科學裝置在城市道路交通影響下不同樁基方案的微振動預測對比分析

目前，工程建設中不乏一些安裝精密設備的實驗室等科研建筑，這類建筑對振動的要求往往較高，需滿足特定的項目工藝要求[1]?，F代城市建設迅猛發展，城市道路縱橫交錯，實際工程選址又難以避開城市軌道交通線路，同時城市道路交通行車密度高，持時長，對周圍地面和建筑的振動影響又較強烈[2-3]，當設計此類建筑結構時，需要對建筑場地及擬建結構的振動響應進行現場測試[4]與預測分析，根據分析結果指導結構設計，以達到規定的振動控制標準。

目前預測建筑物振動響應的分析方法包括：理論解析法、數值分析法[5-12]以及經驗模型預測及現場實測法[13]?？紤]到數值分析法成本低且應用范圍廣，本文采用該方法對擬建結構在建筑場地的振動響應進行預測分析。

采用樁筏基礎可以有效降低科學裝置中的微振動，不同樁基方案的減震效果也有所不同，本文對不同樁基選型下結構的微振動進行預測對比分析，根據分析結果進行結構的基礎設計，對科學裝置的樁基選型具有參考意義。

1 工程概況

1.1 振動評價標準

擬建科學裝置建筑場地西、東、南三面臨路，南面臨河。建筑地上 9 層，地下 2 層，是綜合了實驗室、科研辦公、學術會議等功能的科研大樓。由于擬建建筑內將安裝精密設備，其地下室底板有微振動控制要求。根據項目工藝任務書要求，地下室底板的 1～100 Hz 位移均方根不大于 150 nm。

1.2 振動測試方案

振動測試共有 13 個測點，其中 C1～C8 為外部測點，C9～C13 為內部測點，各測點布置一個傳感器，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，記錄各測點的振動數據，取其中典型 30 s 的位移和速度時程數據進行后續分析。

提取靠近道路和河流的四個測點 C2、C4、C6、C8 的數據作為有限元模擬時的激勵數據，時程曲線如圖1 所示。

圖1 建筑場地地面垂向速度時程曲線

2 數值模擬

數值模擬采用大型通用有限元軟件 ABAQUS 進行三維模型非線性瞬態動力分析，計算采用隱式動力分析方法。

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。土體采用三維實體單元 C3D8R 模擬，土體實體單元網格尺寸劃分約為 4 m[14]，土體整體模型單元網格劃分如圖2 所示。

圖2 土體三維模型網格劃分

2.2 參數選取

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

土體的動彈性模量、密度、動泊松比根據勘察報告土體的物理力學參數確定，詳見表1。

表1 土體物理力學參數

本文土體阻尼比采用經驗值確定。目前有很多學者總結了不同地區各類土體阻尼比隨剪應變變化的經驗數據，其中張亞軍等[15]學者對于上海地區各類土的阻尼比進行了統計研究，研究表明，在低剪應變水平（動剪切應變在 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

土體外側四周采用無限單元模擬土體的半無限空間體特性；結構地下室外墻及地下室底板與土體相接處采用接觸邊界，結構內部梁柱墻板均采用綁定連接；樁與結構底板采用綁定連接，樁與土體采用嵌入約束。

土體為半無限空間體，分析區域應為無限大，為節約計算成本，本文采用 ABAQUS 提供的無限元單元模擬結構相關范圍以外土體，避免了人工截斷土體邊界而在邊界處產生的波的反射。土體無限元區域設置在土體四周。土體底部采用固結邊界，約束 UX、UY、UZ 3 個方向位移。

2.4 加載及分析步

土體表面四周邊界施加現場實測的垂向激勵數據，激勵數據根據場地測點 C2、C4、C6、C8 實測速度時程曲線輸入。分析步長取 0.002 s，分析時長取 30 s。

采用更靠近實驗室中心位置的測點 C13 用于測試數據與數值模擬數據的對比。將速度時程曲線每 10 s 分段處理得到 1～100 Hz 位移均方根結果，與實測結果對比見表2。從表中可以看出，3 個測點的位移均方根模擬結果與實測結果之間的誤差均不超過 5%，說明數值模型可以較好的模擬建筑場地的微振動。

表2 模擬結果與實測數據對比

3 樁基選型對比分析

3.1 不同樁基方案擬建結構模型

擬建結構平面尺寸約為 170 m×200 m，樁基混凝土強度等級為 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，混凝土強度等級為 C35。

本文共設計了 6 種不同的樁基方案，對樁長和樁數對結構微振動的影響進行研究。由于只增加樁長會造成較大的浪費，因此在增加樁長時本文也設計了在滿足樁基承載力前提下減少樁數的方案，以實現減振效果和經濟性的平衡。各方案樁長與樁數見表3。

表3 各方案樁長與樁數

梁、柱及樁梁單元網格尺寸劃分約為2m，板、墻殼單元網格尺寸劃分約為 4 m，結構整體模型單元網格劃分見如圖3 所示，結構-土體相互作用模型約 8.4 萬個單元。

圖3 結構-土體相互作用模型網格劃分

地下室結構采用線彈性本構模型，梁板柱墻均為C35混凝土，根據《混凝土結構設計規范》[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

結構地下室外墻及地下室底板與土體相接處采用接觸邊界，結構內部梁柱墻板均采用綁定連接；樁與結構底板采用綁定連接，樁與土體采用嵌入約束。

土體表面四周邊界施加現場實測的垂向激勵數據，分析步長取 0.002 s，分析時長取 30 s。

3.3 微振動預測對比分析

采用不同樁基方案結構底板的微振動模擬計算結果與建筑場地的測試結果對比見表4?？梢钥闯?，重載車輛影響下，除了樁長 36 m 的兩個樁基方案在測點 C13 外，不同方案中擬建結構各測點 1～100 Hz位移均方根均能滿足不超過 150 nm 的工藝要求。

表4 各測點振動數據與結構減振系數 單位：nm

從測點 C9 和測點 C11 的計算結果可以看出，減振系數最大的并不是樁長更長、樁數更多的方案，而是樁長 46 m，樁數 435 根的方案 4，說明對于結構中的某些特定位置，不同樁基方案減振效果的強弱與樁長和樁數并非簡單的正相關，而是在某一樁長和樁數的組合下能夠取得更好地減振效果。對于測點 13，樁長越長，樁數越多，減振效果越好，同時測點13的計算結果明顯高于其他兩個測點，說明結構中不同位置在城市道路交通影響下的微振動存在明顯差異，建筑中實驗室可以布置在微振動更小的區域。

4 結 語

本文對某科研大樓場地實測振動響應數據進行提取分析，利用有限元數值分析方法模擬該項目建筑場地與擬建結構底板振動響應情況，對科學裝置在城市道路交通影響下不同樁基方案的微振動進行對比分析，結論如下：

（1）通過對比科學裝置建筑場地在城市道路交通影響下微振動的實測數據和有限元模擬結果，說明采用數值分析方法可以較好的模擬本項目建筑場地微振動下的動力特性，得到較準確的模擬結果。

（2）在樁長較短時結構的減振效果較差，對于本項目，在樁長 36 m 時結構中部分位置振動不能滿足 1～100 Hz 位移均方根 150 nm 的工藝要求，樁長不小于 46 m 時，各測點均能滿足要求。

（3）結構中部分位置的減振效果與樁長和樁數不是正相關，樁長 46 m、樁數 435 根的方案在部分位置減震效果最好，同時兼顧了經濟性。

（4）結構中不同位置在城市道路交通影響下的微振動存在明顯差異，建筑中實驗室可以布置在微振動更小的區域。

（5）結構建成后，應對結構目標樓板振動響應進行實測分析，驗證預測模型的合理性和可行性。