市政道路鋼彈簧浮置板對地下空間結構的減振影響

陳 偉，鄒錦華，霍文斌，王 健，鄔龍剛

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

0 引言

隨著城市的快速發展，城區道路密集，土地資源緊張，市政道路汽車荷載引起的環境振動及噪音問題引起了廣泛的關注，對居民的日常生產生活帶來嚴重影響，容易引發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，已經成為重要的研究熱點。

目前對于交通荷載引起環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。陸建飛和聶衛東[4]應用 Biot理論和積分方程的方法，研究了頻域內飽和土中的單樁在瑞利波作用下的動力響應。廖雪嬌等[5]對連續墻擋板進行三維數值模擬分析，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, 并與日本某現場試驗結果比較。

浮置板是城市軌道交通中最為有效的軌道減振降噪結構，目前國內外關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種土質下的動力響應。TSUTOMU等[7]研究了浮置板軌道系統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對浮置板軌道結構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的三維模型，研究了不同參數及激振頻率對結構的傳遞特性和隔振效果。丁德云等[10]通過室內試驗與有限元模擬相結合，研究了簡諧荷載作用下浮置板軌道的加速度響應和振級損失。孫曉靜等[11]通過Ansys對鋼彈簧浮置板軌道系統進行了模態和諧響應分析，并采用Sperling指標進行了舒適度評價。耿傳智等[12]對浮置板軌道系統進行了三維有限元模態分析，研究了浮置板密度、尺寸、扣件和支座剛度、支座間距等參數變化對軌道系統固有頻率的影響和鋼軌撓度、位移和加速度的變化規律。王建偉等[13]利用室內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優化問題。

但上述研究都是關于浮置板應用于軌道交通方面，而對浮置板應用于市政道路的研究則未見文獻報道。本研究以國內首次應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，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用提供參考。

1 浮置板道路設計方案及評價標準

浮置板道路系統由鋼筋混凝土厚板、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。該系統把混凝土厚板置于可調的鋼彈簧隔振器上，瀝青混凝土鋪裝在鋼筋混凝土厚板上形成連續路面，最終形成一連續體系的質量-彈簧隔振系統，降低車輛激振導致的地下空間結構的振動和噪聲。

研發的鋼彈簧浮置板道路系統位于萬博中央商務區核心區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構，地下一層為半敞開式地下結構，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-卸載循環引起地下結構尤其是頂板較大幅度的振動和噪音，對商業活動產生較大的負面影響，影響舒適感和健康。另一方面，引起的地下空間結構振動，也可能導致結構損傷、裂紋甚至沉降。根據《城市區域環境振動標準》(GB 10070—88)[15]和《聲環境質量標準》(GB 3096—2008)[16]，應按2類振動環境標準，即Z振級晝間和夜間分別不大于75 dB和72 dB，環境噪聲等效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，對于現實復雜的情況，古典理論無法從理論上給出合理的解釋。隨著計算機的發展，從古典的車橋振動理論基礎上發展完善了現代車橋振動理論，現代車橋振動理論考慮了橋面不平整度對車輛荷載產生的作用，更接近實際情況。

為了獲得合理的汽車荷載激振源，需要進行現場實測。根據結構動力學可知，結構在動力荷載作用下產生響應可以分為瞬態響應和穩態響應。由于有阻尼的存在，瞬態響應很快會衰減為零，剩下穩態響應如式(1)所示，而穩態響應頻率就是荷載頻率。因此，進行現場實測，能夠獲得車輛荷載產生的真實頻率。

y(t)=ρsin(ωt-θ),

(1)

(2)

式中，y為位移;t為某一時刻點;ρ為穩態振動的振幅；ω為汽車荷載頻率；θ為振動響應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構固有頻率之比。

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構上方浮置板道路的荷載激振數據。

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 測點布置及測試結果

在道路外側行車道邊緣布設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呈現由弱變強再變弱，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 地下空間頂板響應分析

3.1 有限元模型

根據實際工程設計資料，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，地下結構樓板和側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，浮置板地下空間結構的整體模型共7 097節點，7 630單元。

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

3.2 鋼彈簧浮置板模態分析

(1)固有頻率

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

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

(2)整體結構振型

振型是結構體系的固有特性，固有頻率對應1種振型。圖8為浮置板和地下空間整體結構的前6階振型圖。

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

圖8 浮置板和地下空間整體結構前六階振型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據中選取小汽車、小貨車、大貨車和公交車4組數據。采用origin將4組實測數據進行小波降噪。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組數據歸一化，然后乘上(1+沖擊系數)再乘上各種車型的重量，結合工程實際，沖擊系數取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，進行瞬態動力學計算，結構阻尼采用瑞利阻尼，計算得到了車輛荷載作用下有、無浮置板時地下空間結構的振動響應。

圖9 大貨車荷載譜Fig.9 Load spectrum of truck

提取地下空間結構中跨的跨中點計算結果作為地下空間結構頂板的代表點。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構頂板的功能，使頂板從局部受力、振動轉化為整體受力、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

根據我國《城市區域環境振動標準》，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，減振效果滿足規范要求。

4.2 Z振級評價

Z振級VLz為按ISO 2631/1—1985[17]規定的全身振動Z 計權因子(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，結果滿足規范要求。

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HJ 453—2008《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》附錄C.2二次結構噪聲預測，建筑物內室內中部的二次結構噪聲預測計算式為[18]：

(7)

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

各類車型作用下A計權的聲壓級如表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，結果滿足規范要求。

5 結論

為研究番禺萬博商務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，采用現場實測與有限元數值結合方法，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構頂板的振動響應，進一步采用國家現行標準評價了鋼彈簧浮置板的隔振降噪效果。結果表明：

(1)浮置板與地下空間結構合建建筑，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構振動。

(2)汽車荷載產生的激振能量頻段主要集中為10～40 Hz，鋼彈簧浮置板應用于市政道路減振時，結構整體設計頻率宜低于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。