三维隔震（振）技术研究综述

   三维隔震（振）技术研究综述

谢,潜1

(1.广州大学土木工程学院，广东 广州，510006）

摘要：近年来，由于三维隔震减振技术在地铁上盖建筑的需求，国内外很多专家学者投入其中进行研究，使得三维隔震技术空前发展，发明了很多新型技术和专利等来解决相应问题。本文就回顾总结了近年来国内外三维隔震（隔振）技术的发展历程并进行归纳总结。给读者提供一个了解三维隔震（隔振）的途径。

关键词：三维隔震（隔振）；隔震减振；地铁上盖建筑；隔震支座

引言

近年来，城市地铁轨道交通发展迅猛，越来越多的城市投入地铁系统的建设中，地铁上盖或沿线物业也逐步增多。而地铁运营过程中引发的环境振动由隧道和土体向地铁上盖建筑及周边建筑传播，给人们的生活带来了诸多困扰。环境振动会影响人们的日常工作和生活，长期处于严重的环境振动和噪声会对人的健康和安全产生严重危害。日本已将环境振动和噪声列为七大公害之首。

基于对环境振动的控制要求，通过对建筑物进行减振设计从而减小环境振动带来的影响具有非常重要的意义。对于地铁运行所致的环境振动及二次噪声的问题，国内外学者做了大量的研究，其隔振减振控制策略主要分为三种：（1）从振源上降低振动强度，如在轨道和枕木之间安装橡胶隔振垫、设置浮置板道床等；（2）从传播途径上阻断或减弱振动，应用较多的有地铁隔声屏障；（3）地铁上盖或沿线建筑采用橡胶支座或弹簧支座进行隔震减振，如表所示。

对于我们专业能做的就是进行三维隔震减振来进行控制，从传播途径上阻断振动的传播。因此，研究结构的三维隔震减震技术是很有必要的。基于三维隔震技术在地铁上盖建筑中的需求，本文就国内外三维隔震技术在地铁上盖建筑的研究情况进行了总结和学习。

2.1 国内外研究概况

2.1.1地铁振动对建筑物的影响

1863 年，伦敦修建了世界上第一条地下铁路——伦敦大都会地铁。地铁运营过程中，车轮与轨道产生撞击振动，振动通过周围的土体、隧道向上传递，从基础传播至地铁上盖及沿线建筑主体，并通过建筑内部的墙体与楼板产生二次噪音污染。国外关于轨道交通引起的振动监测，早期主要根据现场振动测量结果，给出经验计算公式。如70年代 Kurzweil[1]和Lang[2]给出了振级与距离有关的简单预测公式。随后，Hayakawa K, Sawatake M, Gotoh R[3]对结构振动的机理及振动波的传播方式和地铁引起的振动对周围居民的影响进行了研究，提出了预测环境振动大小的方法。P. Fiala[4]应用有限元方法对地铁运行引起的环境振动及结构内部产生的噪声进行了分析。日本的青木一郎[5]和HayakawaS[6]等分别就车辆交通引起的结构振动发生机理、振动波在地下和地面的传播规律及其对周围居民的影响进行了研究，提出了周围环境振动水平的预测方法。英国铁路管理局研究发展部技术中心主要就行车速度、激振频率和轨道参数的相关关系以及共振现象进行了实验研究。楼梦麟,李守继[7]针对上海地铁隧道正上方某拟建建筑物的振动问题，建立了上部结构的有限元模型，并根据国家标准对地铁引起建筑物的振动做出了研究。

2.1.2 隔振措施及研究现状

城市轨道交通系统产生的振动主要是以波的形式通过结构和周围地层传播到振动影响的区域或个人，减振隔振可以从振源、传播途径、建筑物三方面入手。在建筑物方面主要是对地铁上盖或沿线建筑采用橡胶支座或弹簧支座进行隔振减振。

1985年，日本 Ohbayshi公司[8]将三维隔震减振技术运用在了筑波市的科学研究大楼，针对存有精密仪器设备的区域，室内楼板采用空气弹簧系统来降低设备振动。1996年，Fujita S, Kato E, Kashiwazaki A[9]提出了一种新型的三维隔振系统，其水平一阶固有频率为0.5 Hz，竖向一阶固有频率小于3.5 Hz，并采用摇摆抑制系统来抑制结构摇摆，防止建筑结构的摇晃。通过振动台试验和响应分析进行研究发现，该隔震系统对于降低建筑物和内部设备对交通振动激励的响应非常有效。李爱群、王维[10]开发了一种由碟形弹簧和铅芯橡胶支座组合而成的三维隔震减振系统并采用时程分析法研究了结构在地铁振动下的动力响应，结果表明该装置能够有效提高地铁沿线建筑的舒适度。Gian Paolo Cimellaro、Marco Domaneschi[11]采用竖向负刚度装置的三维隔震装置。HASHIZUME Hisayoshil[12]为解决日本地铁与交通设施附近房屋的振动与噪声问题，研发了一种新型三维隔振装置，该装置将钢制螺旋弹簧与粘弹性阻尼器并联组成，通过对该支座进行振动台试验的结果表明，该支座能有效地减少地铁引起的振动对结构的影响。WEL Lu-shun、ZHOU Fu-lin[13]发明了一种新型三维隔震装置，并

图1 弹簧-粘滞阻尼器隔震器

将其安装在两栋特定的住宅楼下方，通过对隔震和非隔震的建筑物进行了现场试验，以进行比较。试验结果表明，该系统在抑制地震或列车运行引起的建筑物振动方面非常有效。Fiala P, Degrande G

[14]研究采用浮置楼板、房屋室内隔振和基底隔振三种减隔振方案对地铁周边建筑物进行减振，采用数值分析的方法分析了不同减振措施的隔振效果，对比发现建筑物基底隔振的方法隔振效果较好。田仲理等[15]制作了一个由双线性弹簧机构竖向隔震系统和半圆弧形弹簧水平隔震系统组成的三维隔震装置，并通过试验和数值模拟验证了隔震效果；与最大输入加速度相比，最大水平和竖向加速度响应分别下降到约1/6和1/2。Fujita S，Minagawa K[16]研发了智能空气隔震系统，感应器检测到地震波时，压缩机向空气弹簧支座内充气，抬升结构以实现隔震的目的。曹迎日,潘鹏[17]发明了碟簧-摩擦摆三维隔震装置(3DFPS)，由碟簧竖向隔振单元和摩擦摆水平隔震单元组成，可以实现环境激励工况下建筑结构的竖向隔振与地震工况下的水平隔震。

3.总结

环境振动、噪声污染是现在困扰人们的难题，是急需的问题。在地铁上盖建筑和环境振动控制方面，国内大约在十多年前开始初步关注研究，在最近几年引来了剧增。虽然国内外对三维隔震进行了一些列的研究，但是仍然存在一些问题，还需要进一步深入研究，三维隔震结构的倾覆问题，力学参数和设计参数对应的定量化关系尚不明确，三维隔震装置的构造太过复杂，使得隔震装置的造价过高。因此，如何进一步优化建筑三维隔震装置是目前亟待解决的问题，使得有必要深入对建筑三维隔震装置的机理性研究，通过跨领域、跨学科广泛开展交流合作与试验研究，以简化装置构造、降低装置成本、提高装置性能。

参考文献：

[1]Kurzweil L G. Ground-borne noise and vibration from underground rail systems[J]. Journal of Sound and Vibration, 1979, 66(3): 363-370.

[2]Lang J. Result of measurements on the control of structure-borne noise from subways [C]// Seventh international congress on acoustics, Budapest. 1971: 421-424.

[3]Hayakawa K, Sawatake M, Gotoh R, et al. Reduction effect of ballast mats and EPS blocks on ground vibration caused by trains and its evaluation[C]//INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings. Institute of Noise Control Engineering, 1992, 1992(2): 593-596.