鋼彈簧隔振支座在地鐵上蓋建筑中的應用

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構噪聲影響，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，需要采取相應減振降噪技術措施。文章以成都天府國際機場旅客過夜用房為實例，通過隔振設計、施工及現場振動測試，對鋼彈簧隔振支座在地鐵上蓋建筑的應用進行了研究和工程實踐，現場測試結果表明鋼彈簧隔振支座可以起到很好的減振降噪作用。

【關鍵詞】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展，因此由軌道交通造成的振動和噪聲問題愈發突出[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構噪聲為主。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構噪聲問題。因此需要采用適當的減振措施來控制結構的振動問題。軌道交通系統引起的振動主要以波的形式通過結構以及周邊地層傳播，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，現今大多使用減振扣件[3-4]。二為在受振體處（即受振建筑結構）采取減隔振措施，通過彈性體把軌道結構的上部建筑與基礎完全隔離從而形成一個質量—彈簧系統[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

設外界振動為 Asino1，彈簧剛度為 K， 阻尼為 C，質量為皿， 隔振支座系統原理如圖1所示。

該模式運動方程為式（1）。

根據式（1）可以解得結構位移值，為直觀的看出隔振系統原理，定義隔振系統的傳遞效率7， 為質量塊最大位移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，隔振系統才能起到效果。據申躍奎[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雜時，隔振系統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，地鐵振動呈現高頻，振動造成的影響較大，因此設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可以先于建筑結構產生振動，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立柱采取基礎隔振措施，即把鋼彈簧隔振支座一般放置在建筑物的上部主體結構與基礎之間，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緊，即預壓縮后用產品自帶的預緊螺栓鎖住再送到現場進行安裝，預壓縮的量與將來受到的荷載基本一致。在結構的建設期間，彈簧隔振支座的支承可看做剛性支承，支撐上部結構荷載，在結構竣工后將彈簧釋放，此時彈簧才恢復彈性，隔振系統正式開始工作。

2工程應用實例

2.1工程概況

成都天府國際機場是國家"十三五"規劃中計劃要建設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施，其功能為酒店，位于機場航站區的核心位置，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，位置關系如圖3所示，旅客過夜用房部分柱網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計時速為100 km/h，運行時產生的振動向上傳播，再通過樓板、墻體傳遞振動并產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，隔振區域示意如圖4所示。根據上部荷載，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地鐵線路斷面的振動響應，以便在室內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。文獻[11]研究表明，在地鐵引起的振動影響下，結構的 Z向振級總體呈現逐層增大的趨勢，梁、柱、板節點的振級依次遞增可能超過相關限值標準的要求。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。測試房間區域如圖6所示。

房間內的振動測點均選擇房間靠近中心的區域，因宴會廳地面鋪設有地毯會嚴重影響振動測試的準確性，故在據宴會廳不遠的大堂處進行振動測試。

噪聲測試在房間內采集1 h 的噪聲數據，根據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的振動以及二次噪聲問題僅有行業標準，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。據標準規定，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，室內振動限值如表1所示。

標準規定建筑室內二次輻射噪聲限值如表2所示。

在本次測試建筑物的區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類區域，即居住、文教區標準限值。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類區域，即居住、商業混合區、商業中心區標準限制。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

依據標準，考慮到軌道沿線巖土介質振動傳遞特征，規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。標準規定，測量的鉛錘向振動加速度按表3規定的1/3倍頻程中心頻率的 Z計權因子進行數據處理，按計權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倍頻程帶的計權因數。

噪聲評價方法∶根據規范要求，本振噪聲測試采用如下評價指標∶

等效連續 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大于室內背景噪聲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背景噪聲的差值3 dB（A）以內，而且室內背景噪聲小于限值，則可認為途徑的列車對建筑物室內噪聲并無影響。

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果以加速度響應時程曲線圖一并展示，選擇測量時間段內最典型的部分如圖0～圖16所示。

按照振動響應加速度時程曲線來看，在地鐵過車時隧道內測點加速度響應明顯，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，據研究表明，在結構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，各樓層房間內和宴會廳內住客無法察覺到列車經過，可以保障住客舒適度要求。

依據式（3）計算建筑物室內分頻最大振級VLmax， 將計算結果列于表5、表1并計算平均值與標準限值進行對比。

對表5、表6計算結果與前文振動、噪聲的限值選擇進行對比發現，酒店各樓層房間和宴會廳計算所得值均小于標準限值。結合加速度響應時程曲線圖，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，并根據式（4）計算 L Aeq的值，將計算結果列于表7。

根據標準規定，測試所得二次輻射噪聲測量值與室內背景噪聲的差值均在3 dB（A）以內，而且室內背景噪聲小于限值，因此可以認為途徑的列車對建筑物室內噪聲并無影響。

3結論

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構二次噪聲等問題。本文研究表明，采用鋼彈簧隔振支座后的地鐵上蓋建筑，現場測試后得到的振動響應與噪聲均遠小于現行行業標準限值，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。

參考文獻

[1]劉維寧，馬蒙，劉衛豐，等.我國城市軌道交通環境振動影響的研究現況[J].中國科學：技術科學，2016，46（6）：547-559.

[2]徐志勝.軌道交通輪軌噪聲預測與控制的研究[D].成都：西南交通大學，2004.

[3]王文斌，劉維寧，賈穎絢，等.更換減振扣件前后地鐵運營引起地面振動的研究[J].中國鐵道科學，2010（31）：87-92.

[4]王志強，王安斌，雷濤，等.諧振式浮軌扣件系統減振效果的分析[J].噪聲與振動控制，2014（34）：95-100.

[5]蘇經宇，曾德民.我國建筑結構隔震技術的研究和應用[J].地震工程與工程振動，2001（s1）：94-101.

[6]謝偉平，王政印，孫亮明.地鐵車輛段新型隔振支座的減振效果研究[J].振動與沖擊，2018，37（10）：63-70+93.

[7]陳浩文.厚肉型橡膠隔振支座在地鐵周邊建筑物隔振中的應用[D].北京：清華大學，2014.

[8]何鑒辭，王平，唐劍，等.聚氨酯減振墊與橡膠減振墊浮置板軌道振動控制效果分析[ J].鐵道標準設計， 2018， 62（2）：57-61.

[9]張琦.高速鐵路橡膠浮置板軌道減振研究[D].北京：北京交通大學，2017.

[10]申躍奎.地鐵激勵下振動的傳播規律及建筑物隔振減振研究[D].上海：同濟大學，2007.

[11]凌育洪，吳景壯，馬宏偉.地鐵引起的振動對框架結構的影響及隔振研究-以某教學樓為例[ J].振動與沖擊，2015， 34（4）：184-189.

[12]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：JGJ/T170-2009[s].

[13]折雄雄，陳雋.大跨度樓蓋振動舒適度研究綜述[J].結構工程師，2009，25（6）：144-149.