隔振技术在地铁上盖建筑结构中的应用

王 怡

（深圳市建筑工程质量安全监督总站,广东 深圳 518031）

为满足经济社会发展的需要，我国超大城市及大城市已建成或正在建设大量的地铁。地铁有效地缓解了地面交通拥堵的问题，但地铁振动也对沿线和上部建筑产生了不良影响，甚至影响到人们正常的工作、生活和学习。以深圳市为例，根据深圳市交通运输局披露的数据，截至2022年底，深圳城市轨道交通运营里程达546.85 km，位居全国第四。深圳市政府发布的《深圳市综合交通“十四五”规划》，强调了推进深圳城市轨道交通网络化发展的目标，确立了轨道交通在粤港澳大湾区枢纽集群协同发展中的主体地位。到2025年，深圳地铁通车里程将达到640 km，远期将达到1 000 km的城市轨道交通网络。在深圳，土地是一种稀缺资源，城市采用在车站、车辆段等线路节点建造结构的方式提高土地利用率。然而，即便采用最高等级的轨道减振措施，仍然难以避免地铁运行引起的建筑结构振动。越来越多的城市轨道交通线路不可避免地需近距离下穿居住区、办公区、博物馆、精密实验室等对环境振动要求严格的建筑物，而其所带来的振动影响极有可能造成精密实验室搬迁、文物受损、居住和办公舒适度下降。

地铁列车引起的环境振动及噪声问题日益突出，甚至影响了人们正常的生产和生活。地铁沿线，特别是地铁上盖建筑的轨道交通引起的振动问题亟待解决。深圳市以创新引领超大型城市可持续发展为主题，建设国家可持续发展议程创新示范区、中国特色社会主义先行示范区。《深圳市可持续发展规划（2017—2030年）（2022年修订）》指出，建设更高质量标准的普惠发展之城是深圳可持续发展的五大重要任务之一。不被轨道交通振动困扰，是在地铁沿线和上盖建筑中工作和生活的人们高质量生活的基本要求，是深圳市可持续发展的要求，是深圳建设中国特色社会主义先行示范区的要求。

本文以深圳某中学新校区建筑物为研究对象，分析下穿地铁所引起的竖向振动对建筑物的使用舒适度造成的影响[1]。经综合考虑建筑物的结构类型和地铁振动的特点，决定设置隔振橡胶支座[2-3]，通过底层隔振使振动效应降低到规范允许的范围之内。

1 结构动力分析

1.1 建立非隔振与隔振对比结构模型

（1）非隔振模型

取建筑物局部典型区域，在ETABS软件中建立四层钢筋混凝土框架结构模型，结构层高为3.4 m，总高为13.6 m，立柱采用450 mm×450 mm方形钢筋混凝土柱，梁采用500 mm×250 mm的矩形钢筋混凝土梁。基底采用固结形式，不做隔振设计，用于对比分析支座隔振效果，非隔振模型3-D视图如图1所示。

图1 ETABS非隔振模型

（2）线性隔振模型

采用设置隔振支座的隔振方式，由于该支座设计并未考虑其非线性特性，在ETABS软件中通过调整连接属性来模拟线性隔振支座。

利用隔振支座在该4层钢筋混凝土框架结构底部设置隔振层，完成线性隔振模型的建立，隔振层ETABS模型如图2所示。

图2 ETABS线性隔振模型

1.2 隔振支座及布置方案

（1）隔振支座参数

本项目采用的隔振技术，其实际工程及案例较少，为确保隔振的技术要求和施工质量，对隔振支座进行了产品检测[4]，其基本性能参数如表1所示。

表1 支座性能参数表

（2）隔振支座平面布置方案

该四层框架结构隔振设计采用的隔振支座平面布置示意图，如图3所示。

图3 隔振支座平面布置示意图

1.3 地铁振动加速度时程

地铁振动引起的地面振动加速度的优势频率段在40 Hz～70 Hz，且加速度幅值在60 mm/s2，对结构的振动影响主要由竖向振动控制。

根据地铁的优势频段及其幅值特性，采用优势频段为60 Hz～70 Hz、符合正弦波的曲线作为地铁振动加速度时程曲线，其满足地铁振动加速度时程的主要特点，地铁振动加速度时程如图4所示。采用时程函数法将图4所示的地铁振动加速度时程数据文件导入到ETABS软件中，作用于Z向，依据规范要求选取1.0倍恒荷载与0.5倍活荷载之和作为质量源，选用非线性直接积分法进行动力时程分析。

图4 地铁振动加速度时程曲线

1.4 振动考察点的选择

在正在运行的地铁激励下，结构各层发生竖向振动，为评估地铁振动对建筑物的影响及安装橡胶支座的隔振效果，以楼板中间处为考察点，各层取点位置相同。

2 隔振效果分析

2.1 安全性分析

通过对比隔振结构与非隔振结构顶层，由于地铁振动引起的水平X方向振动速度，安全允许振速取为4.5 cm/s（见表2），可以看出隔振与非隔振结构均满足安全允许振速的要求（见表3），可以保证结构在地铁振动下的安全性能。

表2 安全允许振速

表3 结构顶层X方向振速

2.2 舒适度分析

（1）隔振前后加速度峰值比较

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）规定：办公住宅类高层建筑竖向自振频率不小于4 Hz时，楼盖竖向振动加速度限值为50 mm/s2。

从表4隔振前后各层加速度最大值对比可以看出，隔振前第三层与第四层加速度超过加速度限值。该建筑为教学建筑，考虑到建筑使用特性，如果加速度超过限值会对建筑使用效果产生较大的影响[5-6]。从表4可以看出，使用橡胶支座隔振能够有效降低各楼层的竖向振动加速度峰值，并将超出限值的第三、四层加速度峰值降低到满足规范要求，减振效率最高可达36.32%，隔振效果良好。

表4 隔振前后加速度峰值对比

（2）隔振前后速度峰值比较

如表5所示，容许振动速度峰值与建筑舒适度密切相关，本建筑竖向振动容许振动速度峰值为1.0 cm/s，隔振前后速度峰值均满足舒适度要求，隔振后结构竖向振动速度减小，提高了建筑的使用舒适度。

表5 结构顶层竖向振速

3 隔振支座设计技术要求

3.1 防火要求

根据《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014）的5.1.1条以及《建筑防火通用规范》（GB 55037-2022）的5.3.1条相关民用建筑分类和耐火等级，该建筑属于一类建筑，耐火等级应为一级。另外，隔振支座属于竖向构件，需满足柱的防火要求，要求构件燃烧性能为不燃性，耐火极限为3 h。

3.2 竖向变形要求

橡胶隔振支座在竖向压应力作用下，各支座的设计沉降量应一致。

3.3 水平限位要求

对限位装置应提出具体的水平方向的限位要求，包括装配间隙、水平荷载、材料以及连接方式等，以保证水平荷载作用下构件的可靠性。对本项目的具体要求为：支座在水平方向上应具有限位功能，限位间隙（装配间隙）不超过±1 mm；限位装置水平承载力不小于2 000 kN，采用不低于Q390的钢材，不应采用焊接。

4 隔振支座安装工程的质量监督要点

4.1 支座进场核查

为了保证产品质量及施工安装质量，要求对支座进行检测并由设计方审核确认。

产品提供商须出示橡胶类隔振支座的第三方耐火试验检测报告，要求直径不低于1 000 mm；以及支座第三方耐火前后性能检测报告，要求耐火极限不小于3 h且耐火前后的性能偏差不大于15%。本工程产品的耐火工艺应不低于该报告产品的耐火工艺。

4.2 支座安装阶段

橡胶隔振支座定位准确是关键，对支座的安装精度应进行严格控制。应在橡胶隔振支座下支墩施工前充分研究施工方案，进行深化设计，避免支墩因埋板下部承台钢筋密集无法准确定位，确保隔振支座定位在容许偏差范围内。

（1）支承隔震支座的支墩（梁柱），其顶面水平度误差不宜大于5‰，安装后，隔震支座顶面的水平度误差不宜大于8‰。

（2）隔震支座中心的平面位置与设计位置偏差不应大于5.0 mm。

（3）隔震支座中心的标高与设计标高偏差不应大于5.0 mm。

（4）同一支墩布置多个隔震支座，各支座间的顶面高差不宜大于5.0 mm。

4.3 工程施工阶段

在工程施工阶段，应对隔震支座的竖向和水平变形作观测并记录，对上部结构、隔震层部件与周围固定物的脱开距离进行检查。浇筑混凝土前需对预埋件定位进行校核（见图5、图6），而混凝土浇筑完成后需再次校核预埋件定位。混凝土浇筑优选自密实混凝土，浇筑过程中需控制混凝土下落速度，避免混凝土冲击预埋件。预埋板下部混凝土确保密实为控制要点。

图5 支座安装定位

图6 隔振支座连接示意图

5 结语

本项目利用ETABS软件对深圳某中学地铁隔振项目进行了整体结构建模，基底输入地铁运行竖向振动信号。首先，通过有限元时程分析，发现未隔振结构的竖向振动加速度超出规范要求，有进行隔振设计的必要性。其次，对设置隔振橡胶支座后的建筑物在同样的地铁激励下的时程响应进行了分析。根据有限元的分析结果，隔振后，结构在地铁振动激励下的振动由分散的局部振动转变为整体振动，降低了结构振动频率，各层楼板处的加速度均得到了有效地减少，基本达到我国规范中对地铁周边建筑物的振动限值要求。

理论分析是基础，有效的实施也同等重要。隔振工程的设计需重视隔振支座的防火性能、变形协调和构造要求。在施工阶段，要严格进行进场产品质量检测、安装精度控制和主体结构施工时的变形监测；在使用阶段，要注意做好维护保养，才能使隔振技术成为建筑全寿命周期内的有机组成部分，在保障建筑整体安全性和使用性的基础上有效实现隔振效果。