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重的振動與結(jié)構(gòu)噪聲問題。因此需要采用適當?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：酒店房間的二次噪聲測試，評價酒店二次噪聲是否達標。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)限值標準的要求。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)有地毯會嚴重影響振動測試的準確性，故在據(jù)宴會廳不遠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

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)標準，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準》[12]（下稱標準），故振動與噪聲的限值以此標準為準。據(jù)標準規(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。

標準規(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)標準限值。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)標準限制。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)標準，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。標準規(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∶

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。因此可以以此認定在地鐵過車時，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并計算平均值與標準限值進行對比。

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準限值。結(jié)合加速度響應(yīng)時程曲線圖，可以認定地鐵上蓋建筑在使用鋼彈簧隔振支座時，減振效果明顯，且最大振級合乎標準。

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)標準規(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)與噪聲均遠小于現(xiàn)行行業(yè)標準限值，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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