混凝土板尺寸对主动隔振效果影响的试验研究

2020-04-30刘晶磊

河北建筑工程学院学报 2020年4期

张楠刘晶磊* 王洋

(1.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北张家口 075000；2.河北省寒冷地区交通基础设施工程技术创新中心，河北张家口 075000；3.河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000)

0 引言

振动可使精密的仪器在运转时受到影响，可使邻近建筑物遭受不同程度的危害，严重时可造成基础下沉，建筑物倾斜墙体开裂等，对周围人群的正常生活也能造成一定影响，严重时甚至会危害人体健康.随着振动对人们生活的负面影响越来越显著，研究如何减小振动带来的危害也变得越来越重要.

在远场被动隔振方面，广大学者已对空沟、排桩等典型屏障做了深入研究，且得出了试验参数变化对隔振效果的影响和如何提高隔振效率的许多结论，相比而言近场主动隔振方面的研究则较少.刘晶磊[1-2]等采用桩板组合结构进行主动隔振，通过有限元法和试验探究了桩板结构参数变化对隔振效果的影响.有研究表明可在振源下埋置波阻板进行隔振[3].高广运[4-5]等基于薄层法对波阻板的隔振性能进行了研究，结果表明增加波阻的弹性模量、厚度、宽度以及选取较小埋深均可增强波阻板隔振效果.王俊峰[6]基于有限元模型模拟了地铁运行产生的振动对周围建筑的影响，通过对各楼层的振动加速度振级进行分析，结果表明水平和竖直振动的振幅相当，且当波阻块的厚度增加后减隔振效果得到提升.周凤玺[7]等通过采用线弹性理论和Biot多孔介质理论对含液饱和多孔波阻板进行了深入研究，分析了其弹性模量、孔隙率和孔隙中流体的黏滞系数对隔振的影响.时刚[8]等基于频域弹性边界元法推导了将波阻板用于远场隔振的效果，结果表明波阻板能起到隔振作用且隔振效果随厚度的增加而提高.马强[9]等基于线弹性理论对梯度波阻板进行了研究，结果表明增大其厚度可改善隔振效果.丁智[10]等通过2.5维有限元法研究得出波阻板的厚度增加后隔振作用得到了加强.

以上研究已经取得一系列有价值的成果，不过多为理论方面研究，且以上研究表明波阻板的尺寸对于隔振效果有重要意义，因此本文通过现场试验，探究在振源下方的土层中埋置混凝土板后其宽度、厚度变化对隔振效果的影响.

1 试验概况

1.1 试验场地及试验设备

本试验为室外试验，选取较为平整空旷且附近车辆较少的试验场地来减少外部环境对试验的干扰.在试验场地开挖长宽均为4m深2m的土坑，通过对坑内土体换填的方式消除了原本土体中含有的砾石杂质的影响，换填的土体为河沙.回填过程中使回填土总体积与挖出土体体积相同，且进行分层夯实.

图1 试验布局

试验采用WS-Z30型振动台控制系统，设备主要包括数据采集控制仪、功率放大器、电荷放大器、激振器、加速度传感器、信号发生器、加速度计放大器.在试验场地地表放置激振器作为振源产生振动，通过对加速度传感器采集的数据进行分析，进而比较混凝土板参数变化对隔振效果的影响.图1为试验场地的示意图，在场地中心位置埋置混凝土板，激振器位于混凝土板上方土层表面的中心位置，沿混凝土板区域的中轴线在距振源70cm处开始依次布置5个传感器，1、2、3号传感器的间距为10cm，3、4、5号传感器的间距为20cm.

表1 混凝土板的尺寸工况

1.2 试验方案

本试验中，采用C30混凝土板，厚度分别为2.5cm、5cm和7.5cm，长度与宽度相等且分别为60cm、90cm、120cm；混凝土板埋置深度为30cm.振源频率f为50Hz和60Hz，尺寸工况如表1所示.

2 试验结果分析

2.1 试验结果图像

鉴于采集到的图像数量较多，于是选取部分有代表性的图像.图2和图3为2号加速度传感器采集到的部分数据图象，采样时间内波动稳定，数据较为可靠.

图2 无隔振措施时加速度图3 有隔振措施时加速度

图2为无隔振措施时的数据图像，图3为埋置了厚5cm，宽90cm混凝土板后的数据图像，图2中波的峰值明显大于图3中波的峰值，可见混凝土板有效起到了隔振的作用.

2.2 试验结果评价方式

为直观体现埋置混凝土板后的隔振效果，将测试区内加速度传感器采集到的数据进行整理，取传感器采样时间内数据图像上平稳段的加速度最大值作为该测试点的加速度值，通过对比不同工况的加速度变化来分析混凝土板参数变化对隔振效果的影响.

2.3 不同厚度混凝土板的隔振效果比较

对1-5号传感器采集到的数据进行处理，取混凝土板宽为90cm的试验结果进行说明，对比不同厚度混凝土板的隔振效果，如图4所示.

由试验结果可知，当混凝土板厚度为2.5cm时，在传感器测试区地表的加速度值明显小于无隔振时的测试结果，取测试区两端测试点的结果即1号和5号传感器采集到的数据进行说明，f为50Hz时相比无隔振措施时在距振源70cm处的加速度减小了0.034m/s2，距振源130cm处减小了0.015m/s2，f为60Hz时相比无隔振措施时在距振源70cm处的加速度减小了0.039m/s2，距振源130cm处减小了0.019m/s2，可见混凝土板起到了隔振效果.当混凝土板的厚度增加至5cm后，测试区范围内的加速度值又有所降低.7.5cm厚的混凝土板隔振效果最好，f为50Hz时相比无隔振时在距振源70cm处的加速度减小了0.053m/s2，距振源130cm处减小了0.023m/s2，f为60Hz时在距振源70cm处的加速度减小了0.057m/s2，距振源130cm处减小了0.026m/s2.在两种不同频率下混凝土板均可起到隔振作用，且在f为60Hz时加速度减少的更多.综合来看在不同频率下增加混凝土板的厚度都有益于达到隔振的目的.

(a)f=50Hz (b)f=60Hz

2.4 不同宽度混凝土板的隔振效果比较

对1-5号传感器采集到的数据进行处理，取混凝土板厚度为5cm的试验结果进行说明，对比不同宽度混凝土板的隔振效果，结果如图5所示.

(a)f=50Hz (b)f=60Hz

在测试区域内无隔振措施时的加速度值明显大于埋置混凝土板后的测试值，且通过对比板宽为60cm、90cm和120cm的试验结果可知增加混凝土板的宽度可达到提高隔振效果的目的.取测试区相对靠中的两个测试点的测试结果即2号和4号传感器采集到的数据进行说明.对比无隔振措施的试验结果，f为50Hz时埋置60cm宽的混凝土板后可在距振源80cm远处将加速度值降低0.024m/s2，在距振源110cm处可降低0.017m/s2，f为60Hz时在距振源80cm处加速度降低了0.029m/s2，在距振源110cm降低了0.023m/s2.宽度为120cm的混凝土板隔振效果最好，埋置宽120cm的混凝土板后当f为50Hz时距振源80cm处加速度降低了0.041m/s2，振源110cm处加速度降低了0.027m/s2，当f为60Hz时距振源80cm处加速度降低了0.045m/s2，振源110cm处加速度降低了0.033m/s2.从试验结果来看，在不同频率下增加混凝土板的宽度均可增强隔振效果，且本试验中混凝土板在f为60Hz时降低的加速度更多.