地鐵周邊建筑物設置碟形彈簧豎向減振效果

賈孝東，張玉敏，蘭壯志

（華北理工大學河北省地震工程研究中心，河北唐山063009）

地鐵周邊建筑物設置碟形彈簧豎向減振效果

賈孝東，張玉敏，蘭壯志

（華北理工大學河北省地震工程研究中心，河北唐山063009）

加速度；位移；自振周期；碟形彈簧；隔振效果

利用有限元分析軟件SAP2000建立碟形彈簧隔振支座及上部框架結構模型，通過ADINA軟件模擬了地鐵列車運行，得到其地面附近振動加速度并輸入結構模型。通過對比隔振前后框架結構自振周期和樓層豎向加速度，分析碟形彈簧的隔振效果。計算結果表明：碟形彈簧隔振支座可使上部框架結構的周期變長，豎向加速度大幅減少，豎向隔振效率可達40%～80%。樓層最大水平位沒有明顯變化，豎向位移由于剛度減小而增大。

0 引言

地鐵作為緩解城市交通壓力的最有效方式之一，近年來得到迅猛發展［1－2］，但是當地鐵穿過居民區、醫院、科研所區域時，由于列車車輪與軌道接觸問題而會產生的不可避免的振動，這種振動經大地土體向四周擴散，引發地上結構的二次振動和噪聲，對處在近距離范圍內的建筑物及其內部人員產生重大影響［3－5］。

為降低地鐵運行振動對周邊建筑物所造成的影響，近年來開發和研究了許多相應的減振技術方法，這些方法可分為軌道隔振和建筑物減振兩大類。在建筑物減振方面，由于地鐵對建筑物的振動影響以豎向為主，因此需要選擇能夠減弱豎向振動的支座。而碟形彈簧隔振支座性能穩定、結構緊湊、緩沖吸振能力強、加工制作容易，因此采用碟形彈簧支座進行基底減振有著廣闊前景。該項研究利用結構有限元分析軟件SAP2000，建立一座帶有碟形彈簧豎向隔振支座結構的分析模型，分析其在地鐵隧道附近地面振動作用下的動力反應，評價碟形彈簧支座的隔振效果。

1 地鐵運行引發地面振動

1．1 周圍土體有限元模型

由于地鐵運行引起的振動位移屬微幅振動，材料的變形處于彈性，因此地基模型取長為200m，寬為100m，深為50m，地基土采用線彈性材料，同時對地基模型進行相應簡化。地基模型具體參數如表1所示；其中隧道襯砌采用C30混凝土，厚度為300mm。ADINA地基模型X－Y截面如圖1所示。

表1 土層參數

圖1 地基模型X－Y截面圖

1．2地鐵車輪激勵荷載

地鐵采用3動3拖的6車編組形式，即Tc—Mp—M—T—Mp—Tc，如圖2所示。Tc、T分別是帶司機室和不帶司機室的拖車，Mp、M分別是帶受電弓和不帶受電弓的動車，地鐵B型車軸重不超過14t，車長為19．52m。

圖2 地鐵列車編組示意圖

由于列車荷載是通過鋼軌傳遞到枕軌再傳遞下去，根據相關資料，可用一個能反映軌道不平順，附加動載的激振力函數來模擬列車的單邊輪載。其表達式為［6－8］：

其中F（t）單位為N。加載示意圖如圖3所示（Z－Y平面）：

圖3 地鐵車輪激勵荷載示意圖

1．3列車運行引起地面振動的分析結果

圖4 隧道側上方地面一點加速度

對該三維有限元進行動力分析，并提取隧道側上方地面一點的加速度，如圖4所示：從圖4可以看出，此加速度一直增長到峰值為0．16m·s－2后開始衰減，且增長與衰減呈對稱關系。不同粘土層的振動傳播及衰減規律如圖5所示：

圖5 不同填土層豎向加速度

從圖5可以看出，在彈性模量較小的軟土層中，加速度幅值大，振動衰減慢；而在彈性模量較大的硬土層中加速度幅值小，衰減也快。因此在地鐵設計時，應對隧道周圍土體尤其上下部地基土體采取一定的加固措施。

2 隔振體系

2．1 隔振原理

隔振的本質和目的就是將結構與可能引起破壞的地面運動盡可能分離開來，要達到這個目的，一般通過降低某部分構件的剛度延長結構的基本周期，避開能量集中范圍，來降低結構的振動慣性力，但是結構自振周期延長的同時必然伴隨著結構位移的增大，這時增加構件的阻尼可以減低位移值，但是阻尼系數值太大時，也會降低減振效果，通常是通過對剛度值及阻尼系數值的組合反復對比后才能取得最優的隔振效果［4］。

2．2 碟形彈簧支座設計

碟形彈簧的結構簡圖如圖6所示，其主要尺寸有外徑D、內徑d、外高H、內高h和厚度δ。

圖6 碟形彈簧結構簡圖

已有研究表明，地鐵運行引起的地面振動以豎向振動為主［6］，因此采用碟形彈簧隔振支座。通過計算可知柱子受到的最大豎向荷載為890kN，根據參考文獻［10］選用250mm×127mm×14mm×19．6mm的碟形彈簧，通過計算可知單片碟形彈簧的承載力為323kN，故采用3片疊合，且通過不同組對合i來調整碟形彈簧剛度，經計算，當i取2、3、4時，其復合后豎向剛度約為上部結構豎向剛度的1／20～1／50［12］，具體值見表2所示：

表2 碟形彈簧的復合剛度／（kN·mm－1）

3 框架模型與分析

3．1 工程概況

取位于隧道一側上方的1棟6層框架教學樓為例，基礎頂面設置碟型彈簧。結構總高度為22．5m，首層層高為4m，其余層高為3．7m。設防烈度按7度考慮，場地類別二類，設計地震分組為第1組。模型柱截面尺寸為450mm×450mm，主梁截面尺寸為300mm×600mm，次梁截面尺寸為250mm×500mm，樓層厚度取120mm，材料均取C30混凝土。根據上述工程概況建立6層框架非隔振結構體系和6層框架隔振結構體系，非隔振結構體系底部與基礎固接。模型結構平面圖如圖7所示：

圖7 結構平面布置圖

3．2 結構體系的模態分析

模態分析是結構的自振特性分析，主要確定結構以及結構構件的振型和固有頻率，也對結構進行更深一步的動力分析奠定了基礎。由于隔振前后結構的剛度不同，因此自振周期有所差別。在這里對2組結構進行了模態分析，得出結構的前12階自振周期，如表3所示：

表3 隔振與未隔振周期對比圖

從表3可以看出：采用隔振支座后上部結構自振周期均明顯延長。

3．3 基礎隔振體系時程分析

由于地鐵運行引起鄰近建筑物的振動主要以豎向為主［6］，根據參考文獻［7］與相關研究表明住宅結構中人的居住舒適度主要跟結構振動加速度大小有關，因此，對隔振裝置隔振效果的討論以各層樓板豎向加速度的大小為主要分析對象。

在地鐵運行引起的地面振動波的作用下，取隔振結構與非隔振結構各樓層中間樓板中央作為測點，取具有代表性的1層、6層豎向振動加速度作為研究樓層，其動力反應時程如圖8所示。

圖8 結構動力反應時程

對列車在不同黏土層情況下引起的建筑物振動的計算結果進行整理，具體數值見表4所示。

表4 不同黏土層情況下各樓層的豎向加速度及隔振效率／（m·s－2）

圖9所示為結構動力反應時程。

圖9 結構動力反應時程

從圖9中可以看出：采用了碟型彈簧豎向隔振支座以后，樓層豎向加速度大幅減小，并沿結構高度分布趨于均勻化。從表4各個樓層的隔振效率一般為40%～80%，隔振效率為隔振前加速度值與隔振后加速度值的差，然后再除以隔振前加速度值，樓層底部隔振效率高。據有關規范［11規定夜間樓板振動加速度不超過22．3mm·s－2，晝間不得超過31．6mm·s－2。經過隔后樓層的振動加速度均能滿足限值要求。

圖10所示為n層對合碟簧聯最大水平樓層位移圖，圖11所示為n層對合碟簧最大豎直樓層位移圖。

圖10 n層對合碟簧聯最大水平樓層位移圖

圖11 n層對合碟簧最大豎直樓層位移圖

從圖10和圖11可以看出，設置碟形彈簧隔振支座后，樓層最大水平位移無明顯變化，最大豎直位移隨碟形彈簧剛度的減小而增加，主要由于隔振層的豎向剛度遠小于上部結構的豎向剛度造成的。由張玉敏、蘇幼坡等學者的研究結果［12］可知一般豎向減振裝置的豎向剛度約為上部結構豎向剛度的1／20～1／50。另外可以看出，地基彈性模量值在合理的范圍內對隔振效果影響不大。

4 結論

（1）設置碟型彈簧豎向隔振支座以后，結構自振周期變長，樓層豎向振動加速度大幅減小，并沿結構高度分布趨于均勻化，隔振效率可達40%～80%左右。

（2）設置碟形彈簧隔振支座后，樓層最大水平樓層位移無明顯變化，最大豎直樓層位移隨碟形彈簧剛度的減小而增加。地基彈性模量值在合理的范圍內對隔振效果影響不大。

［1］ 黃衛．加快城市軌道交通的科技進步［J］．都市快軌交通，2007，20（6）：1－4．

［2］ 施仲衡．科學制定城市軌道交通建設規劃［J］．都市快軌交通，2004，17（2）：12－13．

［3］ 施仲衡，馮愛軍．城市軌道交通技術發展戰略探討［J］．都市快軌交通，2004，17（4）：4－8．

［4］ 錢七虎．迎接我國城市地下空間開發高潮［J］．巖土工程學報，1998，20（4）：l12－113．

［5］ 錢七虎．巖土工程的第四次浪潮［J］．地卜空間，1999，19（4）：267－272．

［6］ 夏禾，張楠．車輛與結構動力相互作用［M］．北京：科學出版社，2005．

［7］ 潘昌實，謝正光．地鐵區間隧道列車測試與分析［J］．土木工程學報．1990，2：21－28．

［8］ 袁立群，門玉明．列車荷載作用下馬蹄形地鐵隧道－地裂縫－地層動力相互作用研究［D］．西安：長安大學2014．

［9］ 劉平平，隋杰英．地鐵環境下已建建筑的隔振研究［D］．青島：青島理工大學，2014

［10］ GB／T1972－2005《碟形彈簧》［S］．中國國家標準化管理委員會．

［11］ GB10070－88《城市區域環境振動標準》［S］．國家環保局．

［12］ 張玉敏，蘇幼坡．碟形彈簧豎向減震裝置的研究［J］．哈爾濱工業大學學報．2005，（12）：1679－1680．

Vertical Vibration Mitigation Effect for Subway Surrounding Buildings with Disc Springs

JIA Xiao－dong，ZHANG Yu－min，LAN Zhuang－zhi
（Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063009，China）

acceleration；displacement；natural vibration period；disc spring；vibration isolation effect

By using structural finite element analysis software SAP2000，a numerical model was established for a subway surrounding frame structure with disc springs vibration isolation bearings，Subway train operation was simulated by ADINA software，its ground vibration acceleration was obtained，then apply the acceleration in the finite element model with ADINA software．The effect of vibration mitigation is estimated by comprising natural period and vertical acceleration before and after applying disc springs．The result show that natural period become longer and vertical acceleration become smaller after isolation the efficiency of isolation can reach 40%～60%．There are not notable changes in horizontal displacement，Due to the decrease of the stiffness vertical displacement increase．

TU375．4

A

2095－2716（2016）04－0106－07

2016－04－07

2016－07－13

河北省自然基金項目（E2015209020）。