近年来, 随着城市经济的高速发展和城市化进程的不断加快, 城市发展中的各种矛盾日益突出, 很多国家已把地下空间的开发利用作为解决城市土地、人口和环境危机, 节约资源, 走可持续城市化发展道路的重要措施。我国城市土地资源供应与经济发展需求之间的矛盾愈演愈烈, 面对人口增长、能源短缺、环境污染等诸多问题, 加快开发和利用地下空间, 是缓解城市用地瓶颈的有效途径, 也是21世纪城市现代化的重要发展趋势。目前, 我国沿海发达城市 (北京、上海、广州、深圳等) 已经掀起了地下空间开发的热潮。

　　 然而, 随着地下空间的开发, 地下建筑结构的埋深愈来愈浅, 许多城市综合体的规划中已经将道路直接设置在地下空间结构的顶板之上, 这将导致交通荷载直接作用于地下建筑结构上。由于路面不平顺、车辆行驶的振动等因素, 交通荷载运行时对路面产生的激励将会直接引起地下空间结构的振动。振动不仅对地下结构本身产生影响, 结构的振动还会产生二次噪声, 对地下空间结构产生干扰。在这样的环境中长期工作和生活会使人产生严重的不舒适感和不安全感。

　　 事实上, 在无法消除或减弱振源的情况下, 为减小已有交通荷载引起的振动影响, 目前减振措施主要为空沟 (或填充沟) 、地基加固和筏基等, 以减小人群的不舒服感, 在城市地下空间结构上的减振问题理论和实践尚无成熟经验和可靠方法可供参考。因此, 对地下空间结构上方的交通荷载进行减振设计逐渐成为工程师亟待解决的问题。

　　 本文创新性地提出在地下建筑物顶板上设置钢弹簧浮置板, 这种新型的钢弹簧浮置板减振系统, 可以有效地解决地下空间的振动问题, 有效地减小道路交通荷载传递的振动, 而且此系统具有维护费用低、可更换和绿色环保等特点。这是国内首次将浮置板新型结构应用于市政道路下方的城市地下空间结构减振设计中, 发明成果具有良好的社会、经济效益和工程推广价值。

　　 万博商务中心位于广州市番禺区北部, 是一特大型多功能城市综合建筑体, 其核心区总建筑面积近180万m²。万博商务中心计划建设成集商务办公、五星级酒店、会展中心、商业公寓、风情购物街、休闲娱乐于一体的总部经济基地。

　　 万博商务中心核心区地下空间是一特大型多功能地下空间, 地下空间结构上方为市政道路, 主环路北段地下一层商业区域的顶板直接位于万惠二路的车行道下, 汽车荷载直接加载在地下一层结构的顶板上。由于车道流量相对较大, 在汽车的反复加载-卸载的循环作用下, 一方面, 市政道路交通引起地下空间结构振动, 将导致地下结构的损伤, 引起建筑物产生裂纹甚至沉降;另一方面, 由于汽车荷载的循环作用引起结构顶板产生不规律且较大幅度的振动, 将对车行道下的商业区域产生负面影响, 影响人的舒适度及身体健康。根据《城市区域环境振动标准》 (GB 10070—1988) ^[1], 本项目振动按2类振动环境标准进行控制, 即环境振动Z振级昼间不大于75dB, 夜间不大于70dB;又根据《城市区域环境噪声标准》 (GB 3096—93) ^[2]的相关规定, 本项目工程减振按2类振动环境标准进行控制, 即环境噪声等效A声级昼间不大于60dB, 夜间不大于50dB。

　　 振动控制主要是降低竖向振动, 噪声控制主要是降低空气声与固体声。为减少汽车通过时引起的振动对下部结构的影响, 在万惠二路地下空间结构上方铺设钢弹簧浮置板以减小交通振动对下部建筑物的影响。

　　 浮置板减振结构, 又称质量-弹簧系统, 其基本原理是在浮置板与基础间插入一固有振动频率远低于激振频率的线性谐振器, 即将具有一定质量和刚度的混凝土浮置板置于地下空间结构上, 达到减振的目的。采用钢弹簧支撑时, 减振器内放有螺旋钢弹簧和黏滞阻尼, 钢弹簧浮置板结构剖面和实物照片如图1所示。

　　 根据单自由体系的减振原理, 只有当激振频率大于$\sqrt{2}$倍的自振频率时, 减振系统才会起作用。因此, 减振设计的一个原则是降低振动系统的固有频率, 固有频率f₀计算公式如下:

　　 $f{}_0=\frac{\omega {}_0}{2\text{π}}=\frac{1}{2\text{π}}\sqrt{\frac{{\rm K}}{{\rm M}}}(1)$

　　 式中:ω₀为角速度;K为弹簧刚度;M为质量。

　　 对于钢弹簧浮置板, 由于弹簧刚度的可设计性强, 所以钢弹簧浮置板可以通过增加浮置板的质量M、减小弹簧刚度K来降低其自振频率, 降低钢弹簧浮置板的固有频率, 从而达到减振效果。

　　 在万博商务中心核心区万惠二路路段相对应区域进行钢弹簧浮置板减振设计, 设计路段长度约147.767m。万惠二路路段宽度为10m, 道路下方为2层地下空间。具体钢弹簧浮置板空间剖面如图2所示, 其中阴影部分为钢弹簧浮置板所设置的区域。

　　 项目所设计的钢弹簧浮置板厚度为0.45m, 布置间距为1.8m×1.8m, 在浮置板边缘处间距加密为1m。钢弹簧浮置板系统固有频率为6.86Hz, 钢弹簧刚度为5.3kN/mm。钢弹簧浮置板布置如图3所示。

　　 使用ANSYS软件分别建立了未设置钢弹簧浮置板地下空间及上方设置钢弹簧浮置板的地下空间两种计算模型。楼板和剪力墙均采用板单元进行模拟, 立柱采用梁单元进行模拟;采用弹性阻尼连接单元模拟钢弹簧。分析模型如图4所示。

　　 对两种地下空间结构计算模型进行分析可得结构前6阶模态, 如图5、图6所示, 对应模态频率见表1。由图5、图6可知, 地下空间结构主要模态变形皆为地下结构地下一层顶板的变形, 其中未设置钢弹簧浮置板地下空间结构前6阶模态的频率范围为15～20Hz, 各阶模态的固有频率差距较小, 且计算结果显示未设置钢弹簧浮置板地下空间结构前50阶模态的固有频率均小于40Hz, 与汽车荷载激励的主要频率段吻合, 因此可知交通荷载频率基本仅会引起地下空间结构顶板的振动。由表1可知, 设置钢弹簧浮置板后, 地下空间结构振动模态的固有频率有明显降低, 这对于减小地下空间结构前3阶振型频率尤其明显, 减小幅度均达约50%。而从第7阶振型开始, 设置钢弹簧浮置板地下空间结构的模态频率间隔更小。以上计算结果可说明, 钢弹簧浮置板可明显减小地下空间结构主要振动模态的固有频率, 脱离汽车荷载的特征频率范围, 从而达到降低汽车荷载下结构振动响应的效果。

　　 此外, 单独分析设置钢弹簧浮置板地下空间结构顶板在各模态下的变形特点可得, 当结构处于低阶模态时, 固有频率范围低, 整体结构的振动变形主要表现为钢弹簧浮置板的变形, 而当模态的固有频率大于16Hz时, 则变为以地下空间结构顶板变形为主。这也可说明汽车荷载作用下钢弹簧浮置板对整体结构的减振效果明显。

　　 为验证实际汽车荷载下钢弹簧浮置板对整体结构的减振效果, 采用广州番禺大道实测数据作为输入荷载进行有限元分析。本次共选取4组数据, 数据包含大货车、公交车、小货车及小汽车四种市政道路汽车荷载下的路面振动数据, 如图7所示。将上述各车辆类型加速度时程数据乘以各车型的质量, 即可得到施加到模型上的荷载时程曲线。将荷载输入ANSYS软件, 并采用瞬态分析法求解未设置钢弹簧浮置板及设置钢弹簧浮置板地下空间顶板的加速度响应。两次计算的荷载相同、荷载作用位置相同、并提取了相同位置的地下空间顶板响应结果, 如图8所示, 安装钢弹簧浮置板减振前后的加速度峰值绝对值如表2所示。

　　 由图8及表2可知, 设置钢弹簧浮置板后, 地下空间结构顶板在汽车荷载下的加速度响应有明显的降低, 钢弹簧浮置板对于该地下空间结构有明显的减振效果, 对加速度峰值绝对值有约97%的削弱作用。

　　 振动加速度有效值作为振动强度指标, 表征了各测点振动强度, 根据我国《城市区域环境振动标准》 (GB 10070—1988) ^[1], 其定义为:

　　 $a{}_{\text{r}\text{m}\text{s}}=\sqrt{a{}^2(t)}=\sqrt{\frac{{\displaystyle {\int }_0^{\text{Τ}}a}{}^2(t)\text{d}t}{{\rm T}}}(1)$

　　 式中:a_rms为加速度有效值;a (t) 为加速度时程;T为加速度持续时间。

　　 使用加速度有效值衡量振动量的大小是一种比较好的方法, 其涉及了振动时间变化的历经过程, 与振动信号能量的含量有直接关系。但为方便起见, 采用振动加速度级L_a代替加速度有效值, 即:

　　 $L{}_{\text{a}}=20\lg {}_{10}(a{}_{\text{r}\text{m}\text{s}}/a{}_0)(2)$

　　 式中:L_a为振动加速度级;a_rms为振动加速度有效值;a₀为基准加速度, 取10^-6m/s²。

　　 计算设置钢弹簧浮置板前后地下空间结构顶板的最大加速度级, 结果见表3。由表3可知, 钢弹簧浮置板有着良好的减振效果, 对振动加速度级的消减幅度达到20dB以上。计算结果还显示, 钢弹簧浮置板对各种车辆作用下的地下空间结构顶板加速度级的削弱作用相近, 这说明钢弹簧浮置板减振系统的减振效果是其本身特性, 可以通过直接计算减振系统的最大加速度级削弱效果来评价系统的减振性能。

　　 新型的钢弹簧浮置板减振系统可有效地减小由道路交通荷载传递的结构振动, 而且此种结构系统维护费用低、可更换, 具有深远的推广使用价值。通过本文研究, 可得以下结论:

　　 (1) 钢弹簧浮置板可明显降低地下空间结构主要振动模态的固有频率, 脱离汽车荷载的特征频率范围, 从而减小汽车荷载下的结构振动响应。

　　 (2) 设置钢弹簧浮置板后, 地下空间结构顶板的加速度响应明显降低, 钢弹簧浮置板吸收了绝大部分振动能量。

　　 (3) 从加速度级角度评估钢弹簧浮置板减振效果可知, 钢弹簧浮置板对振动加速度级的削弱效果可达20dB。

　　 (4) 钢弹簧浮置板在各种车辆作用下的减振作用相近, 这说明了减震效果是钢弹簧浮置板本身的固定特性, 可以通过加速度级削弱效果或其他方法对相同或相似的减振系统进行减振效果评判。