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1、地鐵與公共建筑合建振動(dòng)噪聲影響分析及控制技術(shù)研究主要完成單位:上海申通地集團(tuán)有限公司同濟(jì)大學(xué)上海市科技館主要完成人員:周順華 、徐曉紅 、劉加華 、蔡 蔚 、顧建生 、韋 凱 、劉 揚(yáng) 1. 研究背景隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通的快速建設(shè)和發(fā)展,為充分利用地下空間和軌道交通帶來(lái)的便利,公用建筑與地鐵一體化共建的情況日益增多,如上海自然博物館與地鐵13號(hào)線綜合工程、2號(hào)線與虹橋綜合樞紐工程等。然而,地鐵運(yùn)行必將產(chǎn)生公用建筑物的振動(dòng)、同時(shí)引發(fā)結(jié)構(gòu)二次噪聲,為滿足公用建筑的使用功能要求,必須對(duì)地鐵的振動(dòng)噪聲加以控制。但由于目前國(guó)內(nèi)關(guān)于公共
2、建筑物振動(dòng)和噪聲的控制標(biāo)準(zhǔn)尚不完善,也未形成較為成熟的計(jì)算方法和仿真技術(shù),軌道交通的減振降噪技術(shù)和相關(guān)施工工藝也處于探索階段,因此,有必要對(duì)地鐵與公用建筑一體化建設(shè)時(shí)的振動(dòng)與噪聲控制技術(shù)進(jìn)行深入研究。由上海市科委立項(xiàng),上海申通地鐵集團(tuán)有限公司牽頭,聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)和上海市科技館進(jìn)行該課題的研究。2. 課題的總體目標(biāo)和技術(shù)路線提出地鐵與公用建筑一體化建設(shè)時(shí)振動(dòng)噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)建議值,完成車軌隧建筑物振動(dòng)噪聲仿真計(jì)算方法,并完成了綜合控制技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品、相關(guān)施工工藝,達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理、滿足使用要求的目的。以13號(hào)線自然博物館共建工程作為示范工程,以滿足其使用功能的基本要求。3. 項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容(1)軌道交通
3、振動(dòng)噪聲測(cè)試和評(píng)估方法研究在對(duì)國(guó)內(nèi)外振動(dòng)噪聲測(cè)試技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研究的基礎(chǔ)上,對(duì)軌道交通振動(dòng)噪聲的測(cè)試和評(píng)價(jià)方法做出統(tǒng)一規(guī)定,提出軌道交通振動(dòng)噪聲規(guī)范化測(cè)試和評(píng)估方法,以便在相對(duì)同一的平臺(tái)上客觀評(píng)價(jià)減振降噪產(chǎn)品的性能,實(shí)現(xiàn)振動(dòng)噪聲測(cè)試和產(chǎn)品性能評(píng)估的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化。(2)自然博物館振動(dòng)噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)建議值及類似場(chǎng)地測(cè)試分析研究參考現(xiàn)有與本工程類似的振動(dòng)噪聲控制標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合本工程特點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)條件,有針對(duì)性地提出了地鐵與公共建筑物合建工程的振動(dòng)噪聲控制建議限值,并利用以上提出的振動(dòng)噪聲測(cè)試方法對(duì)類似場(chǎng)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),進(jìn)一步驗(yàn)證了該控制限值的適用性與實(shí)用價(jià)值。(3)車軌隧建筑物振動(dòng)噪聲仿真計(jì)算研究以上海地鐵1
4、3號(hào)線與自然博物館合建工程為背景,結(jié)合車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論和動(dòng)力有限元理論,研究開(kāi)發(fā)一套適用于求解地鐵與建筑物合建工程振動(dòng)噪聲的新式車軌隧建筑物振動(dòng)噪聲仿真計(jì)算方法,用以評(píng)價(jià)各種減振降噪措施的實(shí)施效果,同時(shí)也可給后續(xù)類似合建工程中減振降噪設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的理論計(jì)算工具。(4)地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲控制措施研究以上海地鐵13號(hào)線與自然博物館合建工程為研究背景,其重點(diǎn)是與鋼彈簧浮置板軌道參數(shù)優(yōu)化研究相呼應(yīng),通過(guò)數(shù)值仿真一方面進(jìn)一步確定出適用于本合建結(jié)構(gòu)型式自振特點(diǎn)的鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)固有頻率,另一方面是為了彌補(bǔ)軌道結(jié)構(gòu)對(duì)其固有頻率附近低頻振動(dòng)的微弱減振能力,還將探討地基水泥土樁加固體(包括隧道空腔內(nèi)填筑
5、砼)對(duì)鋼彈簧浮置板軌道固有頻率附近低頻振動(dòng)的減振規(guī)律、減振效果及其影響,并根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算結(jié)構(gòu)二次噪聲。(5)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲控制措施研究由于上海自然博物館與地鐵13號(hào)線合建的綜合工程中自博館內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、構(gòu)造也很特殊、使用功能對(duì)環(huán)境振動(dòng)要求較高,因此課題組重點(diǎn)針對(duì)列車運(yùn)行引起的合建結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題以及鋼彈簧浮置板減振軌道參數(shù)優(yōu)化等問(wèn)題,順序開(kāi)展了不同軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)組合條件下鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)自振特性的模態(tài)分析,不同軌道參數(shù)組合和不同行車條件下浮置板鋼彈簧支點(diǎn)反力特性分析以及合建結(jié)構(gòu)的三維諧響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)分析,為合建結(jié)構(gòu)鋼彈簧浮置板減振軌道參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù),同時(shí)研發(fā)兩項(xiàng)軌道
6、減振產(chǎn)品、一項(xiàng)減振道床產(chǎn)品和一項(xiàng)吸音產(chǎn)品,并測(cè)試其效果。 圖1 道床吸音板 圖2 vanguard扣件圖3 鋼彈簧浮置板 圖4 迷宮式約束阻尼鋼軌(6)建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲控制措施研究主要對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲控制技術(shù)進(jìn)行研究,根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果提出相應(yīng)的治理措施。(7)浮置板設(shè)計(jì)和施工工藝優(yōu)化研究1)從設(shè)計(jì)角度研究實(shí)現(xiàn)預(yù)制龍骨整體吊裝方案的技術(shù)條件,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算和受力分析;從施工角度對(duì)龍骨整體吊裝和運(yùn)輸、基底施工、龍骨就位和軌道精調(diào)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行研究,同時(shí)研究相應(yīng)的工機(jī)具。2)綜合設(shè)計(jì)、施工和減振效果等角度提出合理板長(zhǎng),針對(duì)預(yù)制短板節(jié)段拼裝方案板端變形協(xié)調(diào)、曲線幾何形位的實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技
7、術(shù)進(jìn)行研究,通過(guò)室內(nèi)靜載和疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)安全性、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證其安全性、平穩(wěn)性;從施工角度對(duì)模板設(shè)計(jì)、精度控制、基底施工、短板就位和軌道精調(diào)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行研究,同時(shí)研究相應(yīng)的工機(jī)具。3)通過(guò)對(duì)普通道床、傳統(tǒng)長(zhǎng)浮置板、預(yù)制短板節(jié)段拼裝浮置板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)類比測(cè)試,對(duì)新設(shè)計(jì)的浮置板減振效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。4)通過(guò)與傳統(tǒng)浮置板的對(duì)比,分析預(yù)制龍骨整體吊裝和預(yù)制短板節(jié)段拼裝浮置板的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。(8)地鐵運(yùn)營(yíng)后合建建筑物內(nèi)振動(dòng)噪聲現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和分析通過(guò)對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)后合建建筑物內(nèi)振動(dòng)噪聲測(cè)試結(jié)果,來(lái)評(píng)價(jià)減振降噪方案的效果。4. 關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)難點(diǎn)和技術(shù)創(chuàng)新4.1 關(guān)鍵技術(shù)1) 公共建筑物內(nèi)振動(dòng)和噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)的確定2)
8、 振動(dòng)和噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、處理和分析的方法3) 車軌隧道地基建筑物體系內(nèi)的中低頻振動(dòng)響應(yīng)的仿真技術(shù)4) 隧道及基礎(chǔ)的減振技術(shù)方案及范圍確定5) 超低頻軌道結(jié)構(gòu)方案及參數(shù)確定6) 浮置板設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工工藝方案優(yōu)化研究4.2 技術(shù)難點(diǎn)1)車-軌-隧-地基-建筑物振動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)中、低頻振動(dòng)響應(yīng)的仿真技術(shù)2)隧道及基礎(chǔ)的減振技術(shù)方案3)軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)及參數(shù)確定4)浮置板斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及施工工藝技術(shù)4.3 技術(shù)創(chuàng)新1)從系統(tǒng)工程角度出發(fā),以類比測(cè)試和仿真計(jì)算為手段,提供更為經(jīng)濟(jì)合理的振動(dòng)噪聲集成化綜合處理措施,滿足公共建筑使用的功能要求;2)從控制振動(dòng)噪聲角度出發(fā),以確保工程施工安全為前提,形成振動(dòng)噪聲控
9、制及施工安全相結(jié)合的技術(shù)方案,為今后類似工程提供普遍借鑒意義;3)從促進(jìn)環(huán)境保護(hù)、社會(huì)和諧角度出發(fā),以建立標(biāo)準(zhǔn)建議值和統(tǒng)一測(cè)試及評(píng)估方法為手段,促進(jìn)軌道交通的健康發(fā)展和城市地下空間的有效利用,為博物館及類似場(chǎng)館建設(shè)提供指導(dǎo)意義;4)從技術(shù)發(fā)展角度出發(fā),通過(guò)研發(fā)中、低頻減振道床和新型軌道減振技術(shù)等一系列產(chǎn)品,為軌道交通在復(fù)雜條件下的振動(dòng)噪聲控制提供新的技術(shù)手段,促進(jìn)社會(huì)和科技進(jìn)步;5)從模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念出發(fā),以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為手段,提供更為快捷、經(jīng)濟(jì)的浮置板道床施工工藝流程,施工速度提高5倍以上,滿足一體化施工進(jìn)度要求。 5. 項(xiàng)目完成情況課題組已經(jīng)按照項(xiàng)目任務(wù)書的要求完成了一個(gè)總報(bào)
10、告和九個(gè)分報(bào)告:地鐵與公共建筑合建振動(dòng)噪聲影響分析及控制技術(shù)研究分報(bào)告一:自然博物館振動(dòng)噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)建議值研究分報(bào)告二:振動(dòng)噪聲測(cè)試及評(píng)估方法研究分報(bào)告三:類似場(chǎng)地測(cè)試及分析研究分報(bào)告四:車軌隧建筑物振動(dòng)噪聲仿真計(jì)算研究分報(bào)告五:地下結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲控制措施研究分報(bào)告六:軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲控制措施研究分報(bào)告七:建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲控制措施研究分報(bào)告八:浮置板軌道設(shè)計(jì)及施工一體化研究分報(bào)告九:現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析研究形成地鐵引起公共建筑的振動(dòng)與噪聲控制準(zhǔn)則1份,提出了振動(dòng)與噪聲集成化仿真計(jì)算方法1份,比選出了地鐵與建筑物合建結(jié)構(gòu)的合理地基減振加固措施,對(duì)地鐵與建筑合建結(jié)構(gòu)內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并給出了最優(yōu)參
11、數(shù)組合。完成軌道減振產(chǎn)品2項(xiàng)以上,降低噪聲3dB以上;完成超低頻道床減振產(chǎn)品1項(xiàng),降低振動(dòng)20dB、自振頻率小于10Hz;完成吸音產(chǎn)品1項(xiàng)以上,降低噪聲3dB以上;在“標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、工廠化、機(jī)械化”的指導(dǎo)思想下,提出“標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、工廠化、機(jī)械化”的城市軌道交通軌道工程設(shè)計(jì)與施工新理念,研究預(yù)制龍骨整體吊裝工法和預(yù)制短板節(jié)段拼裝工法等2項(xiàng)施工工法,并投入工程實(shí)際應(yīng)用,從施工上實(shí)現(xiàn)了模塊化、工廠化、機(jī)械化生產(chǎn):采用“預(yù)制龍骨整體吊裝”方案將原鋼彈簧浮置板施工進(jìn)度由57m/天提高到3550m/天;采用“預(yù)制短板節(jié)段拼裝”方案實(shí)現(xiàn)預(yù)制工廠化、模塊化和施工機(jī)械化,大幅度提高施工效率,保證施工質(zhì)量,使施工速度達(dá)到50m/天以上,最高達(dá)75m/天及以上,施工效率是原來(lái)的710倍。申請(qǐng)2項(xiàng)發(fā)明專利,1項(xiàng)實(shí)用新型專利;發(fā)表4篇論文,培養(yǎng)了5名碩士生、2名博士生,完成了項(xiàng)目建議書所要求的主要技術(shù)指標(biāo)。課題研究成果直接指導(dǎo)了上海軌道交通13號(hào)線與自然博物館合建示范性工程,且數(shù)值仿真的減振效果能夠滿足工程要求。綜上所述,完成了項(xiàng)目任務(wù)書所要求的各項(xiàng)工作。6. 應(yīng)用前景與效益預(yù)測(cè)本研究成果可應(yīng)用于上海乃至國(guó)內(nèi)其它城市軌道交通與公共建筑共建類似工程的振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)、控制技術(shù)方案設(shè)計(jì)和施工中,提供更為經(jīng)濟(jì)合理的振動(dòng)噪聲集成化綜合處理措施,為軌道交通在復(fù)雜條件下的振
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