基于鋼彈簧隔振系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)地鐵振動(dòng)響應(yīng)研究

吳平川 李康

摘? 要：文章為研究基于鋼彈簧隔振系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)受地鐵振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，以某框架結(jié)構(gòu)宿舍樓為例，在SAP2000軟件建立了多工況有限元模型，分析鋼彈簧隔振系統(tǒng)剛度、阻尼和框架結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)、層高、樓層總數(shù)等參數(shù)的改變對(duì)框架結(jié)構(gòu)地鐵振動(dòng)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明：在鋼彈簧隔振系統(tǒng)特性中，增大剛度和阻尼會(huì)對(duì)框架結(jié)構(gòu)受地鐵振動(dòng)產(chǎn)生不利影響。在框架結(jié)構(gòu)特性中，增大混凝土強(qiáng)度等級(jí)會(huì)對(duì)框架結(jié)構(gòu)受地鐵振動(dòng)產(chǎn)生有利影響;層高、樓層總數(shù)的改變并未產(chǎn)生明顯單調(diào)變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：鋼彈簧隔振系統(tǒng);地鐵振動(dòng);框架結(jié)構(gòu);響應(yīng)規(guī)律

中圖分類號(hào)：U231? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）15-0077-02

Abstract： In order to study the vibration response law of the frame structure based on the steel spring vibration isolation system， this paper takes a frame structure dormitory as an example， tries to establish a multi-case finite element model in SAP2000 software to analyze the rigidity， damping and frame of the steel spring vibration isolation system， and analyzes the influence of structural concrete strength grade， layer height， total number of floors and other parameters on the vibration response of frame structure subway. The results show that in the characteristics of the steel spring vibration isolation system， increasing the rigidity and damping will adversely affect the frame structure due to subway vibration; in the characteristics of the frame structure， increasing the concrete strength level will have a beneficial effect on the frame structure due to subway vibration; changes in floor height and total number of floors do not produce obvious monotonic changes.

Keywords： steel spring vibration isolation system; subway vibration; frame structure; response law

引言

自20世紀(jì)50年代，特別是70年代以來(lái)，世界各地的城市都開(kāi)始發(fā)展地下鐵路模式。這雖然給我們生活帶來(lái)諸多便利，但同時(shí)也帶來(lái)一些環(huán)境問(wèn)題，如振動(dòng)和噪聲就尤為突出。如建筑物受地鐵振動(dòng)影響常會(huì)出現(xiàn)墻壁開(kāi)裂、墻皮脫落等危及建筑結(jié)構(gòu)安全性的現(xiàn)象[1，2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)建筑物受地鐵振動(dòng)響應(yīng)做出了大量研究。羅權(quán)[3]、皇甫嬋媛等[4]對(duì)框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)受地鐵振動(dòng)相應(yīng)進(jìn)行了研究。

本論文在其他學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，提出了基于鋼彈簧隔振系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)地鐵振動(dòng)響應(yīng)研究。通過(guò)對(duì)鋼彈簧隔振系統(tǒng)和框架結(jié)構(gòu)兩方面特性參數(shù)的分析，在SAP2000[5]建立多工況模型，在結(jié)構(gòu)各層相同位置均選取參考點(diǎn)并以Z振級(jí)為評(píng)價(jià)量，得到了一些有意義的結(jié)論，具有一定的參考價(jià)值。

1 鋼彈簧隔振系統(tǒng)特性對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響

鋼彈簧隔振器的豎向剛度由受壓彈簧的壓縮量決定，彈簧壓縮量越大，隔振支座剛度越小;彈簧壓縮量越小，隔振支座剛度越大。

以隔振系統(tǒng)剛度為單一變量，軟件中分別建立彈簧壓縮量為20mm、25mm、30mm、35mm、40mm共五種計(jì)算模型，研究剛度變化對(duì)框架結(jié)構(gòu)地鐵振動(dòng)響應(yīng)的影響，繪制數(shù)據(jù)如圖1所示。

隨著彈簧壓縮量的增大，Z振級(jí)線性減小，這說(shuō)明降低隔振系統(tǒng)剛度可有效減小結(jié)構(gòu)受地鐵振動(dòng)不利影響。

以隔振系統(tǒng)阻尼為單一變量，分別建立阻尼系數(shù)為0、500、1000、1500、2000（KN（mm/s））共五種計(jì)算模型，研究阻尼變化對(duì)框架結(jié)構(gòu)地鐵振動(dòng)響應(yīng)的影響，繪制數(shù)據(jù)如圖2所示。

隨著阻尼的增大，Z振級(jí)逐漸上升，上升幅度逐漸降低。這說(shuō)明增大隔振系統(tǒng)阻尼會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生不利影響。

2 框架結(jié)構(gòu)自身特性對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響

基本模型參數(shù)：混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30;樓層總數(shù)為6層;層高為3m;板厚100mm;柱截面500×500mm;梁截面250×500mm。建立多工況模型均基于彈簧壓縮量20mm時(shí)剛度值。

分別以混凝土強(qiáng)度等級(jí)、樓層總數(shù)、層高為單一變量，其他各參數(shù)均保持不變，共建立15個(gè)模型（混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C20、C30、C40、C50、C60;樓層總數(shù)：6、8、10、12、14;層高：3.0m、3.5m、4.0m、4.5m、5.0m）研究混凝土強(qiáng)度等級(jí)、樓層總數(shù)、層高的變化對(duì)框架結(jié)構(gòu)地鐵振動(dòng)響應(yīng)的影響。分別對(duì)各參數(shù)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，如圖3～圖5所示。

隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，結(jié)構(gòu)各層Z振級(jí)均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這說(shuō)明提高混凝土強(qiáng)度，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)受地鐵振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生有利影響。

隨著樓層總數(shù)的增大，整體Z振級(jí)出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，并未發(fā)現(xiàn)明顯單調(diào)變化規(guī)律。

隨著層高的增大，Z振級(jí)在3層附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以下樓層Z振級(jí)隨層高的增大而增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上樓層Z振級(jí)隨層高的增大而減小。

3 結(jié)論

由以上分析可以看出，在基于鋼彈簧隔振系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)地鐵振動(dòng)響應(yīng)研究中，增大鋼彈簧隔振系統(tǒng)剛度和阻尼會(huì)對(duì)框架結(jié)構(gòu)受地鐵振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生不利影響;增大結(jié)構(gòu)自身混凝土強(qiáng)度等級(jí)會(huì)對(duì)框架結(jié)構(gòu)受地鐵振動(dòng)產(chǎn)生有利影響;樓層總數(shù)和層高的改變并未對(duì)框架結(jié)構(gòu)受地鐵振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生明顯單調(diào)變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏禾，曹艷梅.軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（1）：102-104.

[2]田春芝.地鐵振動(dòng)對(duì)周圍建筑物影響的研究概況[J].鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生，2000（1）：67-70.

[3]羅權(quán).地鐵振動(dòng)激勵(lì)下兩種結(jié)構(gòu)形式的振動(dòng)響應(yīng)分析[D].廣州：華南理工大學(xué)，2018.

[4]皇甫嬋媛.地鐵振動(dòng)激勵(lì)下地面及地上建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2014

[5]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2012.