科学装置在城市道路交通影响下不同桩基方案的微振动预测对比分析

目前，工程建设中不乏一些安装精密设备的实验室等科研建筑，这类建筑对振动的要求往往较高，需满足特定的项目工艺要求[1]。现代城市建设迅猛发展，城市道路纵横交错，实际工程选址又难以避开城市轨道交通线路，同时城市道路交通行车密度高，持时长，对周围地面和建筑的振动影响又较强烈[2-3]，当设计此类建筑结构时，需要对建筑场地及拟建结构的振动响应进行现场测试[4]与预测分析，根据分析结果指导结构设计，以达到规定的振动控制标准。

目前预测建筑物振动响应的分析方法包括：理论解析法、数值分析法[5-12]以及经验模型预测及现场实测法[13]。考虑到数值分析法成本低且应用范围广，本文采用该方法对拟建结构在建筑场地的振动响应进行预测分析。

采用桩筏基础可以有效降低科学装置中的微振动，不同桩基方案的减震效果也有所不同，本文对不同桩基选型下结构的微振动进行预测对比分析，根据分析结果进行结构的基础设计，对科学装置的桩基选型具有参考意义。

1 工程概况

1.1 振动评价标准

拟建科学装置建筑场地西、东、南三面临路，南面临河。建筑地上 9 层，地下 2 层，是综合了实验室、科研办公、学术会议等功能的科研大楼。由于拟建建筑内将安装精密设备，其地下室底板有微振动控制要求。根据项目工艺任务书要求，地下室底板的 1～100 Hz 位移均方根不大于 150 nm。

1.2 振动测试方案

振动测试共有 13 个测点，其中 C1～C8 为外部测点，C9～C13 为内部测点，各测点布置一个传感器，用于采集垂直方向地面的速度和位移。

为模拟城市道路交通的极端情况，安排 4 辆土方车（满载后约 60 t）沿周边道路行驶，记录各测点的振动数据，取其中典型 30 s 的位移和速度时程数据进行后续分析。

提取靠近道路和河流的四个测点 C2、C4、C6、C8 的数据作为有限元模拟时的激励数据，时程曲线如图1 所示。

图1 建筑场地地面垂向速度时程曲线

2 数值模拟

数值模拟采用大型通用有限元软件 ABAQUS 进行三维模型非线性瞬态动力分析，计算采用隐式动力分析方法。

2.1 模型建立

有限元模型土体平面尺寸取 250 m×200 m，土体深度约为 100 m。土体采用三维实体单元 C3D8R 模拟，土体实体单元网格尺寸划分约为 4 m[14]，土体整体模型单元网格划分如图2 所示。

图2 土体三维模型网格划分

2.2 参数选取

动力作用下，当土应变在 10-6～10-4范围（如车辆行驶等引起的振动）时，土显示出近似弹性的动力特性；当土应变在 10-4～10-2范围（如打桩、中震等引起的振动）时，土体进入弹塑性。由于本文研究工况属于微振动控制范围，土体应变很小，因此本文数值分析中土体采用线弹性模型分析。

土体的动弹性模量、密度、动泊松比根据勘察报告土体的物理力学参数确定，详见表1。

表1 土体物理力学参数

本文土体阻尼比采用经验值确定。目前有很多学者总结了不同地区各类土体阻尼比随剪应变变化的经验数据，其中张亚军等[15]学者对于上海地区各类土的阻尼比进行了统计研究，研究表明，在低剪应变水平（动剪切应变在 10-6～10-4范围）下，黏性土的阻尼比可取土体阻尼比为 2%。

2.3 边界条件

土体外侧四周采用无限单元模拟土体的半无限空间体特性；结构地下室外墙及地下室底板与土体相接处采用接触边界，结构内部梁柱墙板均采用绑定连接；桩与结构底板采用绑定连接，桩与土体采用嵌入约束。

土体为半无限空间体，分析区域应为无限大，为节约计算成本，本文采用 ABAQUS 提供的无限元单元模拟结构相关范围以外土体，避免了人工截断土体边界而在边界处产生的波的反射。土体无限元区域设置在土体四周。土体底部采用固结边界，约束 UX、UY、UZ 3 个方向位移。

2.4 加载及分析步

土体表面四周边界施加现场实测的垂向激励数据，激励数据根据场地测点 C2、C4、C6、C8 实测速度时程曲线输入。分析步长取 0.002 s，分析时长取 30 s。

采用更靠近实验室中心位置的测点 C13 用于测试数据与数值模拟数据的对比。将速度时程曲线每 10 s 分段处理得到 1～100 Hz 位移均方根结果，与实测结果对比见表2。从表中可以看出，3 个测点的位移均方根模拟结果与实测结果之间的误差均不超过 5%，说明数值模型可以较好的模拟建筑场地的微振动。

表2 模拟结果与实测数据对比

3 桩基选型对比分析

3.1 不同桩基方案拟建结构模型

拟建结构平面尺寸约为 170 m×200 m，桩基混凝土强度等级为 C35，筏板厚 1 450 mm。地下一层层高 8 m，板厚 300 mm，地下二层层高 10 m，板厚 1 450 mm，混凝土强度等级为 C35。

本文共设计了 6 种不同的桩基方案，对桩长和桩数对结构微振动的影响进行研究。由于只增加桩长会造成较大的浪费，因此在增加桩长时本文也设计了在满足桩基承载力前提下减少桩数的方案，以实现减振效果和经济性的平衡。各方案桩长与桩数见表3。

表3 各方案桩长与桩数

梁、柱及桩梁单元网格尺寸划分约为2m，板、墙壳单元网格尺寸划分约为 4 m，结构整体模型单元网格划分见如图3 所示，结构-土体相互作用模型约 8.4 万个单元。

图3 结构-土体相互作用模型网格划分

地下室结构采用线弹性本构模型，梁板柱墙均为C35混凝土，根据《混凝土结构设计规范》[16]确定混凝土弹性模量为3.15×106 MPa，泊松比为 0.2，密度为 2 400 kg/m3，阻尼比取为 5%。

3.2 边界条件

结构地下室外墙及地下室底板与土体相接处采用接触边界，结构内部梁柱墙板均采用绑定连接；桩与结构底板采用绑定连接，桩与土体采用嵌入约束。

土体表面四周边界施加现场实测的垂向激励数据，分析步长取 0.002 s，分析时长取 30 s。

3.3 微振动预测对比分析

采用不同桩基方案结构底板的微振动模拟计算结果与建筑场地的测试结果对比见表4。可以看出，重载车辆影响下，除了桩长 36 m 的两个桩基方案在测点 C13 外，不同方案中拟建结构各测点 1～100 Hz位移均方根均能满足不超过 150 nm 的工艺要求。

表4 各测点振动数据与结构减振系数 单位：nm

从测点 C9 和测点 C11 的计算结果可以看出，减振系数最大的并不是桩长更长、桩数更多的方案，而是桩长 46 m，桩数 435 根的方案 4，说明对于结构中的某些特定位置，不同桩基方案减振效果的强弱与桩长和桩数并非简单的正相关，而是在某一桩长和桩数的组合下能够取得更好地减振效果。对于测点 13，桩长越长，桩数越多，减振效果越好，同时测点13的计算结果明显高于其他两个测点，说明结构中不同位置在城市道路交通影响下的微振动存在明显差异，建筑中实验室可以布置在微振动更小的区域。

4 结 语

本文对某科研大楼场地实测振动响应数据进行提取分析，利用有限元数值分析方法模拟该项目建筑场地与拟建结构底板振动响应情况，对科学装置在城市道路交通影响下不同桩基方案的微振动进行对比分析，结论如下：

（1）通过对比科学装置建筑场地在城市道路交通影响下微振动的实测数据和有限元模拟结果，说明采用数值分析方法可以较好的模拟本项目建筑场地微振动下的动力特性，得到较准确的模拟结果。

（2）在桩长较短时结构的减振效果较差，对于本项目，在桩长 36 m 时结构中部分位置振动不能满足 1～100 Hz 位移均方根 150 nm 的工艺要求，桩长不小于 46 m 时，各测点均能满足要求。

（3）结构中部分位置的减振效果与桩长和桩数不是正相关，桩长 46 m、桩数 435 根的方案在部分位置减震效果最好，同时兼顾了经济性。

（4）结构中不同位置在城市道路交通影响下的微振动存在明显差异，建筑中实验室可以布置在微振动更小的区域。

（5）结构建成后，应对结构目标楼板振动响应进行实测分析，验证预测模型的合理性和可行性。