隔振技術在地鐵上蓋建筑結構中的應用

王 怡

（深圳市建筑工程質量安全監督總站,廣東 深圳 518031）

為滿足經濟社會發展的需要，我國超大城市及大城市已建成或正在建設大量的地鐵。地鐵有效地緩解了地面交通擁堵的問題，但地鐵振動也對沿線和上部建筑產生了不良影響，甚至影響到人們正常的工作、生活和學習。以深圳市為例，根據深圳市交通運輸局披露的數據，截至2022年底，深圳城市軌道交通運營里程達546.85 km，位居全國第四。深圳市政府發布的《深圳市綜合交通“十四五”規劃》，強調了推進深圳城市軌道交通網絡化發展的目標，確立了軌道交通在粵港澳大灣區樞紐集群協同發展中的主體地位。到2025年，深圳地鐵通車里程將達到640 km，遠期將達到1 000 km的城市軌道交通網絡。在深圳，土地是一種稀缺資源，城市采用在車站、車輛段等線路節點建造結構的方式提高土地利用率。然而，即便采用最高等級的軌道減振措施，仍然難以避免地鐵運行引起的建筑結構振動。越來越多的城市軌道交通線路不可避免地需近距離下穿居住區、辦公區、博物館、精密實驗室等對環境振動要求嚴格的建筑物，而其所帶來的振動影響極有可能造成精密實驗室搬遷、文物受損、居住和辦公舒適度下降。

地鐵列車引起的環境振動及噪聲問題日益突出，甚至影響了人們正常的生產和生活。地鐵沿線，特別是地鐵上蓋建筑的軌道交通引起的振動問題亟待解決。深圳市以創新引領超大型城市可持續發展為主題，建設國家可持續發展議程創新示范區、中國特色社會主義先行示范區?！渡钲谑锌沙掷m發展規劃（2017—2030年）（2022年修訂）》指出，建設更高質量標準的普惠發展之城是深圳可持續發展的五大重要任務之一。不被軌道交通振動困擾，是在地鐵沿線和上蓋建筑中工作和生活的人們高質量生活的基本要求，是深圳市可持續發展的要求，是深圳建設中國特色社會主義先行示范區的要求。

本文以深圳某中學新校區建筑物為研究對象，分析下穿地鐵所引起的豎向振動對建筑物的使用舒適度造成的影響[1]。經綜合考慮建筑物的結構類型和地鐵振動的特點，決定設置隔振橡膠支座[2-3]，通過底層隔振使振動效應降低到規范允許的范圍之內。

1 結構動力分析

1.1 建立非隔振與隔振對比結構模型

（1）非隔振模型

取建筑物局部典型區域，在ETABS軟件中建立四層鋼筋混凝土框架結構模型，結構層高為3.4 m，總高為13.6 m，立柱采用450 mm×450 mm方形鋼筋混凝土柱，梁采用500 mm×250 mm的矩形鋼筋混凝土梁?；撞捎霉探Y形式，不做隔振設計，用于對比分析支座隔振效果，非隔振模型3-D視圖如圖1所示。

圖1 ETABS非隔振模型

（2）線性隔振模型

采用設置隔振支座的隔振方式，由于該支座設計并未考慮其非線性特性，在ETABS軟件中通過調整連接屬性來模擬線性隔振支座。

利用隔振支座在該4層鋼筋混凝土框架結構底部設置隔振層，完成線性隔振模型的建立，隔振層ETABS模型如圖2所示。

圖2 ETABS線性隔振模型

1.2 隔振支座及布置方案

（1）隔振支座參數

本項目采用的隔振技術，其實際工程及案例較少，為確保隔振的技術要求和施工質量，對隔振支座進行了產品檢測[4]，其基本性能參數如表1所示。

表1 支座性能參數表

（2）隔振支座平面布置方案

該四層框架結構隔振設計采用的隔振支座平面布置示意圖，如圖3所示。

圖3 隔振支座平面布置示意圖

1.3 地鐵振動加速度時程

地鐵振動引起的地面振動加速度的優勢頻率段在40 Hz～70 Hz，且加速度幅值在60 mm/s2，對結構的振動影響主要由豎向振動控制。

根據地鐵的優勢頻段及其幅值特性，采用優勢頻段為60 Hz～70 Hz、符合正弦波的曲線作為地鐵振動加速度時程曲線，其滿足地鐵振動加速度時程的主要特點，地鐵振動加速度時程如圖4所示。采用時程函數法將圖4所示的地鐵振動加速度時程數據文件導入到ETABS軟件中，作用于Z向，依據規范要求選取1.0倍恒荷載與0.5倍活荷載之和作為質量源，選用非線性直接積分法進行動力時程分析。

圖4 地鐵振動加速度時程曲線

1.4 振動考察點的選擇

在正在運行的地鐵激勵下，結構各層發生豎向振動，為評估地鐵振動對建筑物的影響及安裝橡膠支座的隔振效果，以樓板中間處為考察點，各層取點位置相同。

2 隔振效果分析

2.1 安全性分析

通過對比隔振結構與非隔振結構頂層，由于地鐵振動引起的水平X方向振動速度，安全允許振速取為4.5 cm/s（見表2），可以看出隔振與非隔振結構均滿足安全允許振速的要求（見表3），可以保證結構在地鐵振動下的安全性能。

表2 安全允許振速

表3 結構頂層X方向振速

2.2 舒適度分析

（1）隔振前后加速度峰值比較

《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3—2010）規定：辦公住宅類高層建筑豎向自振頻率不小于4 Hz時，樓蓋豎向振動加速度限值為50 mm/s2。

從表4隔振前后各層加速度最大值對比可以看出，隔振前第三層與第四層加速度超過加速度限值。該建筑為教學建筑，考慮到建筑使用特性，如果加速度超過限值會對建筑使用效果產生較大的影響[5-6]。從表4可以看出，使用橡膠支座隔振能夠有效降低各樓層的豎向振動加速度峰值，并將超出限值的第三、四層加速度峰值降低到滿足規范要求，減振效率最高可達36.32%，隔振效果良好。

表4 隔振前后加速度峰值對比

（2）隔振前后速度峰值比較

如表5所示，容許振動速度峰值與建筑舒適度密切相關，本建筑豎向振動容許振動速度峰值為1.0 cm/s，隔振前后速度峰值均滿足舒適度要求，隔振后結構豎向振動速度減小，提高了建筑的使用舒適度。

表5 結構頂層豎向振速

3 隔振支座設計技術要求

3.1 防火要求

根據《建筑設計防火規范》（GB 50016-2014）的5.1.1條以及《建筑防火通用規范》（GB 55037-2022）的5.3.1條相關民用建筑分類和耐火等級，該建筑屬于一類建筑，耐火等級應為一級。另外，隔振支座屬于豎向構件，需滿足柱的防火要求，要求構件燃燒性能為不燃性，耐火極限為3 h。

3.2 豎向變形要求

橡膠隔振支座在豎向壓應力作用下，各支座的設計沉降量應一致。

3.3 水平限位要求

對限位裝置應提出具體的水平方向的限位要求，包括裝配間隙、水平荷載、材料以及連接方式等，以保證水平荷載作用下構件的可靠性。對本項目的具體要求為：支座在水平方向上應具有限位功能，限位間隙（裝配間隙）不超過±1 mm；限位裝置水平承載力不小于2 000 kN，采用不低于Q390的鋼材，不應采用焊接。

4 隔振支座安裝工程的質量監督要點

4.1 支座進場核查

為了保證產品質量及施工安裝質量，要求對支座進行檢測并由設計方審核確認。

產品提供商須出示橡膠類隔振支座的第三方耐火試驗檢測報告，要求直徑不低于1 000 mm；以及支座第三方耐火前后性能檢測報告，要求耐火極限不小于3 h且耐火前后的性能偏差不大于15%。本工程產品的耐火工藝應不低于該報告產品的耐火工藝。

4.2 支座安裝階段

橡膠隔振支座定位準確是關鍵，對支座的安裝精度應進行嚴格控制。應在橡膠隔振支座下支墩施工前充分研究施工方案，進行深化設計，避免支墩因埋板下部承臺鋼筋密集無法準確定位，確保隔振支座定位在容許偏差范圍內。

（1）支承隔震支座的支墩（梁柱），其頂面水平度誤差不宜大于5‰，安裝后，隔震支座頂面的水平度誤差不宜大于8‰。

（2）隔震支座中心的平面位置與設計位置偏差不應大于5.0 mm。

（3）隔震支座中心的標高與設計標高偏差不應大于5.0 mm。

（4）同一支墩布置多個隔震支座，各支座間的頂面高差不宜大于5.0 mm。

4.3 工程施工階段

在工程施工階段，應對隔震支座的豎向和水平變形作觀測并記錄，對上部結構、隔震層部件與周圍固定物的脫開距離進行檢查。澆筑混凝土前需對預埋件定位進行校核（見圖5、圖6），而混凝土澆筑完成后需再次校核預埋件定位?；炷翝仓炦x自密實混凝土，澆筑過程中需控制混凝土下落速度，避免混凝土沖擊預埋件。預埋板下部混凝土確保密實為控制要點。

圖5 支座安裝定位

圖6 隔振支座連接示意圖

5 結語

本項目利用ETABS軟件對深圳某中學地鐵隔振項目進行了整體結構建模，基底輸入地鐵運行豎向振動信號。首先，通過有限元時程分析，發現未隔振結構的豎向振動加速度超出規范要求，有進行隔振設計的必要性。其次，對設置隔振橡膠支座后的建筑物在同樣的地鐵激勵下的時程響應進行了分析。根據有限元的分析結果，隔振后，結構在地鐵振動激勵下的振動由分散的局部振動轉變為整體振動，降低了結構振動頻率，各層樓板處的加速度均得到了有效地減少，基本達到我國規范中對地鐵周邊建筑物的振動限值要求。

理論分析是基礎，有效的實施也同等重要。隔振工程的設計需重視隔振支座的防火性能、變形協調和構造要求。在施工階段，要嚴格進行進場產品質量檢測、安裝精度控制和主體結構施工時的變形監測；在使用階段，要注意做好維護保養，才能使隔振技術成為建筑全壽命周期內的有機組成部分，在保障建筑整體安全性和使用性的基礎上有效實現隔振效果。