《重交通荷载的被动屏障隔振技术》

随着城市化的快速发展,建筑区和交通干道逐渐形成一个庞大的立体交通网,使得课题组整个城市几乎每时每刻都在经受着频率高、循环次数多的重交通振动。强烈的重交通振动会直接或间接影响邻近建(构)筑物结构强度和耐久性能。该项目获得了2项国家自然科学基金和1项河南省高校创新人才基金的支持,通过现场试验、理论分析、数值模拟、工程应用相结合的方式研究重交通荷载引起的振动波传播规律和诱发建(构)筑物二次振动的机理,着重分析蜂窝状空腔屏障、多排混凝土桩、多排高聚物桩、多排混凝土空心管桩、混凝土空心墙、高聚物空心墙、预制混凝土板空沟、多排高压旋喷桩咬合墙内插型钢等多种屏障的隔振效果,并给出了隔振设计建议,主要内容如下:

(1)现场实测重型拉土车、高铁列车、地铁列车的振动荷载,简化为不同振幅和频率的简谐波函数,借助土动力学理论,构建三类地基(单相土体、饱和土体、准饱和土体)振动波的传播方程,考虑孔隙率与土骨架刚度的相关关系,全面分析孔隙率、饱和度、频率和泊松比等对振动波传播和衰减的综合影响。(2)混凝土空心墙、高聚物空心墙是对空沟和充填沟的改进和优化,以现场试验数据为依据,结合数值模拟结果,得出:隔振效果随着空心率增大而提高,此外,高聚物材料越软,越容易吸收振动能量,隔振效果越好。(3)多排混凝土桩、多排高聚物桩、多排混凝土空心管桩都属于非连续屏障,适用于场地有限、土质较差或水位较高的软弱地基。以FWD荷载模拟重交通荷载开展隔振试验,运用复变函数的保角映射方法和波场位移势函数展开法构建隔振理论解答,结合数值模拟结果,得出:①隔振效果随着桩排数的增加而提高,综合施工费用和隔振效果,双排最优;②高频振动波易从桩孔隙中绕射,需结合实际振源频率进行加密设计。(4)蜂窝状空腔屏障是介于空沟和多排柱腔之间的一种隔振措施,蜂窝壁可用木板或混凝土浇注,空腔内可填充泡沫、废弃橡胶轮胎等,整个屏障上部搭板之后种植花草等,是一种经济、环保、高效的隔振措施。运用正六边形与圆孔的保角变换法,构建蜂窝状空腔屏障隔振的理论解答,综合隔振效果、施工和维护费用等因素,三排蜂窝状空腔屏障为最优,整体隔振效果可达70%。(5)高压旋喷桩咬合墙内插型钢是针对地铁列车荷载提出的一种隔振措施,现场实测和数值模拟结果表明:墙深超过隧道5.0m、宽度超过2.0m后,隔振效果提高不明显,内插型钢对于提高隔振效果不明显、但可以增强高压旋喷桩咬合墙的抗水平变形能力。

基于该项目的研究成果,获得国家实用新型专利5项、计算机软件著作权5项;发表SCI论文3篇、中文核心论文31篇;出版学术著作1部。该项目提出的重交通荷载的被动屏障隔振技术在民用建筑、古建筑、精密仪器等建(构)筑物对沿线高铁、高速、地铁、城市主干道等重交通荷载的隔振得到了应用,提高了邻近建(构)筑物结构强度和耐久性能,为隔振减振技术的发展起到了重要的推动作用。

成果说明

针对城市主干道、高速公路、地铁、高铁等重交通荷载引起的振动特性,综合考虑振源位置、地基和路基岩土特性、被保护建(构)筑物的灵敏性和重要性,进行了隔振推广应用: (一)城市主干道隔振 (1)河南某钧瓷官窑遗址(建于北宋)是国家重点保护文物,长期受主干道重车的振动影响,双火膛窑窑壁处出现较宽的裂缝,在邻路一侧设置一道混凝土空心墙; (2)河南某古瓷窑遗址(建于北宋)是国家重点保护文物,长期受主干道重车的振动影响,墙体出现多条竖向裂缝,在墙脚外侧设置一排混凝土桩; (3)河南某7层舍利塔(建于北魏)是国

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