精密设备区建筑结构微振动控制技术研究与应用

曹建军 闫海龙 熊登杰 李远 潘郁林

【摘要】本文主要讨论了一种精密设备区域微振动控制技术，该技术通过现场实际环境数据监测与采集，数值模拟，建筑整体基础设计，减震、隔震措施的应用等一系列技术措施，对建筑结构的振动进行控制，使其达到精密设备要求，满足建筑使用功能

【关键词】精密设备;微振动;数值模拟;减震;隔震

【中图分类号】TU3

【文献标识码】B

【文章编号】1671-3362（2020）08-0120-02

建筑物的振动控制决定了整个建筑的使用功能。当代社会科技发展迅速，越来越多的设备对安置条件提出了严苛的要求，其中精密加工与检测设备、计量与检测仪器、光学加工及检测设备、显微镜等高精设备振动容许峰值<300μm/s甚至更低。

为了满足振动控制要求，依托合肥离子医学中心工程项目为载体，结合振动测试及数值模拟，探索了基础设计对振动控制的影响，同时利用多项隔振减震措施，对振动进行控制，形成了建筑结构振动控制综合技术，为类似工程提供数据及经验借鉴参考[1]。

1.工程背景

1.1项目背景

合肥离子医学中心项目占地面积46214m2，总建筑面积约33687m2，地下一层，地上三层，建筑高度为23.2m，其中质子装置区约4200m2（3个旋转治疗舱、1个固定束治疗舱、1個科学研发室），是项目施工的重点和难点。

根据设备供应商BID文件说明，振动对本工程的影响控制要求为：在PT系统正常运行过程中，建筑振动必须被限制在IES-RP-CC012.1  A类规定的实验室类型建筑物范围内。对于该报告没有陈述到的频率，不得超过最大振动速率100 μm/s。

1.2施工背景

项目位于合肥市高新区长宁大道与燕子河路交口东南角，质子区东侧为坝下河，南侧为拟建2期场地暂无施工，仅北侧及西侧有道路通车。

质子区地下室外墙距北侧道路约62.6m，距西侧道路约180.2m。因建筑物内安装质子治疗系统，其对振动要求高，当外界振动超过限值时，一方面可能会对质子治疗系统本身造成损害，另一方面会影响质子治疗系统的正常工作。场地平面如图所示。

2.影响因素分析

2.1环境振动

环境振动往往是由自然的原因（如风）和人为的原因（如交通活动或机械运动、工程施工活动等）所造成的，一般可分为两大类，即地面脉动和人类活动的近距离干扰振动。

对于精密设备可能受到环境振动影响的工程，建设场地原则上应该尽量选择远离地铁、城市干道等交通繁忙区域，但由于城市建设迅猛发展的要求和现状，城市道路纵横交错，在工程选址有时难以全部避开。

本工程主要震源为：园区周边公路交通及园区内交通振动，尤其是场地北侧和场地西侧的道路交通以及临近规划地铁线路。

2.2建筑物振动

除了环境振动外，建筑结构本身有大量的振源。本工程震源主要包括：设备机房震动、屋面设备振动、管线振动。

3.数据采集及模拟

3.1数据采集

根据测试目的，在天然场地共布置了7个测点，测点沿垂直道路方向布置，各测点同时测试平行长宁大道、垂直长宁大道、竖向三个方向的振动速率。测试期间，场地内部有推土机和挖土机及施工勘察单位钻机不间断施工。对记录的数据在时域和频域进行分析，并与控制标准进行比较，具体处理步骤如下：①将记录的振动速度数据以30s为单位划分多个样本;②将所有的样本按不同情况进行分组（如安静时段、土方车经过时段等），并按照VC标准计算每个样本的1/3倍频程峰值;③将1/3倍频程峰值与控制标准比较。

分别选取了如下三种情况下的数据进行分析：

（1）情况一：安静时段，为道路交通等其他荷载影响较小的时段;

（2）情况二：土方车经过时段，为土方车经过且其他荷载影响较小的时段;

（3）情况三：挖土机施工时段，为挖土施工的时段。

由于本项目场地邻近的地铁线路尚未通车，因此其引起的场地振动采用工程类比的方法进行，通过对合肥地铁1号线引起的地面振动进行现场实测，近似估算地铁引起本项目天然场地的振动，具体测试位置邻近庐州大道长沙路交叉口，测点沿长沙路布置，侧线垂直于地铁一号线。对记录的数据在时域和频域进行分析，并与控制标准进行比较，分别选取如下两种情况下的数据进行分析：

（1）情况一：安静时段，无地铁经过且道路交通等其他荷载影响较小的时段;

（2）情况二：地铁经过时段，有地铁经过且道路交通等有其他荷载影响较小的时段。

3.2数值模拟

3.2.1土体参数

本工程中面临微振动控制，土体变形属于小应变范畴，土体的小应变幅的动剪切模量根据勘察报告中常用的波速法试验测定。

3.2.2边界条件

建立结构土体整体三维模型进行分析，计算模型边界中的数值，根据现场测试结果作为边界强迫位移输入。数值模拟分析的振源采用实测时有组织车辆的工况，即在固定时段组织车辆沿着周边公路行驶，模拟实际情况下周边环境振动激励情况。

3.2.3激励荷载

采用实测的长宁大道上土方车经过时的时程作为激励荷载，选取测点的振动实测数据作为激励荷载。

3.2.4分析结果

选取下图8个位置的计算结果进行分析，其中4个点位于板中，4个点位于墙边。

根据模拟结果得到基础底板1/3倍频程峰值：

（1）长宁大道上的道路交通引起质子治疗系统基础底板的竖向（z向）振动明显小于水平向振动，这说明桩基础有较好的减振效果;

（2）长宁大道上的道路交通引起质子治疗系统基础底板x、y、z向振动1/3倍频程峰值最大值分别29、21、14?m/s，满足振动控制标准。

4.减震措施

4.1震源强度控制

对主要震源即道路交通引起的环境振动强度进行控制，是减少其对精度设备基础影响的有效措施，当条件许可时，可对与产生道路交通环境振动强度密切相关的车辆行驶速度、车辆载重量等技术参数作适当限制。此外，还可以通过加强路面养护和改善路面平整度等措施来加以控制。

4.2桩基减震措施

根据振动控制的工程经验，建筑桩基也具有良好的减震性能，不同的桩有效长度即桩的数量对楼板震级的影响不同，进行抗微振桩基设计，来达到振动控制目标。

4.3基础隔板措施

基础隔板是目前广泛使用的结构振动控制策略之一，基础隔板是通过在建筑物的上部结构和基础之间放置钢弹簧或者橡胶块从而隔离大地传播的振动，基础隔震的减震原理是：

（1）降低结构的固有频率;

（2）增大结构的阻尼。

4.4隔震沟

根据周边道路交通实测振动数据，加速度主要影响频率范围为10～20HZ，对应剪切波波长为13.5～27m，瑞雷波波长约14～28m。

隔震沟沟深一般不小于地面瑞雷波波长的1/4.隔振沟深度约为3.5～7.0m。根据场地情况，结合工程造价及后期可能的用途综合考虑，隔震沟深度同筏板基础埋深，约为4.8m，宽度约为1.2m。该隔震沟主要对隔震频率大于15HZ的振源有一定的隔震效果，可隔绝部分加速度[2]。

该项目室外隔震沟位置位于场地北侧，靠近燕子河路红线围墙。为防止场地外道路扰动土体，影响门诊住院楼及质子治疗区设备运转精度与振动要求，故设计室外隔振沟。

5.小结

在现场施工完成后进行了振动测试，根据现场测试与数值模拟结果，可以得到如下结论：

（1）道路交通引起天然场地振动测试及结果表明：整个测试期间各测点振动速度1/3倍频程峰值最大值为245?m/s，场地振动满足VC-A标准;

（2）合肥地铁1号线试运营引起天然场地振动测试结果表明：地铁经过时各测点振动速度1/3倍频程峰值最大值约为270?m/s，场地振动满足VC-A标准。

（3）根据现场实测结果：长宁大道上的道路交通引起质子治疗系统基础底板上x、y、z向振动1/3倍频程峰值最大值为29.5?m/s，满足振动控制标准。桩基础有较好的减震效果;

（4）采用目前的结构、桩基方案以及减振措施，可以有效地控制减震結构振动。

参考文献

[1] 隔震技术简介[J]. 郝会山.  门窗. 2014（12）

[2] 结构振动控制技术的原理和应用[J]. 王国祥，何斌，柯谱. 江西建材. 2017（12）

（作者单位：合肥离子医学中心有限公司）