軌道交通鄰近建筑的砂袋墊層多維隔振試驗研究

吳 燕,俞 翔,孫金海,劉干斌

軌道交通鄰近建筑的砂袋墊層多維隔振試驗研究

吳 燕1,俞 翔1,孫金海1,劉干斌2*

（1.寧波市軌道交通物產置業有限公司, 浙江 寧波 315000; 2.寧波大學 土木與環境工程學院, 浙江 寧波 315211）

修建了足尺隔振建筑模型, 通過現場試驗分析了砂袋墊層對豎向和水平向多維軌道交通環境振動的實際隔振效果. 結果表明: (1)砂袋墊層的壓縮和剪切模量較小, 且等效阻尼比較大; (2)應用砂袋墊層后, 隔振頻率遠低于樓蓋豎向和建筑物水平向的自振頻率, 且遠離軌道交通環境振動的主振頻率; (3)應用砂袋墊層隔振措施后, 建筑室內的豎向和水平向加速度峰值減幅分別達79%和60%; (4)與此同時, 室內的豎向振動1/3倍頻程分頻振級減小近15dB, 水平向分頻振級減小近12dB. 由此可知, 砂袋墊層可顯著提升軌道交通多維激勵下鄰近建筑的室內舒適度.

軌道交通; 砂袋墊層; 足尺建筑模型; 基礎隔振

軌道交通鄰近建筑的被動隔振是控制環境振動不利影響的傳統措施之一[1-4], 其主要機理是應用豎向隔振支座降低結構的自振頻率, 以減少軌道交通豎向高頻振動的傳遞. 但已有研究結果表明, 軌道交通運行時誘發的水平向環境振動也對建筑物的室內舒適度具有潛在負面影響[1,5], 特別是當環境振動的主振頻率與建筑結構的水平向高階振型自振頻率一致時, 影響更為明顯.

而目前針對軌道交通鄰近建筑開發的各類隔振支座以滿足豎向隔振需求為主, 對于其水平向隔振需求關注度較小. 此外, 這些支座還存在較多天然缺陷, 例如: 蝶簧或鋼彈簧支座[6]的耐腐蝕性較差, 厚層橡膠支座的豎向剛度離散性較大[7], 等等. 此外, 這類支座的設計構造也較為復雜, 導致其經濟成本較為高昂, 在一定程度上限制了其實際應用范圍.

針對以上不足, 在考慮經濟成本和施工難度后, 文獻[8]提出應用砂袋墊層作為軌道交通鄰近建筑豎向隔振支座的新途徑, 并結合某三層框架結構的1/8縮尺模型對其豎向隔振性能展開了試驗研究. 其機理是應用砂袋墊層的豎向低剛度和摩擦耗能特性[9], 減少軌道交通環境振動的傳遞. 但其并未對砂袋墊層的水平向隔振性能展開試驗研究, 且因其縮尺比例過小使得砂袋墊層的抗壓剛度、阻尼, 以及樓蓋的豎向自振頻率在相似性上存在較大誤差. 因此, 砂袋墊層的實際三向隔振性能還有待更深入的試驗研究與驗證.

為進一步檢驗砂袋墊層作為軌道交通鄰近建筑基礎隔振措施的可行性, 分析砂袋墊層對軌道交通豎向和水平向多維環境振動的實際隔振效果, 本文擬在某空置場地修建一棟足尺隔振建筑模型, 再結合足尺砂袋墊層開展現場試驗, 研究結果可為軌道交通鄰近建筑的環境振動控制提供技術參考.

1 足尺隔振建筑

本文設計的足尺隔振建筑采用砌體結構, 層高2.8m, 平面設計尺寸為3.0m×2.8m. 參照建筑抗震設計規范, 在基礎部位設置300mm×500mm的鋼筋混凝土隔振層梁, 混凝土強度等級為C30. 此外, 現澆樓蓋的厚度均設置為100mm. 墻體采用實心黏土磚砌筑, 厚度為240mm. 上部結構總質量約16t. 圖1所示為其立面設計. 在其基礎部位設置有大功率激振設備, 可模擬輸出軌道交通的豎向和水平向多維環境振動激勵. 其中, 水平弱軸方向與圖1(a)中含門窗的墻體方向平行, 隔振試驗時沿該方向輸入水平向激勵.

圖1 足尺建筑模型立面

圖2是施工完成后的足尺建筑現場照片. 在放置砂袋墊層后, 混凝土短柱與上部結構脫離, 僅由砂袋作支承構件. 砂袋尺寸為35cm×35cm×8cm, 外包裝袋為長絲無紡土工布, 內部填充均勻級配的中砂顆粒, 填充度為100%. 長絲無紡土工布和砂顆粒的物理力學屬性見表1～2.

圖2 建筑物及場地照片

表1 長絲無紡土工布的物理力學屬性

表2 填充砂的物理力學屬性

2 砂袋墊層的抗壓抗剪試驗

應用壓剪試驗機對疊放層數為3層的砂袋墊層開展抗壓和抗剪性能試驗. 抗壓試驗主要測試其豎向滯回曲線及極限承載力, 抗剪試驗測試其設計壓應力下的等效剪切剛度及等效阻尼比. 其中, 抗壓試驗以800kPa為平衡位置, 通過往復加載獲得其滯回曲線; 抗剪試驗控制剪應變為0.5%. 試驗結果如圖3所示.

在壓力作用下, 砂顆粒之間孔隙率逐漸減小. 圖3(a)中滯回曲線未呈現對稱性, 但一定程度上仍能反映砂袋墊層的豎向動力特性. 由滯回曲線換算得到其抗壓剛度約為2.6kN·mm-1, 等效阻尼比約為9%; 等效抗剪剛度約為4.0kN·mm-1, 等效阻尼比約為12%. 此外, 其極限抗壓承載力約1MPa, 遠小于橡膠隔振支座, 比較適合輕質量建筑. 由此可知, 砂袋墊層的動力性能原理上可滿足軌道交通鄰近中、低層建筑的豎向和水平向減隔振所需.

3 激振試驗設計

3.1 激振試驗工況

設計2個試驗工況, 見表3. 其中, 工況1為非隔振, 由4根混凝土短柱支承上部結構, 其豎向和水平向隔振頻率設計值分別由短柱的抗壓、抗彎和抗剪剛度估算得到. 工況2為基礎隔振工況, 采用4組砂袋墊層作為隔振支座, 每組砂袋疊放層數為3層, 此時砂袋墊層的高寬比小于1.0, 可保證支承結構的穩定性. 開展工況2試驗時, 為防止不均勻沉降, 在緩慢放松千斤頂和置入砂袋墊層的過程中, 嚴格控制4個支撐部位的沉降變形并實時作出調整, 使得各部位的沉降變形一致.

表3中工況2的豎向和水平向隔振頻率均由砂袋墊層的抗壓、抗剪剛度估算得到. 足尺建筑敲擊試驗的結果表明其自振頻率與設計值基本相符.

3.2 測點布置

分別在基礎頂面、室內樓面中央布置2個加速度傳感器. 加速度傳感器為LC0132T高靈敏度壓電式傳感器, 設置采樣頻率為200Hz, 最大可分辨頻率涵蓋了規范要求的4～80Hz[10].

3.3 軌道交通環境振動輸入

以上海市某軌道交通鄰近建筑基礎頂面實測的豎向和水平向加速度時程作為輸入[3]. 其中, 豎向和水平向分別包含由5趟列車引起的場地振動, 其采樣頻率均為200Hz.

分別作出某趟列車引起的豎向振動和水平向振動的加速度時程及其功率譜曲線, 如圖4所示. 由功率譜曲線可知, 軌道交通環境振動的豎向主振頻率區間為30～80Hz, 水平向主振頻率區間為50～60Hz.

4 試驗結果與分

4.1 豎向隔振性能分析

豎向軌道交通環境振動激勵下, 各測點豎向振動加速度峰值的平均值見表4. 工況1和工況2的基礎頂面加速度峰值基本相同, 但工況2的室內樓面加速度峰值降幅達79%, 由此可知砂袋墊層的豎向隔振效果顯著.

表4 各測點豎向振動加速度峰值平均值cm·s-2

以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準[10]為依據, 從頻域角度分析砂袋墊層對室內舒適度的提升效果. 首先將室內樓面實測的加速度時程由快速傅里葉變換轉換到頻域, 再計算4～80Hz區間內各1/3倍頻程處的分頻振級平均值, 并與居住區限值(2類區)進行比較, 其結果如圖5所示.

結果表明, 工況1中的分頻振級集中在40Hz和80Hz處, 且超出規范限值約13dB, 證明軌道交通環境振動引發了樓蓋的強烈共振. 工況2中的室內樓面振級遠小于工況1, 其中40Hz和80Hz處的振動均降低了約15dB, 滿足規范限值要求. 雖然低頻處的豎向振級有所放大, 但仍遠小于規范限值. 上述現象符合結構動力學中基礎隔振的相關原理[11]. 由此可知, 應用砂袋墊層后, 豎向軌道交通環境振動對建筑物的負面影響得到較好控制, 舒適度顯著提升.

4.2 水平向隔振性能分析

水平向軌道交通振動激勵下, 各測點水平向振動加速度峰值的平均值見表5. 工況1和工況2的基礎頂面加速度峰值相同, 但工況2的室內樓面水平向加速度峰值降幅達60%, 由此可知, 砂袋墊層對水平向軌道交通環境振動也具有明顯的隔振效果.

表5 各測點水平向加速度峰值平均值 cm·s-2

以機械工業環境保護設計規范[12]為依據, 作出列車經過時室內樓面的水平向1/3倍頻程分頻振級平均值, 并與規范限值進行比較, 如圖6所示.

結果表明, 工況1中的分頻振級集中在63Hz和80Hz處, 僅小于規范限值約1dB. 結合圖4(b)中的軌道交通水平向環境振動頻譜特性可知, 工況1中60Hz附近振動與建筑高階模態發生了共振. 工況2中的室內樓面水平向振級遠小于工況1, 其中63Hz處的振級降低約12dB, 且遠小于規范限值要求. 同理, 在低頻成分附近的水平向振級有所放大, 但幅度較小. 因此, 應用砂袋墊層后, 水平向軌道交通環境振動對建筑物的負面影響也得到較好控制, 舒適度得到顯著提升.

圖6 室內樓面水平向1/3倍頻程分頻振級平均值

5 結論

修建了足尺隔振建筑模型, 通過激振試驗分析了砂袋墊層對軌道交通豎向和水平向多維環境振動的實際隔振效果, 得出如下結論:

(1)以3層砂袋墊層作為隔振支座時, 豎向和水平向隔振頻率遠小于建筑物的豎向和水平向自振頻率. 此外, 隔振頻率與軌道交通豎向和水平向環境振動的主振頻率區間也相距較遠.

(2)應用砂袋墊層后, 室內樓面的豎向加速度峰值減幅達79%, 水平向加速度峰值減幅達60%, 樓板豎向振動的1/3倍頻程分頻振級也減小了約15dB, 水平向振動的分頻振級減幅達12dB, 室內舒適度均得到顯著提升.

綜上所述, 砂袋墊層對豎向和水平向軌道交通環境振動的隔振效果顯著, 且因其顯著的經濟性, 在實際工程中具有較高的推廣和應用價值. 但需要說明的是, 砂袋墊層的豎向承載力偏低, 目前僅適合于中、低層建筑物. 如何進一步提高其承載力, 使其適應于更多建筑還有待展開更深入研究.

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[12] JBJ 16-2000. 機械工業環境保護設計規范[S].

Vibration suppressing test of a building with sandbag layers neighboring rail transportation

WU Yan1, YU Xiang1, SUN Jinhai1, LIU Ganbin2*

( 1.Ningbo Transit Property Co., Ltd., Ningbo 315000, China; 2.School of Civil and Environmental Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

The vibration isolation effect of sandbag layers for the vertical and horizontal metro environmental vibration has been tested in this paper with a full-scale building model. The test results showed that: (1) the vertical and horizontal stiffness of sandbag layers were both small, and the equivalent damping ratios were high. (2) The isolation frequencies of buildings after installed sandbag layers were lower than the main frequency zones of subway environmental vibration. (3) The vertical and horizontal peak values of indoor acceleration were reduced greatly by using the sandbag layers, and the reduction magnitude reached 79% and 60%, respectively. (4) After installation of sandbag layers, the vertical third-octave frequency vibration levels were nearly reduced by 15dB, and the horizontal frequency vibration levels were nearly reduced by 12dB. So, the sandbag layers are benefitial to controlling the negative effect of metro environmental vibration, thus improving the human comfort inside the building.

subway transportation; sandbag layer; full-scale building model; base-isolation

TU352.12; TB533+.2

A

1001-5132（2021）04-0067-05

2020?10?28.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

浙江省自然科學基金（LY18E080011）; 寧波市自然科學基金（2019A610402）.

吳燕（1972－）, 女, 江蘇海門人, 高級工程師, 主要研究方向: 軌道交通上蓋物業開發技術. E-mail: 936474900@qq.com

劉干斌（1976－）, 男, 江西吉安人, 教授, 主要研究方向: 土結構動力相互作用. E-mail: liuganbin@nbu.edu.cn

（責任編輯 韓 超）