混凝土板尺寸對主動隔振效果影響的試驗研究

張 楠 劉晶磊* 王 洋

(1.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室，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

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

在遠(yuǎn)場被動隔振方面，廣大學(xué)者已對空溝、排樁等典型屏障做了深入研究，且得出了試驗參數(shù)變化對隔振效果的影響和如何提高隔振效率的許多結(jié)論，相比而言近場主動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)行主動隔振，通過有限元法和試驗探究了樁板結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對隔振效果的影響.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)生的振動對周圍建筑的影響，通過對各樓層的振動加速度振級進(jìn)行分析，結(jié)果表明水平和豎直振動的振幅相當(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)對隔振的影響.時剛[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于隔振效果有重要意義，因此本文通過現(xiàn)場試驗，探究在振源下方的土層中埋置混凝土板后其寬度、厚度變化對隔振效果的影響.

1 試驗概況

1.1 試驗場地及試驗設(shè)備

本試驗為室外試驗，選取較為平整空曠且附近車輛較少的試驗場地來減少外部環(huán)境對試驗的干擾.在試驗場地開挖長寬均為4m深2m的土坑，通過對坑內(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.

圖1 試驗布局

試驗采用WS-Z30型振動臺控制系統(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、信號發(fā)生器、加速度計放大器.在試驗場地地表放置激振器作為振源產(chǎn)生振動，通過對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)變化對隔振效果的影響.圖1為試驗場地的示意圖，在場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個傳感器，1、2、3號傳感器的間距為10cm，3、4、5號傳感器的間距為20cm.

表1 混凝土板的尺寸工況

1.2 試驗方案

本試驗中，采用C30混凝土板，厚度分別為2.5cm、5cm和7.5cm，長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 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗結(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號加速度傳感器采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)圖象，采樣時間內(nèi)波動穩(wěn)定，數(shù)據(jù)較為可靠.

圖2 無隔振措施時加速度 圖3 有隔振措施時加速度

圖2為無隔振措施時的數(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 試驗結(jié)果評價方式

為直觀體現(xiàn)埋置混凝土板后的隔振效果，將測試區(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試點的加速度值，通過對比不同工況的加速度變化來分析混凝土板參數(shù)變化對隔振效果的影響.

2.3 不同厚度混凝土板的隔振效果比較

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

由試驗結(jié)果可知，當(dāng)混凝土板厚度為2.5cm時，在傳感器測試區(qū)地表的加速度值明顯小于無隔振時的測試結(jié)果，取測試區(qū)兩端測試點的結(jié)果即1號和5號傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，f為50Hz時相比無隔振措施時在距振源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時相比無隔振措施時在距振源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時相比無隔振時在距振源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1-5號傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取混凝土板厚度為5cm的試驗結(jié)果進(jìn)行說明，對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

在測試區(qū)域內(nèi)無隔振措施時的加速度值明顯大于埋置混凝土板后的測試值，且通過對比板寬為60cm、90cm和120cm的試驗結(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.取測試區(qū)相對靠中的兩個測試點的測試結(jié)果即2號和4號傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行說明.對比無隔振措施的試驗結(jié)果，f為50Hz時埋置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，且本試驗中混凝土板在f為60Hz時降低的加速度更多.

3 結(jié) 語

在室外試驗場地對有無隔振措施時的地表加速度進(jìn)行測定和對比，在本試驗條件下得出如下結(jié)論：

(1)布置混凝土板后測試區(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布置區(qū)外起到了隔振的效果.

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

(3)在本試驗的不同的頻率下當(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)增加板的寬度對隔振作用是有利的.