大型交通樞紐結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳播規(guī)律及隔振/震措施*

徐 航 荊國強(qiáng) 馬長飛 吳巧云,,3

(1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,430073,武漢; 2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,430034,武漢;3.中國地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,150080,哈爾濱)

0 引言

根據(jù)國務(wù)院印發(fā)的國發(fā)[2017]11號《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》,到2020年,我國將基本建成安全、便捷、高效、綠色的現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系,著力打造一批由多種運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)所形成的現(xiàn)代化、立體式綜合交通客運(yùn)樞紐。2019年建成的北京大興國際機(jī)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(wǎng)絡(luò)中心,地下有5條軌道交通線路穿過,共設(shè)16個(gè)站臺,站臺總寬度為275 m,是全球首個(gè)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(yùn)、城市軌道交通、公共交通、民用航空等多種運(yùn)輸方式,作為影響結(jié)構(gòu)安全和環(huán)境振動(dòng)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(dòng)的強(qiáng)度和站內(nèi)環(huán)境噪聲的復(fù)雜程度[2]。本文介紹了綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)受環(huán)境振動(dòng)影響及相應(yīng)減隔振/震措施的相關(guān)研究,可為大跨空間結(jié)構(gòu)、交通樞紐結(jié)構(gòu)等建筑物的減隔振/震設(shè)計(jì)、裝置研發(fā)等提供工程經(jīng)驗(yàn)。

1 振動(dòng)舒適度

文獻(xiàn)[3-4]對某大型樞紐車站的交通振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測后發(fā)現(xiàn):由地鐵列車引起的站臺層振動(dòng)響應(yīng)超過了美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)ANSI/AISC-360—2010《美國建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的振動(dòng)限值;當(dāng)高鐵列車低速從6號股道進(jìn)出車站時(shí),候車層的最大Z振級超過了GB 1007—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》要求的限值,若列車高速通過則會(huì)產(chǎn)生更大的振動(dòng)響應(yīng)。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(yùn)輸引起的振動(dòng)及其二次結(jié)構(gòu)噪聲會(huì)對人體的舒適度產(chǎn)生嚴(yán)重影響,甚至引發(fā)失眠、煩躁等癥狀。另外,由交通運(yùn)輸引起的振動(dòng)可能引起周邊建筑物結(jié)構(gòu)長期反復(fù)的應(yīng)力集中和動(dòng)力疲勞等現(xiàn)象,過大幅值的反復(fù)振動(dòng)甚至?xí)?dǎo)致地基不均勻沉降、場地液化和基礎(chǔ)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(qū)魯迅公園板塊的某小區(qū),因列車振動(dòng)造成了該小區(qū)房屋的水平變形[7]。大型綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)作為城市布局的重要組成,其具有投資成本高、建設(shè)規(guī)模龐大、使用功能繁雜等特點(diǎn),在復(fù)雜的多重立體交通振動(dòng)條件下,如何保證其免遭振動(dòng)破壞并確保使用舒適性是一個(gè)較難的工程問題。

目前,關(guān)于多重振源所導(dǎo)致的綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)的減隔振研究較少,現(xiàn)有研究多集中于由地鐵列車引起的地面建筑環(huán)境振動(dòng)控制。對于大型綜合交通樞紐結(jié)構(gòu),由各種交通運(yùn)輸方式振源誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)頻率范圍有所不同[8](見表1),因此有必要發(fā)展較寬頻帶內(nèi)高效的豎向隔振技術(shù)。綜合交通樞紐一般為人流密集的大跨度空間結(jié)構(gòu),其抗震設(shè)防要求較高,設(shè)計(jì)時(shí)需考慮水平和豎向的地震動(dòng)加速度影響。為確保這類建筑正常運(yùn)營時(shí)的振動(dòng)舒適度能夠兼顧地震安全性,對綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)在多重振源共同作用下的多頻段三維復(fù)合隔震減振研究,具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

表1 不同交通運(yùn)輸方式振源誘發(fā)的地面環(huán)境豎向振動(dòng)頻率范圍[8]

2 建筑環(huán)境振動(dòng)傳播規(guī)律

2.1 振動(dòng)響應(yīng)實(shí)測研究

早期研究主要集中在地鐵列車運(yùn)行所誘發(fā)的地面環(huán)境振動(dòng)測試。文獻(xiàn)[9-10]分別以日本和北美地區(qū)的軌道交通系統(tǒng)為例進(jìn)行地面環(huán)境振動(dòng)測試,由測試結(jié)果可知,影響振動(dòng)的主要因素有振源至敏感點(diǎn)的距離、背景振動(dòng)、軌道類型、列車類型及列車運(yùn)行速度等。文獻(xiàn)[11]對地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)頻譜進(jìn)行試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn),振源處的振動(dòng)頻率以運(yùn)行列車的自振頻率為主,非振源處(如敏感建筑物)的振動(dòng)頻率由建筑物自身的振動(dòng)特性所決定。文獻(xiàn)[12]以北京地鐵隧道為例,研究隧道內(nèi)的振動(dòng)衰減情況,由試驗(yàn)結(jié)果可知,相較于低頻振動(dòng),高頻振動(dòng)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(yùn)輸引起的周邊建筑環(huán)境振動(dòng),尤其是地鐵運(yùn)行引起的周邊建筑環(huán)境振動(dòng)問題已經(jīng)獲得了越來越多的關(guān)注。在由地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)對建筑物的響應(yīng)實(shí)測方面,目前已有研究以分析振動(dòng)在建筑物中的衰減規(guī)律和振動(dòng)特性為主。文獻(xiàn)[13]對廣州某地鐵站進(jìn)行了地面和附近三層建筑物內(nèi)部振動(dòng)和噪聲的現(xiàn)場測試,發(fā)現(xiàn)在測試線路附近的地面和建筑物內(nèi)部的垂直振動(dòng)明顯大于水平振動(dòng)。文獻(xiàn)[14-15]通過對上海某段地鐵隧道內(nèi)的三向環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測,分析隧道內(nèi)、自由場地和地面建筑物的振動(dòng)頻譜特性及振動(dòng)傳遞規(guī)律。文獻(xiàn)[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(chǔ)、樓層輪廓和中間跨的振動(dòng)情況進(jìn)行了現(xiàn)場測試,計(jì)算并求出了相似建筑物和周圍地面垂直振動(dòng)的傳遞系數(shù)。文獻(xiàn)[17-18]以北京地鐵某線路周邊的磚混結(jié)構(gòu)為例,研究了建筑物場地內(nèi)的振動(dòng)情況,分析發(fā)現(xiàn)其豎向振動(dòng)響應(yīng)要顯著大于水平向振動(dòng)響應(yīng)。文獻(xiàn)[19-20]采用了現(xiàn)場振動(dòng)測試的方法,對南京地鐵1號線及4號線運(yùn)行對鄰近民國建筑物和鼓樓產(chǎn)生的不利影響進(jìn)行了研究。

除了地鐵振動(dòng)響應(yīng)測試外,有學(xué)者對高鐵、輕軌、公路等交通振源進(jìn)行了地面振動(dòng)響應(yīng)實(shí)測,發(fā)現(xiàn)不同振源誘發(fā)地面環(huán)境振動(dòng)的頻率范圍有所不同,且交通振動(dòng)主要以豎向振動(dòng)為主。文獻(xiàn)[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(yùn)行速度下的場地振動(dòng)數(shù)據(jù),并對其進(jìn)行了時(shí)域分析、頻譜分析和1/3倍頻程曲線分析。文獻(xiàn)[22]實(shí)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(dòng)加速度,研究表明汽車荷載激勵(lì)以豎向振動(dòng)為主,頻率主要分布在5～40 Hz。已有文獻(xiàn)關(guān)于除地鐵外的其他交通振源的振動(dòng)響應(yīng)實(shí)測較少,且鮮見其誘發(fā)鄰近建筑物的振動(dòng)響應(yīng)研究。

相比之下,關(guān)于多重交通振源誘發(fā)地面或周邊建筑物環(huán)境振動(dòng)的實(shí)測研究更為少見。文獻(xiàn)[23]對北京地鐵2號線某典型區(qū)間段進(jìn)行了現(xiàn)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(dòng)響應(yīng)。測試結(jié)果表明:地鐵交通和路面交通引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要頻段分別為40～90 Hz和10～20 Hz,且路面交通引起的振動(dòng)加速度在一定范圍內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)放大現(xiàn)象。文獻(xiàn)[24]為評價(jià)地鐵列車和道路車輛運(yùn)行對環(huán)境的振動(dòng)影響,選取北京地鐵1號線及4號線某區(qū)間段,對地鐵列車與公交車單獨(dú)引起的振動(dòng)和兩者疊加振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試,研究表明在距離地鐵隧道中心線一定范圍內(nèi),公交車引起的振動(dòng)對沿線居民的影響要強(qiáng)于地鐵列車引起的振動(dòng)影響。文獻(xiàn)[25]對美國波士頓地區(qū)鐵路及地鐵引起的周圍地面環(huán)境振動(dòng)特性進(jìn)行了測試研究,研究表明距軌道中心線25 m范圍內(nèi)的振動(dòng)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(huán)境振動(dòng)與單一振源的振動(dòng)響應(yīng)明顯有所不同,且低頻振源在與高頻振源疊加時(shí)會(huì)出現(xiàn)放大現(xiàn)象,因此目前對于多重振源共同作用下的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行研究顯得尤為重要。

2.2 振動(dòng)響應(yīng)預(yù)測研究

通常情況下,在地鐵或鐵路線路的設(shè)計(jì)之初需對該類交通產(chǎn)生的振動(dòng)影響進(jìn)行充分考慮,如基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂紤]受振體與振源的距離、列車運(yùn)行速度、振動(dòng)衰減程度等因素,預(yù)測出實(shí)際的結(jié)構(gòu)振動(dòng)有效值[26]。目前,使用較為普遍的是美國聯(lián)邦鐵路局基于以往實(shí)測列車運(yùn)行引起的地面振動(dòng)級數(shù)據(jù)所提出的振動(dòng)-距離調(diào)整曲線。在我國制定的HJ 453—2018《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 城市軌道交通》中也給出了地鐵列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)衰減的定量預(yù)測公式。但從現(xiàn)階段行業(yè)的研究進(jìn)程來看,經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^難對振動(dòng)頻率范圍進(jìn)行精確的預(yù)測。由交通振源造成的影響與其相應(yīng)的振動(dòng)頻率密切相關(guān),而振動(dòng)頻率的主要范圍對減隔振方式的設(shè)計(jì)有重要的影響,因此國內(nèi)外均基于理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬等方法,嘗試對振動(dòng)較為敏感的區(qū)域進(jìn)行精確的預(yù)測。

利用傳遞函數(shù)方法預(yù)測建筑物內(nèi)交通環(huán)境振動(dòng)的研究較為常見。文獻(xiàn)[27]利用傳遞函數(shù)預(yù)測地鐵列車引起的地面振動(dòng)對建筑物內(nèi)部的影響,提出在已知建筑物外地振動(dòng)的情況下,通過了解建筑物的傳遞函數(shù)可以預(yù)測類似建筑物內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)。文獻(xiàn)[28]對北京地鐵4號線的列車運(yùn)行情況進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測,同時(shí)考慮了北京大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)精密儀器所受到的振動(dòng)影響程度,提出可以將振動(dòng)預(yù)測問題歸結(jié)到計(jì)算頻率-波數(shù)域內(nèi)的傳遞函數(shù),以及頻域內(nèi)的移動(dòng)軸荷載問題。

數(shù)值模型也是一種較為成熟的預(yù)測建筑物內(nèi)振動(dòng)的方法。為了研究地鐵列車運(yùn)行對古建筑物的影響,文獻(xiàn)[29]基于2.5D有限元模型模擬列車-軌道-地基土體結(jié)構(gòu),并利用3D有限元模型模擬建筑物結(jié)構(gòu),預(yù)測由地鐵列車運(yùn)行引起的建筑物振動(dòng)。文獻(xiàn)[30]建立了直接固定軌道和鋼彈簧浮動(dòng)板式軌道的2D和3D預(yù)測模型,研究地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)對上蓋建筑物的影響。文獻(xiàn)[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(jì)念碑和西安鐘樓進(jìn)行了振動(dòng)響應(yīng)預(yù)測分析。文獻(xiàn)[33-34]建立了車軌垂向耦合振動(dòng)數(shù)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(chǔ)-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(yùn)行引起地面及鄰近建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特征。

大型綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)容納了多種交通工具,而交通振源引起的振動(dòng)響應(yīng)對站房結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到振動(dòng)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(dòng)響應(yīng)規(guī)律,文獻(xiàn)[35-36]分別以重慶市沙坪壩區(qū)和南昌市南昌西站綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)等為例,通過振動(dòng)響應(yīng)實(shí)測及有限元模型研究了站房結(jié)構(gòu)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(shí)的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。

由此可見,交通振源引起的建筑物環(huán)境振動(dòng)傳播規(guī)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(jié)構(gòu)等影響的實(shí)測或預(yù)測研究,鮮見不同交通振源共同作用下的環(huán)境振動(dòng)相關(guān)研究,尤其缺少對綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)在多重立體交通共同作用下的振動(dòng)傳播規(guī)律及耦合效應(yīng)研究。

3 建筑物環(huán)境振動(dòng)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(dòng)控制措施之一便是建筑物隔振/震措施。文獻(xiàn)[37]采用碟形彈簧隔震裝置來有效隔離豎向地震動(dòng)。文獻(xiàn)[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(xiàn)[40]提出了一種豎向隔振支座,分析了支座性能參數(shù)并給出了支座豎向拉、壓剛度的計(jì)算方法,以研究地鐵隧道內(nèi)的豎向振動(dòng)影響其上蓋建筑物舒適度的問題。

綜上所述,目前國內(nèi)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(dòng)下的響應(yīng)研究,多重交通振源誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)的綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)減隔振/震研究較少。

3.2 三維復(fù)合隔振/震研究

由于地震作用是三維的,水平震動(dòng)和豎向震動(dòng)的共同作用是建筑物結(jié)構(gòu)倒塌或破壞的主要誘因。隔震結(jié)構(gòu)是指在建筑物上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層,以延長整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期,增大阻尼,減小輸入上部結(jié)構(gòu)的地震作用。目前的三維隔震技術(shù)主要是隔離水平向和豎向的地震動(dòng)[41-42],而由交通振源引起的豎向振動(dòng),其振動(dòng)特性和傳播路徑有所不同,因此地震動(dòng)的相關(guān)理論及隔震裝置均不能直接應(yīng)用。考慮地震與環(huán)境振動(dòng)的混合作用,為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)水平隔震和豎向地鐵隔振,部分學(xué)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(lián)連接方式,提出了三維復(fù)合隔振/震裝置,如圖1所示,并基于隔振/震裝置的力學(xué)性能開展三維隔振/震研究。文獻(xiàn)[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(lián)組成的三維隔振/震支座(見圖1 a))。文獻(xiàn)[44]提出了一種由普通橡膠支座與橡膠滑板支座并聯(lián)而成的三維隔振/震支座。文獻(xiàn)[45-47]設(shè)計(jì)了幾種由橡膠支座和碟形彈簧串聯(lián)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(nèi)外對于三維復(fù)合隔振/震的研究相對較少,大多數(shù)研究主要集中于軌道交通沿線或上蓋建筑物的地鐵振動(dòng)隔振,且主要集中在對所提隔振/震裝置力學(xué)性能和減隔振/震效應(yīng)的試驗(yàn)研究?？傮w而言,對三維復(fù)合隔振/震理論及技術(shù)的研究還不夠深入,三維復(fù)合隔振/震的應(yīng)用還未普及并形成相關(guān)體系,相關(guān)裝置的研發(fā)及其減振機(jī)理、力學(xué)性能、理論模型等仍是亟待解決的關(guān)鍵問題。

4 未來研究方向

通過文獻(xiàn)調(diào)研可以發(fā)現(xiàn),環(huán)境振動(dòng)對于周邊建筑物的振動(dòng)傳播規(guī)律、三維隔振/震等研究方面已經(jīng)取得了一定的研究成果,但成果較為有限,且關(guān)于多重振源共同作用下的綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(jié)構(gòu)的大量建設(shè),對其建筑物結(jié)構(gòu)在多重振源交互作用下的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律和振動(dòng)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(dòng)預(yù)測分析、振動(dòng)響應(yīng)實(shí)測及數(shù)值模擬等方式,開展綜合交通樞紐建筑物結(jié)構(gòu)中不同交通振源共同作用下的振動(dòng)傳播規(guī)律及耦合效應(yīng)研究。

2) 采用多頻段三維復(fù)合隔振/震方法研究綜合交通樞紐建筑物結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和減振/震機(jī)理。

5 結(jié)語

本文主要介紹了由不同交通運(yùn)輸方式引起的環(huán)境振動(dòng)傳播規(guī)律,以及軌道交通沿線建筑物和交通樞紐結(jié)構(gòu)所采用的減隔振/震裝置的研究現(xiàn)狀,總結(jié)了近年來國內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展及現(xiàn)有研究的局限性,提出了大型綜合交通樞紐結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)與環(huán)境振動(dòng)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(huán)境振動(dòng)預(yù)測、評價(jià)和控制有一定的參考作用。