁柱），其頂面水平度誤差不宜大于5‰，安裝后，隔震支座頂面的水平度誤差不宜大于8‰。

（2）隔震支座中心的平面位置與設(shè)計(jì)位置偏差不應(yīng)大于5.0 mm。

（3）隔震支座中心的標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高偏差不應(yīng)大于5.0 mm。

（4）同一支墩布置多個(gè)隔震支座，各支座間的頂面高差不宜大于5.0 mm。

4.3 工程施工階段

在工程施工階段，應(yīng)對(duì)隔震支座的豎向和水平變形作觀測(cè)并記錄，對(duì)上部結(jié)構(gòu)、隔震層部件與周圍固定物的脫開距離進(jìn)行檢查。澆筑混凝土前需對(duì)預(yù)埋件定位進(jìn)行校核（見圖5、圖6），而混凝土澆筑完成后需再次校核預(yù)埋件定位?；炷翝仓?yōu)選自密實(shí)混凝土，澆筑過程中需控制混凝土下落速度，避免混凝土沖擊預(yù)埋件。預(yù)埋板下部混凝土確保密實(shí)為控制要點(diǎn)。

圖5 支座安裝定位

圖6 隔振支座連接示意圖

5 結(jié)語

本項(xiàng)目利用ETABS軟件對(duì)深圳某中學(xué)地鐵隔振項(xiàng)目進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)建模，基底輸入地鐵運(yùn)行豎向振動(dòng)信號(hào)。首先，通過有限元時(shí)程分析，發(fā)現(xiàn)未隔振結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)加速度超出規(guī)范要求，有進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)的必要性。其次，對(duì)設(shè)置隔振橡膠支座后的建筑物在同樣的地鐵激勵(lì)下的時(shí)程響應(yīng)進(jìn)行了分析。根據(jù)有限元的分析結(jié)果，隔振后，結(jié)構(gòu)在地鐵振動(dòng)激勵(lì)下的振動(dòng)由分散的局部振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎w振動(dòng)，降低了結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率，各層樓板處的加速度均得到了有效地減少，基本達(dá)到我國規(guī)范中對(duì)地鐵周邊建筑物的振動(dòng)限值要求。

理論分析是基礎(chǔ)，有效的實(shí)施也同等重要。隔振工程的設(shè)計(jì)需重視隔振支座的防火性能、變形協(xié)調(diào)和構(gòu)造要求。在施工階段，要嚴(yán)格進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、安裝精度控制和主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)的變形監(jiān)測(cè)；在使用階段，要注意做好維護(hù)保養(yǎng)，才能使隔振技術(shù)成為建筑全壽命周期內(nèi)的有機(jī)組成部分，在保障建筑整體安全性和使用性的基礎(chǔ)上有效實(shí)現(xiàn)隔振效果。