大型交通樞紐結構振動傳播規律及隔振/震措施*

徐 航 荊國強 馬長飛 吳巧云,,3

(1.武漢工程大學土木工程與建筑學院,430073,武漢; 2.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室,430034,武漢;3.中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動重點實驗室,150080,哈爾濱)

0 引言

根據國務院印發的國發[2017]11號《“十三五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》,到2020年,我國將基本建成安全、便捷、高效、綠色的現代綜合交通運輸體系,著力打造一批由多種運輸節點所形成的現代化、立體式綜合交通客運樞紐。2019年建成的北京大興國際機場旅客航站樓及綜合換乘中心,作為“五縱兩橫”綜合交通交匯網絡中心,地下有5條軌道交通線路穿過,共設16個站臺,站臺總寬度為275 m,是全球首個集航空與高鐵、城際鐵路、地鐵、高速公路等多種交通方式為一體的大型綜合立體交通樞紐建筑[1]。綜合交通樞紐的高架層、站臺層與地下層之間可能有高速鐵路、城際鐵路、高速公路客運、城市軌道交通、公共交通、民用航空等多種運輸方式,作為影響結構安全和環境振動與噪聲的主要振源,它們之間相互作用,相互影響,大大加劇了建筑物振動的強度和站內環境噪聲的復雜程度[2]。本文介紹了綜合交通樞紐結構受環境振動影響及相應減隔振/震措施的相關研究,可為大跨空間結構、交通樞紐結構等建筑物的減隔振/震設計、裝置研發等提供工程經驗。

1 振動舒適度

文獻[3-4]對某大型樞紐車站的交通振動響應進行現場實測后發現:由地鐵列車引起的站臺層振動響應超過了美國鋼結構協會ANSI/AISC-360—2010《美國建筑鋼結構設計規范》的振動限值;當高鐵列車低速從6號股道進出車站時,候車層的最大Z振級超過了GB 1007—1988《城市區域環境振動標準》要求的限值,若列車高速通過則會產生更大的振動響應。由于人體各種器官的共振頻率主要集中在1～80 Hz[5],由交通運輸引起的振動及其二次結構噪聲會對人體的舒適度產生嚴重影響,甚至引發失眠、煩躁等癥狀。另外,由交通運輸引起的振動可能引起周邊建筑物結構長期反復的應力集中和動力疲勞等現象,過大幅值的反復振動甚至會導致地基不均勻沉降、場地液化和基礎整體下沉等一系列工程問題[6]。例如,上海軌道交通8號線下穿位于虹口區魯迅公園板塊的某小區,因列車振動造成了該小區房屋的水平變形[7]。大型綜合交通樞紐結構作為城市布局的重要組成,其具有投資成本高、建設規模龐大、使用功能繁雜等特點,在復雜的多重立體交通振動條件下,如何保證其免遭振動破壞并確保使用舒適性是一個較難的工程問題。

目前,關于多重振源所導致的綜合交通樞紐結構的減隔振研究較少,現有研究多集中于由地鐵列車引起的地面建筑環境振動控制。對于大型綜合交通樞紐結構,由各種交通運輸方式振源誘發的環境振動頻率范圍有所不同[8](見表1),因此有必要發展較寬頻帶內高效的豎向隔振技術。綜合交通樞紐一般為人流密集的大跨度空間結構,其抗震設防要求較高,設計時需考慮水平和豎向的地震動加速度影響。為確保這類建筑正常運營時的振動舒適度能夠兼顧地震安全性,對綜合交通樞紐結構在多重振源共同作用下的多頻段三維復合隔震減振研究,具有重要的理論研究意義和工程應用價值。

表1 不同交通運輸方式振源誘發的地面環境豎向振動頻率范圍[8]

2 建筑環境振動傳播規律

2.1 振動響應實測研究

早期研究主要集中在地鐵列車運行所誘發的地面環境振動測試。文獻[9-10]分別以日本和北美地區的軌道交通系統為例進行地面環境振動測試,由測試結果可知,影響振動的主要因素有振源至敏感點的距離、背景振動、軌道類型、列車類型及列車運行速度等。文獻[11]對地鐵運行產生的振動頻譜進行試驗研究后發現,振源處的振動頻率以運行列車的自振頻率為主,非振源處(如敏感建筑物)的振動頻率由建筑物自身的振動特性所決定。文獻[12]以北京地鐵隧道為例,研究隧道內的振動衰減情況,由試驗結果可知,相較于低頻振動,高頻振動的衰減更快。

隨著人們生活水平的改善和對建筑物使用功能要求的提高,由交通運輸引起的周邊建筑環境振動,尤其是地鐵運行引起的周邊建筑環境振動問題已經獲得了越來越多的關注。在由地鐵運行引起的振動對建筑物的響應實測方面,目前已有研究以分析振動在建筑物中的衰減規律和振動特性為主。文獻[13]對廣州某地鐵站進行了地面和附近三層建筑物內部振動和噪聲的現場測試,發現在測試線路附近的地面和建筑物內部的垂直振動明顯大于水平振動。文獻[14-15]通過對上海某段地鐵隧道內的三向環境振動進行監測,分析隧道內、自由場地和地面建筑物的振動頻譜特性及振動傳遞規律。文獻[16]對莫斯科某地鐵線路附近的一座6層建筑物的地面、建筑基礎、樓層輪廓和中間跨的振動情況進行了現場測試,計算并求出了相似建筑物和周圍地面垂直振動的傳遞系數。文獻[17-18]以北京地鐵某線路周邊的磚混結構為例,研究了建筑物場地內的振動情況,分析發現其豎向振動響應要顯著大于水平向振動響應。文獻[19-20]采用了現場振動測試的方法,對南京地鐵1號線及4號線運行對鄰近民國建筑物和鼓樓產生的不利影響進行了研究。

除了地鐵振動響應測試外,有學者對高鐵、輕軌、公路等交通振源進行了地面振動響應實測,發現不同振源誘發地面環境振動的頻率范圍有所不同,且交通振動主要以豎向振動為主。文獻[21]在距輕軌列車軌道中心線0、8 m、16 m和32 m處采集了不同列車運行速度下的場地振動數據,并對其進行了時域分析、頻譜分析和1/3倍頻程曲線分析。文獻[22]實測了廣州市南大路和番禺大道北輔路在4種車輛混合通行工況下的市政道路路面振動加速度,研究表明汽車荷載激勵以豎向振動為主,頻率主要分布在5～40 Hz。已有文獻關于除地鐵外的其他交通振源的振動響應實測較少,且鮮見其誘發鄰近建筑物的振動響應研究。

相比之下,關于多重交通振源誘發地面或周邊建筑物環境振動的實測研究更為少見。文獻[23]對北京地鐵2號線某典型區間段進行了現場測試,評估了在既有地鐵交通和路面交通作用下沿線鄰近古建筑物的振動響應。測試結果表明:地鐵交通和路面交通引起的結構響應主要頻段分別為40～90 Hz和10～20 Hz,且路面交通引起的振動加速度在一定范圍內可能會出現放大現象。文獻[24]為評價地鐵列車和道路車輛運行對環境的振動影響,選取北京地鐵1號線及4號線某區間段,對地鐵列車與公交車單獨引起的振動和兩者疊加振動進行了現場測試,研究表明在距離地鐵隧道中心線一定范圍內,公交車引起的振動對沿線居民的影響要強于地鐵列車引起的振動影響。文獻[25]對美國波士頓地區鐵路及地鐵引起的周圍地面環境振動特性進行了測試研究,研究表明距軌道中心線25 m范圍內的振動速度級隨著軌道與中心線距離的增大而減小,減小幅度約為1 dB/m。綜上所述,多重振源對地面建筑物的環境振動與單一振源的振動響應明顯有所不同,且低頻振源在與高頻振源疊加時會出現放大現象,因此目前對于多重振源共同作用下的環境振動進行研究顯得尤為重要。

2.2 振動響應預測研究

通常情況下,在地鐵或鐵路線路的設計之初需對該類交通產生的振動影響進行充分考慮,如基于經驗模型考慮受振體與振源的距離、列車運行速度、振動衰減程度等因素,預測出實際的結構振動有效值[26]。目前,使用較為普遍的是美國聯邦鐵路局基于以往實測列車運行引起的地面振動級數據所提出的振動-距離調整曲線。在我國制定的HJ 453—2018《環境影響評價技術導則 城市軌道交通》中也給出了地鐵列車運行引起的環境振動衰減的定量預測公式。但從現階段行業的研究進程來看,經驗模型較難對振動頻率范圍進行精確的預測。由交通振源造成的影響與其相應的振動頻率密切相關,而振動頻率的主要范圍對減隔振方式的設計有重要的影響,因此國內外均基于理論推導和數值模擬等方法,嘗試對振動較為敏感的區域進行精確的預測。

利用傳遞函數方法預測建筑物內交通環境振動的研究較為常見。文獻[27]利用傳遞函數預測地鐵列車引起的地面振動對建筑物內部的影響,提出在已知建筑物外地振動的情況下,通過了解建筑物的傳遞函數可以預測類似建筑物內的振動響應。文獻[28]對北京地鐵4號線的列車運行情況進行了現場實測,同時考慮了北京大學物理實驗室內精密儀器所受到的振動影響程度,提出可以將振動預測問題歸結到計算頻率-波數域內的傳遞函數,以及頻域內的移動軸荷載問題。

數值模型也是一種較為成熟的預測建筑物內振動的方法。為了研究地鐵列車運行對古建筑物的影響,文獻[29]基于2.5D有限元模型模擬列車-軌道-地基土體結構,并利用3D有限元模型模擬建筑物結構,預測由地鐵列車運行引起的建筑物振動。文獻[30]建立了直接固定軌道和鋼彈簧浮動板式軌道的2D和3D預測模型,研究地鐵運行產生的環境振動對上蓋建筑物的影響。文獻[31-32]建立了列車-軌道-隧道-土體-建筑物3D模型,分別對成都某紀念碑和西安鐘樓進行了振動響應預測分析。文獻[33-34]建立了車軌垂向耦合振動數值分析模型和隧道-土體-建筑物有限元模型,以及車輛-軌道-高架橋-基礎-地基-建筑物耦合的大型三維有限元分析模型,獲得了不同工況下地鐵列車運行引起地面及鄰近建筑結構的振動特征。

大型綜合交通樞紐結構容納了多種交通工具,而交通振源引起的振動響應對站房結構安全性和人體舒適度的影響,使得該類大型綜合交通樞紐結構在設計時必須要考慮到振動控制方面的問題。為了研究綜合交通樞紐在列車荷載下的振動響應規律,文獻[35-36]分別以重慶市沙坪壩區和南昌市南昌西站綜合交通樞紐結構等為例,通過振動響應實測及有限元模型研究了站房結構及站臺層等建筑物,在不同車速和不同線路工況下高鐵過站時的振動響應規律。

由此可見,交通振源引起的建筑物環境振動傳播規律研究大都集中于對地鐵、高鐵等單一振源對鄰近住宅、古建筑物、磚混結構等影響的實測或預測研究,鮮見不同交通振源共同作用下的環境振動相關研究,尤其缺少對綜合交通樞紐結構在多重立體交通共同作用下的振動傳播規律及耦合效應研究。

3 建筑物環境振動的隔振/震措施

3.1 豎向隔振/震研究

交通振源引起的鄰近建筑物的振動控制措施之一便是建筑物隔振/震措施。文獻[37]采用碟形彈簧隔震裝置來有效隔離豎向地震動。文獻[38-39]研究了厚肉型橡膠支座在地鐵沿線建筑物中對地鐵減振的有效性。文獻[40]提出了一種豎向隔振支座,分析了支座性能參數并給出了支座豎向拉、壓剛度的計算方法,以研究地鐵隧道內的豎向振動影響其上蓋建筑物舒適度的問題。

綜上所述,目前國內外對交通振源引起的鄰近建筑物減隔振/震研究還相對較少,主要集中于軌道交通沿線建筑物單一振源振動下的響應研究,多重交通振源誘發環境振動的綜合交通樞紐結構減隔振/震研究較少。

3.2 三維復合隔振/震研究

由于地震作用是三維的,水平震動和豎向震動的共同作用是建筑物結構倒塌或破壞的主要誘因。隔震結構是指在建筑物上部結構與基礎之間設置隔震層,以延長整個結構體系的自振周期,增大阻尼,減小輸入上部結構的地震作用。目前的三維隔震技術主要是隔離水平向和豎向的地震動[41-42],而由交通振源引起的豎向振動,其振動特性和傳播路徑有所不同,因此地震動的相關理論及隔震裝置均不能直接應用?？紤]地震與環境振動的混合作用,為了同時實現水平隔震和豎向地鐵隔振,部分學者基于水平隔震支座(普通橡膠支座或鉛芯橡膠支座等)和豎向隔振支座(厚肉型橡膠或蝶形彈簧等) 等不同串并聯連接方式,提出了三維復合隔振/震裝置,如圖1所示,并基于隔振/震裝置的力學性能開展三維隔振/震研究。文獻[43]介紹了一種由連接件、豎向隔振支座(多層厚橡膠體)和水平隔震支座(普通橡膠支座或鉛芯橡膠支座等)串聯組成的三維隔振/震支座(見圖1 a))。文獻[44]提出了一種由普通橡膠支座與橡膠滑板支座并聯而成的三維隔振/震支座。文獻[45-47]設計了幾種由橡膠支座和碟形彈簧串聯所組成的三維多功能隔振/震支座。

a) 三維隔振/震支座[43]

綜上所述,國內外對于三維復合隔振/震的研究相對較少,大多數研究主要集中于軌道交通沿線或上蓋建筑物的地鐵振動隔振,且主要集中在對所提隔振/震裝置力學性能和減隔振/震效應的試驗研究?？傮w而言,對三維復合隔振/震理論及技術的研究還不夠深入,三維復合隔振/震的應用還未普及并形成相關體系,相關裝置的研發及其減振機理、力學性能、理論模型等仍是亟待解決的關鍵問題。

4 未來研究方向

通過文獻調研可以發現,環境振動對于周邊建筑物的振動傳播規律、三維隔振/震等研究方面已經取得了一定的研究成果,但成果較為有限,且關于多重振源共同作用下的綜合交通樞紐結構振動特性和減隔振/震方式的研究尤為少見。各類大跨度綜合交通樞紐結構的大量建設,對其建筑物結構在多重振源交互作用下的振動響應規律和振動控制的研究又有迫切的需求,因此未來的研究方向可能有:

1) 通過振動預測分析、振動響應實測及數值模擬等方式,開展綜合交通樞紐建筑物結構中不同交通振源共同作用下的振動傳播規律及耦合效應研究。

2) 采用多頻段三維復合隔振/震方法研究綜合交通樞紐建筑物結構的力學性能和減振/震機理。

5 結語

本文主要介紹了由不同交通運輸方式引起的環境振動傳播規律,以及軌道交通沿線建筑物和交通樞紐結構所采用的減隔振/震裝置的研究現狀,總結了近年來國內外學者在相關領域的研究進展及現有研究的局限性,提出了大型綜合交通樞紐結構在地震動與環境振動多維控制方面的未來研究方向,對大型綜合交通樞紐引起的環境振動預測、評價和控制有一定的參考作用。