精密設(shè)備區(qū)建筑結(jié)構(gòu)微振動(dòng)控制技術(shù)研究與應(yīng)用

曹建軍 閆海龍 熊登杰 李遠(yuǎn) 潘郁林

【摘要】本文主要討論了一種精密設(shè)備區(qū)域微振動(dòng)控制技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與采集，數(shù)值模擬，建筑整體基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，減震、隔震措施的應(yīng)用等一系列技術(shù)措施，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行控制，使其達(dá)到精密設(shè)備要求，滿(mǎn)足建筑使用功能

【關(guān)鍵詞】精密設(shè)備;微振動(dòng);數(shù)值模擬;減震;隔震

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU3

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1671-3362（2020）08-0120-02

建筑物的振動(dòng)控制決定了整個(gè)建筑的使用功能。當(dāng)代社會(huì)科技發(fā)展迅速，越來(lái)越多的設(shè)備對(duì)安置條件提出了嚴(yán)苛的要求，其中精密加工與檢測(cè)設(shè)備、計(jì)量與檢測(cè)儀器、光學(xué)加工及檢測(cè)設(shè)備、顯微鏡等高精設(shè)備振動(dòng)容許峰值<300μm/s甚至更低。

為了滿(mǎn)足振動(dòng)控制要求，依托合肥離子醫(yī)學(xué)中心工程項(xiàng)目為載體，結(jié)合振動(dòng)測(cè)試及數(shù)值模擬，探索了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)對(duì)振動(dòng)控制的影響，同時(shí)利用多項(xiàng)隔振減震措施，對(duì)振動(dòng)進(jìn)行控制，形成了建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制綜合技術(shù)，為類(lèi)似工程提供數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)借鑒參考[1]。

1.工程背景

1.1項(xiàng)目背景

合肥離子醫(yī)學(xué)中心項(xiàng)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(gè)旋轉(zhuǎn)治療艙、1個(gè)固定束治療艙、1個(gè)科學(xué)研發(fā)室），是項(xiàng)目施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商BID文件說(shuō)明，振動(dòng)對(duì)本工程的影響控制要求為：在PT系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，建筑振動(dòng)必須被限制在IES-RP-CC012.1? A類(lèi)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)室類(lèi)型建筑物范圍內(nèi)。對(duì)于該報(bào)告沒(méi)有陳述到的頻率，不得超過(guò)最大振動(dòng)速率100 μm/s。

1.2施工背景

項(xiàng)目位于合肥市高新區(qū)長(zhǎng)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(chǎng)地暫無(wú)施工，僅北側(cè)及西側(cè)有道路通車(chē)。

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(duì)振動(dòng)要求高，當(dāng)外界振動(dòng)超過(guò)限值時(shí)，一方面可能會(huì)對(duì)質(zhì)子治療系統(tǒng)本身造成損害，另一方面會(huì)影響質(zhì)子治療系統(tǒng)的正常工作。場(chǎng)地平面如圖所示。

2.影響因素分析

2.1環(huán)境振動(dòng)

環(huán)境振動(dòng)往往是由自然的原因（如風(fēng)）和人為的原因（如交通活動(dòng)或機(jī)械運(yùn)動(dòng)、工程施工活動(dòng)等）所造成的，一般可分為兩大類(lèi)，即地面脈動(dòng)和人類(lèi)活動(dòng)的近距離干擾振動(dòng)。

對(duì)于精密設(shè)備可能受到環(huán)境振動(dòng)影響的工程，建設(shè)場(chǎng)地原則上應(yīng)該盡量選擇遠(yuǎn)離地鐵、城市干道等交通繁忙區(qū)域，但由于城市建設(shè)迅猛發(fā)展的要求和現(xiàn)狀，城市道路縱橫交錯(cuò)，在工程選址有時(shí)難以全部避開(kāi)。

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(dòng)，尤其是場(chǎng)地北側(cè)和場(chǎng)地西側(cè)的道路交通以及臨近規(guī)劃地鐵線(xiàn)路。

2.2建筑物振動(dòng)

除了環(huán)境振動(dòng)外，建筑結(jié)構(gòu)本身有大量的振源。本工程震源主要包括：設(shè)備機(jī)房震動(dòng)、屋面設(shè)備振動(dòng)、管線(xiàn)振動(dòng)。

3.數(shù)據(jù)采集及模擬

3.1數(shù)據(jù)采集

根據(jù)測(cè)試目的，在天然場(chǎng)地共布置了7個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)沿垂直道路方向布置，各測(cè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)試平行長(zhǎng)寧大道、垂直長(zhǎng)寧大道、豎向三個(gè)方向的振動(dòng)速率。測(cè)試期間，場(chǎng)地內(nèi)部有推土機(jī)和挖土機(jī)及施工勘察單位鉆機(jī)不間斷施工。對(duì)記錄的數(shù)據(jù)在時(shí)域和頻域進(jìn)行分析，并與控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，具體處理步驟如下：①將記錄的振動(dòng)速度數(shù)據(jù)以30s為單位劃分多個(gè)樣本;②將所有的樣本按不同情況進(jìn)行分組（如安靜時(shí)段、土方車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)段等），并按照VC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算每個(gè)樣本的1/3倍頻程峰值;③將1/3倍頻程峰值與控制標(biāo)準(zhǔn)比較。

分別選取了如下三種情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

（1）情況一：安靜時(shí)段，為道路交通等其他荷載影響較小的時(shí)段;

（2）情況二：土方車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)段，為土方車(chē)經(jīng)過(guò)且其他荷載影響較小的時(shí)段;

（3）情況三：挖土機(jī)施工時(shí)段，為挖土施工的時(shí)段。

由于本項(xiàng)目場(chǎng)地鄰近的地鐵線(xiàn)路尚未通車(chē)，因此其引起的場(chǎng)地振動(dòng)采用工程類(lèi)比的方法進(jìn)行，通過(guò)對(duì)合肥地鐵1號(hào)線(xiàn)引起的地面振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，近似估算地鐵引起本項(xiàng)目天然場(chǎng)地的振動(dòng)，具體測(cè)試位置鄰近廬州大道長(zhǎng)沙路交叉口，測(cè)點(diǎn)沿長(zhǎng)沙路布置，側(cè)線(xiàn)垂直于地鐵一號(hào)線(xiàn)。對(duì)記錄的數(shù)據(jù)在時(shí)域和頻域進(jìn)行分析，并與控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，分別選取如下兩種情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

（1）情況一：安靜時(shí)段，無(wú)地鐵經(jīng)過(guò)且道路交通等其他荷載影響較小的時(shí)段;

（2）情況二：地鐵經(jīng)過(guò)時(shí)段，有地鐵經(jīng)過(guò)且道路交通等有其他荷載影響較小的時(shí)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(dòng)控制，土體變形屬于小應(yīng)變范疇，土體的小應(yīng)變幅的動(dòng)剪切模量根據(jù)勘察報(bào)告中常用的波速法試驗(yàn)測(cè)定。

3.2.2邊界條件

建立結(jié)構(gòu)土體整體三維模型進(jìn)行分析，計(jì)算模型邊界中的數(shù)值，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果作為邊界強(qiáng)迫位移輸入。數(shù)值模擬分析的振源采用實(shí)測(cè)時(shí)有組織車(chē)輛的工況，即在固定時(shí)段組織車(chē)輛沿著周邊公路行駛，模擬實(shí)際情況下周邊環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)情況。

3.2.3激勵(lì)荷載

采用實(shí)測(cè)的長(zhǎng)寧大道上土方車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的時(shí)程作為激勵(lì)荷載，選取測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為激勵(lì)荷載。

3.2.4分析結(jié)果

選取下圖8個(gè)位置的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，其中4個(gè)點(diǎn)位于板中，4個(gè)點(diǎn)位于墻邊。

根據(jù)模擬結(jié)果得到基礎(chǔ)底板1/3倍頻程峰值：

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

（2）長(zhǎng)寧大道上的道路交通引起質(zhì)子治療系統(tǒng)基礎(chǔ)底板x、y、z向振動(dòng)1/3倍頻程峰值最大值分別29、21、14?m/s，滿(mǎn)足振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.減震措施

4.1震源強(qiáng)度控制

對(duì)主要震源即道路交通引起的環(huán)境振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行控制，是減少其對(duì)精度設(shè)備基礎(chǔ)影響的有效措施，當(dāng)條件許可時(shí)，可對(duì)與產(chǎn)生道路交通環(huán)境振動(dòng)強(qiáng)度密切相關(guān)的車(chē)輛行駛速度、車(chē)輛載重量等技術(shù)參數(shù)作適當(dāng)限制。此外，還可以通過(guò)加強(qiáng)路面養(yǎng)護(hù)和改善路面平整度等措施來(lái)加以控制。

4.2樁基減震措施

根據(jù)振動(dòng)控制的工程經(jīng)驗(yàn)，建筑樁基也具有良好的減震性能，不同的樁有效長(zhǎng)度即樁的數(shù)量對(duì)樓板震級(jí)的影響不同，進(jìn)行抗微振樁基設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到振動(dòng)控制目標(biāo)。

4.3基礎(chǔ)隔板措施

基礎(chǔ)隔板是目前廣泛使用的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制策略之一，基礎(chǔ)隔板是通過(guò)在建筑物的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間放置鋼彈簧或者橡膠塊從而隔離大地傳播的振動(dòng)，基礎(chǔ)隔震的減震原理是：

（1）降低結(jié)構(gòu)的固有頻率;

（2）增大結(jié)構(gòu)的阻尼。

4.4隔震溝

根據(jù)周邊道路交通實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)，加速度主要影響頻率范圍為10～20HZ，對(duì)應(yīng)剪切波波長(zhǎng)為13.5～27m，瑞雷波波長(zhǎng)約14～28m。

隔震溝溝深一般不小于地面瑞雷波波長(zhǎng)的1/4.隔振溝深度約為3.5～7.0m。根據(jù)場(chǎng)地情況，結(jié)合工程造價(jià)及后期可能的用途綜合考慮，隔震溝深度同筏板基礎(chǔ)埋深，約為4.8m，寬度約為1.2m。該隔震溝主要對(duì)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(xiàng)目室外隔震溝位置位于場(chǎng)地北側(cè)，靠近燕子河路紅線(xiàn)圍墻。為防止場(chǎng)地外道路擾動(dòng)土體，影響門(mén)診住院樓及質(zhì)子治療區(qū)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)精度與振動(dòng)要求，故設(shè)計(jì)室外隔振溝。

5.小結(jié)

在現(xiàn)場(chǎng)施工完成后進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

（1）道路交通引起天然場(chǎng)地振動(dòng)測(cè)試及結(jié)果表明：整個(gè)測(cè)試期間各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度1/3倍頻程峰值最大值為245?m/s，場(chǎng)地振動(dòng)滿(mǎn)足VC-A標(biāo)準(zhǔn);

（2）合肥地鐵1號(hào)線(xiàn)試運(yùn)營(yíng)引起天然場(chǎng)地振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明：地鐵經(jīng)過(guò)時(shí)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度1/3倍頻程峰值最大值約為270?m/s，場(chǎng)地振動(dòng)滿(mǎn)足VC-A標(biāo)準(zhǔn)。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果：長(zhǎng)寧大道上的道路交通引起質(zhì)子治療系統(tǒng)基礎(chǔ)底板上x(chóng)、y、z向振動(dòng)1/3倍頻程峰值最大值為29.5?m/s，滿(mǎn)足振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。樁基礎(chǔ)有較好的減震效果;

（4）采用目前的結(jié)構(gòu)、樁基方案以及減振措施，可以有效地控制減震結(jié)構(gòu)振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 隔震技術(shù)簡(jiǎn)介[J]. 郝會(huì)山.? 門(mén)窗. 2014（12）

[2] 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)的原理和應(yīng)用[J]. 王國(guó)祥，何斌，柯譜. 江西建材. 2017（12）

（作者單位：合肥離子醫(yī)學(xué)中心有限公司）