科學(xué)裝置在城市道路交通影響下不同樁基方案的微振動(dòng)預(yù)測(cè)對(duì)比分析

目前，工程建設(shè)中不乏一些安裝精密設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室等科研建筑，這類建筑對(duì)振動(dòng)的要求往往較高，需滿足特定的項(xiàng)目工藝要求[1]?，F(xiàn)代城市建設(shè)迅猛發(fā)展，城市道路縱橫交錯(cuò)，實(shí)際工程選址又難以避開(kāi)城市軌道交通線路，同時(shí)城市道路交通行車密度高，持時(shí)長(zhǎng)，對(duì)周圍地面和建筑的振動(dòng)影響又較強(qiáng)烈[2-3]，當(dāng)設(shè)計(jì)此類建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對(duì)建筑場(chǎng)地及擬建結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[4]與預(yù)測(cè)分析，根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到規(guī)定的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。

目前預(yù)測(cè)建筑物振動(dòng)響應(yīng)的分析方法包括：理論解析法、數(shù)值分析法[5-12]以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法[13]?？紤]到數(shù)值分析法成本低且應(yīng)用范圍廣，本文采用該方法對(duì)擬建結(jié)構(gòu)在建筑場(chǎng)地的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

采用樁筏基礎(chǔ)可以有效降低科學(xué)裝置中的微振動(dòng)，不同樁基方案的減震效果也有所不同，本文對(duì)不同樁基選型下結(jié)構(gòu)的微振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)對(duì)比分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，對(duì)科學(xué)裝置的樁基選型具有參考意義。

1 工程概況

1.1 振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

擬建科學(xué)裝置建筑場(chǎng)地西、東、南三面臨路，南面臨河。建筑地上 9 層，地下 2 層，是綜合了實(shí)驗(yàn)室、科研辦公、學(xué)術(shù)會(huì)議等功能的科研大樓。由于擬建建筑內(nèi)將安裝精密設(shè)備，其地下室底板有微振動(dòng)控制要求。根據(jù)項(xiàng)目工藝任務(wù)書(shū)要求，地下室底板的 1～100 Hz 位移均方根不大于 150 nm。

1.2 振動(dòng)測(cè)試方案

振動(dòng)測(cè)試共有 13 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中 C1～C8 為外部測(cè)點(diǎn)，C9～C13 為內(nèi)部測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)布置一個(gè)傳感器，用于采集垂直方向地面的速度和位移。

為模擬城市道路交通的極端情況，安排 4 輛土方車（滿載后約 60 t）沿周邊道路行駛，記錄各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，取其中典型 30 s 的位移和速度時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析。

提取靠近道路和河流的四個(gè)測(cè)點(diǎn) C2、C4、C6、C8 的數(shù)據(jù)作為有限元模擬時(shí)的激勵(lì)數(shù)據(jù)，時(shí)程曲線如圖1 所示。

圖1 建筑場(chǎng)地地面垂向速度時(shí)程曲線

2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬采用大型通用有限元軟件 ABAQUS 進(jìn)行三維模型非線性瞬態(tài)動(dòng)力分析，計(jì)算采用隱式動(dòng)力分析方法。

2.1 模型建立

有限元模型土體平面尺寸取 250 m×200 m，土體深度約為 100 m。土體采用三維實(shí)體單元 C3D8R 模擬，土體實(shí)體單元網(wǎng)格尺寸劃分約為 4 m[14]，土體整體模型單元網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 土體三維模型網(wǎng)格劃分

2.2 參數(shù)選取

動(dòng)力作用下，當(dāng)土應(yīng)變?cè)?10-6～10-4范圍（如車輛行駛等引起的振動(dòng)）時(shí)，土顯示出近似彈性的動(dòng)力特性；當(dāng)土應(yīng)變?cè)?10-4～10-2范圍（如打樁、中震等引起的振動(dòng)）時(shí)，土體進(jìn)入彈塑性。由于本文研究工況屬于微振動(dòng)控制范圍，土體應(yīng)變很小，因此本文數(shù)值分析中土體采用線彈性模型分析。

土體的動(dòng)彈性模量、密度、動(dòng)泊松比根據(jù)勘察報(bào)告土體的物理力學(xué)參數(shù)確定，詳見(jiàn)表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

本文土體阻尼比采用經(jīng)驗(yàn)值確定。目前有很多學(xué)者總結(jié)了不同地區(qū)各類土體阻尼比隨剪應(yīng)變變化的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中張亞軍等[15]學(xué)者對(duì)于上海地區(qū)各類土的阻尼比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，研究表明，在低剪應(yīng)變水平（動(dòng)剪切應(yīng)變?cè)?10-6～10-4范圍）下，黏性土的阻尼比可取土體阻尼比為 2%。

2.3 邊界條件

土體外側(cè)四周采用無(wú)限單元模擬土體的半無(wú)限空間體特性；結(jié)構(gòu)地下室外墻及地下室底板與土體相接處采用接觸邊界，結(jié)構(gòu)內(nèi)部梁柱墻板均采用綁定連接；樁與結(jié)構(gòu)底板采用綁定連接，樁與土體采用嵌入約束。

土體為半無(wú)限空間體，分析區(qū)域應(yīng)為無(wú)限大，為節(jié)約計(jì)算成本，本文采用 ABAQUS 提供的無(wú)限元單元模擬結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍以外土體，避免了人工截?cái)嗤馏w邊界而在邊界處產(chǎn)生的波的反射。土體無(wú)限元區(qū)域設(shè)置在土體四周。土體底部采用固結(jié)邊界，約束 UX、UY、UZ 3 個(gè)方向位移。

2.4 加載及分析步

土體表面四周邊界施加現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的垂向激勵(lì)數(shù)據(jù)，激勵(lì)數(shù)據(jù)根據(jù)場(chǎng)地測(cè)點(diǎn) C2、C4、C6、C8 實(shí)測(cè)速度時(shí)程曲線輸入。分析步長(zhǎng)取 0.002 s，分析時(shí)長(zhǎng)取 30 s。

采用更靠近實(shí)驗(yàn)室中心位置的測(cè)點(diǎn) C13 用于測(cè)試數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比。將速度時(shí)程曲線每 10 s 分段處理得到 1～100 Hz 位移均方根結(jié)果，與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。從表中可以看出，3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的位移均方根模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的誤差均不超過(guò) 5%，說(shuō)明數(shù)值模型可以較好的模擬建筑場(chǎng)地的微振動(dòng)。

表2 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3 樁基選型對(duì)比分析

3.1 不同樁基方案擬建結(jié)構(gòu)模型

擬建結(jié)構(gòu)平面尺寸約為 170 m×200 m，樁基混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C35，筏板厚 1 450 mm。地下一層層高 8 m，板厚 300 mm，地下二層層高 10 m，板厚 1 450 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C35。

本文共設(shè)計(jì)了 6 種不同的樁基方案，對(duì)樁長(zhǎng)和樁數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)微振動(dòng)的影響進(jìn)行研究。由于只增加樁長(zhǎng)會(huì)造成較大的浪費(fèi)，因此在增加樁長(zhǎng)時(shí)本文也設(shè)計(jì)了在滿足樁基承載力前提下減少樁數(shù)的方案，以實(shí)現(xiàn)減振效果和經(jīng)濟(jì)性的平衡。各方案樁長(zhǎng)與樁數(shù)見(jiàn)表3。

表3 各方案樁長(zhǎng)與樁數(shù)

梁、柱及樁梁?jiǎn)卧W(wǎng)格尺寸劃分約為2m，板、墻殼單元網(wǎng)格尺寸劃分約為 4 m，結(jié)構(gòu)整體模型單元網(wǎng)格劃分見(jiàn)如圖3 所示，結(jié)構(gòu)-土體相互作用模型約 8.4 萬(wàn)個(gè)單元。

圖3 結(jié)構(gòu)-土體相互作用模型網(wǎng)格劃分

地下室結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型，梁板柱墻均為C35混凝土，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]確定混凝土彈性模量為3.15×106 MPa，泊松比為 0.2，密度為 2 400 kg/m3，阻尼比取為 5%。

3.2 邊界條件

結(jié)構(gòu)地下室外墻及地下室底板與土體相接處采用接觸邊界，結(jié)構(gòu)內(nèi)部梁柱墻板均采用綁定連接；樁與結(jié)構(gòu)底板采用綁定連接，樁與土體采用嵌入約束。

土體表面四周邊界施加現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的垂向激勵(lì)數(shù)據(jù)，分析步長(zhǎng)取 0.002 s，分析時(shí)長(zhǎng)取 30 s。

3.3 微振動(dòng)預(yù)測(cè)對(duì)比分析

采用不同樁基方案結(jié)構(gòu)底板的微振動(dòng)模擬計(jì)算結(jié)果與建筑場(chǎng)地的測(cè)試結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4?？梢钥闯?，重載車輛影響下，除了樁長(zhǎng) 36 m 的兩個(gè)樁基方案在測(cè)點(diǎn) C13 外，不同方案中擬建結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn) 1～100 Hz位移均方根均能滿足不超過(guò) 150 nm 的工藝要求。

表4 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)減振系數(shù) 單位：nm

從測(cè)點(diǎn) C9 和測(cè)點(diǎn) C11 的計(jì)算結(jié)果可以看出，減振系數(shù)最大的并不是樁長(zhǎng)更長(zhǎng)、樁數(shù)更多的方案，而是樁長(zhǎng) 46 m，樁數(shù) 435 根的方案 4，說(shuō)明對(duì)于結(jié)構(gòu)中的某些特定位置，不同樁基方案減振效果的強(qiáng)弱與樁長(zhǎng)和樁數(shù)并非簡(jiǎn)單的正相關(guān)，而是在某一樁長(zhǎng)和樁數(shù)的組合下能夠取得更好地減振效果。對(duì)于測(cè)點(diǎn) 13，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，樁數(shù)越多，減振效果越好，同時(shí)測(cè)點(diǎn)13的計(jì)算結(jié)果明顯高于其他兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)中不同位置在城市道路交通影響下的微振動(dòng)存在明顯差異，建筑中實(shí)驗(yàn)室可以布置在微振動(dòng)更小的區(qū)域。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)某科研大樓場(chǎng)地實(shí)測(cè)振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，利用有限元數(shù)值分析方法模擬該項(xiàng)目建筑場(chǎng)地與擬建結(jié)構(gòu)底板振動(dòng)響應(yīng)情況，對(duì)科學(xué)裝置在城市道路交通影響下不同樁基方案的微振動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)論如下：

（1）通過(guò)對(duì)比科學(xué)裝置建筑場(chǎng)地在城市道路交通影響下微振動(dòng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元模擬結(jié)果，說(shuō)明采用數(shù)值分析方法可以較好的模擬本項(xiàng)目建筑場(chǎng)地微振動(dòng)下的動(dòng)力特性，得到較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。

（2）在樁長(zhǎng)較短時(shí)結(jié)構(gòu)的減振效果較差，對(duì)于本項(xiàng)目，在樁長(zhǎng) 36 m 時(shí)結(jié)構(gòu)中部分位置振動(dòng)不能滿足 1～100 Hz 位移均方根 150 nm 的工藝要求，樁長(zhǎng)不小于 46 m 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)均能滿足要求。

（3）結(jié)構(gòu)中部分位置的減振效果與樁長(zhǎng)和樁數(shù)不是正相關(guān)，樁長(zhǎng) 46 m、樁數(shù) 435 根的方案在部分位置減震效果最好，同時(shí)兼顧了經(jīng)濟(jì)性。

（4）結(jié)構(gòu)中不同位置在城市道路交通影響下的微振動(dòng)存在明顯差異，建筑中實(shí)驗(yàn)室可以布置在微振動(dòng)更小的區(qū)域。

（5）結(jié)構(gòu)建成后，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)目標(biāo)樓板振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的合理性和可行性。