精密設備區(qū)建筑結構微振動控制技術研究與應用

曹建軍 閆海龍 熊登杰 李遠 潘郁林

【摘要】本文主要討論了一種精密設備區(qū)域微振動控制技術，該技術通過現(xiàn)場實際環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集，數(shù)值模擬，建筑整體基礎設計，減震、隔震措施的應用等一系列技術措施，對建筑結構的振動進行控制，使其達到精密設備要求，滿足建筑使用功能

【關鍵詞】精密設備;微振動;數(shù)值模擬;減震;隔震

【中圖分類號】TU3

【文獻標識碼】B

【文章編號】1671-3362（2020）08-0120-02

建筑物的振動控制決定了整個建筑的使用功能。當代社會科技發(fā)展迅速，越來越多的設備對安置條件提出了嚴苛的要求，其中精密加工與檢測設備、計量與檢測儀器、光學加工及檢測設備、顯微鏡等高精設備振動容許峰值<300μm/s甚至更低。

為了滿足振動控制要求，依托合肥離子醫(yī)學中心工程項目為載體，結合振動測試及數(shù)值模擬，探索了基礎設計對振動控制的影響，同時利用多項隔振減震措施，對振動進行控制，形成了建筑結構振動控制綜合技術，為類似工程提供數(shù)據(jù)及經(jīng)驗借鑒參考[1]。

1.工程背景

1.1項目背景

合肥離子醫(yī)學中心項目占地面積46214m2，總建筑面積約33687m2，地下一層，地上三層，建筑高度為23.2m，其中質(zhì)子裝置區(qū)約4200m2（3個旋轉(zhuǎn)治療艙、1個固定束治療艙、1個科學研發(fā)室），是項目施工的重點和難點。

根據(jù)設備供應商BID文件說明，振動對本工程的影響控制要求為：在PT系統(tǒng)正常運行過程中，建筑振動必須被限制在IES-RP-CC012.1? A類規(guī)定的實驗室類型建筑物范圍內(nèi)。對于該報告沒有陳述到的頻率，不得超過最大振動速率100 μm/s。

1.2施工背景

項目位于合肥市高新區(qū)長寧大道與燕子河路交口東南角，質(zhì)子區(qū)東側(cè)為壩下河，南側(cè)為擬建2期場地暫無施工，僅北側(cè)及西側(cè)有道路通車。

質(zhì)子區(qū)地下室外墻距北側(cè)道路約62.6m，距西側(cè)道路約180.2m。因建筑物內(nèi)安裝質(zhì)子治療系統(tǒng)，其對振動要求高，當外界振動超過限值時，一方面可能會對質(zhì)子治療系統(tǒng)本身造成損害，另一方面會影響質(zhì)子治療系統(tǒng)的正常工作。場地平面如圖所示。

2.影響因素分析

2.1環(huán)境振動

環(huán)境振動往往是由自然的原因（如風）和人為的原因（如交通活動或機械運動、工程施工活動等）所造成的，一般可分為兩大類，即地面脈動和人類活動的近距離干擾振動。

對于精密設備可能受到環(huán)境振動影響的工程，建設場地原則上應該盡量選擇遠離地鐵、城市干道等交通繁忙區(qū)域，但由于城市建設迅猛發(fā)展的要求和現(xiàn)狀，城市道路縱橫交錯，在工程選址有時難以全部避開。

本工程主要震源為：園區(qū)周邊公路交通及園區(qū)內(nèi)交通振動，尤其是場地北側(cè)和場地西側(cè)的道路交通以及臨近規(guī)劃地鐵線路。

2.2建筑物振動

除了環(huán)境振動外，建筑結構本身有大量的振源。本工程震源主要包括：設備機房震動、屋面設備振動、管線振動。

3.數(shù)據(jù)采集及模擬

3.1數(shù)據(jù)采集

根據(jù)測試目的，在天然場地共布置了7個測點，測點沿垂直道路方向布置，各測點同時測試平行長寧大道、垂直長寧大道、豎向三個方向的振動速率。測試期間，場地內(nèi)部有推土機和挖土機及施工勘察單位鉆機不間斷施工。對記錄的數(shù)據(jù)在時域和頻域進行分析，并與控制標準進行比較，具體處理步驟如下：①將記錄的振動速度數(shù)據(jù)以30s為單位劃分多個樣本;②將所有的樣本按不同情況進行分組（如安靜時段、土方車經(jīng)過時段等），并按照VC標準計算每個樣本的1/3倍頻程峰值;③將1/3倍頻程峰值與控制標準比較。

分別選取了如下三種情況下的數(shù)據(jù)進行分析：

（1）情況一：安靜時段，為道路交通等其他荷載影響較小的時段;

（2）情況二：土方車經(jīng)過時段，為土方車經(jīng)過且其他荷載影響較小的時段;

（3）情況三：挖土機施工時段，為挖土施工的時段。

由于本項目場地鄰近的地鐵線路尚未通車，因此其引起的場地振動采用工程類比的方法進行，通過對合肥地鐵1號線引起的地面振動進行現(xiàn)場實測，近似估算地鐵引起本項目天然場地的振動，具體測試位置鄰近廬州大道長沙路交叉口，測點沿長沙路布置，側(cè)線垂直于地鐵一號線。對記錄的數(shù)據(jù)在時域和頻域進行分析，并與控制標準進行比較，分別選取如下兩種情況下的數(shù)據(jù)進行分析：

（1）情況一：安靜時段，無地鐵經(jīng)過且道路交通等其他荷載影響較小的時段;

（2）情況二：地鐵經(jīng)過時段，有地鐵經(jīng)過且道路交通等有其他荷載影響較小的時段。

3.2數(shù)值模擬

3.2.1土體參數(shù)

本工程中面臨微振動控制，土體變形屬于小應變范疇，土體的小應變幅的動剪切模量根據(jù)勘察報告中常用的波速法試驗測定。

3.2.2邊界條件

建立結構土體整體三維模型進行分析，計算模型邊界中的數(shù)值，根據(jù)現(xiàn)場測試結果作為邊界強迫位移輸入。數(shù)值模擬分析的振源采用實測時有組織車輛的工況，即在固定時段組織車輛沿著周邊公路行駛，模擬實際情況下周邊環(huán)境振動激勵情況。

3.2.3激勵荷載

采用實測的長寧大道上土方車經(jīng)過時的時程作為激勵荷載，選取測點的振動實測數(shù)據(jù)作為激勵荷載。

3.2.4分析結果

選取下圖8個位置的計算結果進行分析，其中4個點位于板中，4個點位于墻邊。

根據(jù)模擬結果得到基礎底板1/3倍頻程峰值：

（1）長寧大道上的道路交通引起質(zhì)子治療系統(tǒng)基礎底板的豎向（z向）振動明顯小于水平向振動，這說明樁基礎有較好的減振效果;

（2）長寧大道上的道路交通引起質(zhì)子治療系統(tǒng)基礎底板x、y、z向振動1/3倍頻程峰值最大值分別29、21、14?m/s，滿足振動控制標準。

4.減震措施

4.1震源強度控制

對主要震源即道路交通引起的環(huán)境振動強度進行控制，是減少其對精度設備基礎影響的有效措施，當條件許可時，可對與產(chǎn)生道路交通環(huán)境振動強度密切相關的車輛行駛速度、車輛載重量等技術參數(shù)作適當限制。此外，還可以通過加強路面養(yǎng)護和改善路面平整度等措施來加以控制。

4.2樁基減震措施

根據(jù)振動控制的工程經(jīng)驗，建筑樁基也具有良好的減震性能，不同的樁有效長度即樁的數(shù)量對樓板震級的影響不同，進行抗微振樁基設計，來達到振動控制目標。

4.3基礎隔板措施

基礎隔板是目前廣泛使用的結構振動控制策略之一，基礎隔板是通過在建筑物的上部結構和基礎之間放置鋼彈簧或者橡膠塊從而隔離大地傳播的振動，基礎隔震的減震原理是：

（1）降低結構的固有頻率;

（2）增大結構的阻尼。

4.4隔震溝

根據(jù)周邊道路交通實測振動數(shù)據(jù)，加速度主要影響頻率范圍為10～20HZ，對應剪切波波長為13.5～27m，瑞雷波波長約14～28m。

隔震溝溝深一般不小于地面瑞雷波波長的1/4.隔振溝深度約為3.5～7.0m。根據(jù)場地情況，結合工程造價及后期可能的用途綜合考慮，隔震溝深度同筏板基礎埋深，約為4.8m，寬度約為1.2m。該隔震溝主要對隔震頻率大于15HZ的振源有一定的隔震效果，可隔絕部分加速度[2]。

該項目室外隔震溝位置位于場地北側(cè)，靠近燕子河路紅線圍墻。為防止場地外道路擾動土體，影響門診住院樓及質(zhì)子治療區(qū)設備運轉(zhuǎn)精度與振動要求，故設計室外隔振溝。

5.小結

在現(xiàn)場施工完成后進行了振動測試，根據(jù)現(xiàn)場測試與數(shù)值模擬結果，可以得到如下結論：

（1）道路交通引起天然場地振動測試及結果表明：整個測試期間各測點振動速度1/3倍頻程峰值最大值為245?m/s，場地振動滿足VC-A標準;

（2）合肥地鐵1號線試運營引起天然場地振動測試結果表明：地鐵經(jīng)過時各測點振動速度1/3倍頻程峰值最大值約為270?m/s，場地振動滿足VC-A標準。

（3）根據(jù)現(xiàn)場實測結果：長寧大道上的道路交通引起質(zhì)子治療系統(tǒng)基礎底板上x、y、z向振動1/3倍頻程峰值最大值為29.5?m/s，滿足振動控制標準。樁基礎有較好的減震效果;

（4）采用目前的結構、樁基方案以及減振措施，可以有效地控制減震結構振動。

參考文獻

[1] 隔震技術簡介[J]. 郝會山.? 門窗. 2014（12）

[2] 結構振動控制技術的原理和應用[J]. 王國祥，何斌，柯譜. 江西建材. 2017（12）

（作者單位：合肥離子醫(yī)學中心有限公司）