摘　要：为改善地铁周边振动环境和提高人们的生活环境质量，对砌体墙喷射玻璃纤维聚合物（ＧＦＲＰ）进行了试验研究和数值模拟。结果表明，喷射ＧＦＲＰ可以提高开裂荷载、极限荷载、极限位移和延性等，其中砌体墙弹性阶段刚度有明显提高，同时建立了砖混结构房屋外墙喷射ＧＦＲＰ的有限元模型，并分析了在列车荷载作用下的动力响应。结果表明：

最大Ｚ振级减小量可达２．６９４ｄＢ，具有良好的减振效果，是一种合理有效的减振措施。

关键词：地铁；　砖混结构房屋；　减振；　喷射ＧＦＲＰ；　动力响应

 

      地铁运行引起周边建筑物的开裂及振动舒适度问题已不容忽视，对沿线建筑物和居民的生活及工作均造成了严重的影响，日益受到公众的广泛关注和各国学者的重视。针对轨道交通引起的环境振动问题，人们已经展开了大量的研究。但是，对于这样一个由振源、传播途径和附近建筑物组成的链式振动系统，其减振措施是有相当难度的。当前国内外学者已发表的研究成果主要有^{［１－７］}：对周围地面或建筑物进行现场测试或数值模拟得到不同轴重列车在不同车速情况下距轨道不同距离的建筑物及各楼层水平或竖直方向的振动响应规律；研究减振轨道、合理的高架桥梁结构形式等以降低振源强度；研究隔振沟、阻振障、道床减振材料等以切断振动传播途径、衰减振动幅度；调整轨道交通线路附近建筑物的自振特性以降低建筑物的振动。由于地铁一般穿行于密集繁华的住宅区、商业区、工业区等，大量的建筑采用砖混结构，目前对于砖混结构，还没有一种合理有效经济的减振措施来改善建筑物的振动舒适度。目前，喷射纤维增强聚合物（ＦＲＰ）加固技术是欧美等国家结构加固研究领域的最新技术，主要应用于钢筋混凝土梁、板等构件的抗弯、抗剪加固试验研究，并已在美国、加拿大等一些国家开始应用于实际桥梁工程的加固与修复。国内也兴起了对ＦＲＰ加固技术的研究和应用^{［８－９］}，但对应用喷射ＦＲＰ来对轨道交通运行引起的环境振动进行减振目的的研究较少。为了改善地铁运行引起的周边环境振动，提高人们的生活环境质量，对喷射玻璃纤维复合材料（ＧＦＲＰ）加固砌体墙进行了试验研究和数值模拟，并运用有限元软件计算了４层砖混结构房屋外墙喷射ＧＦＲＰ前后的动力响应，对其减振效果进行了分析。

 

      先对砌体墙喷射ＧＦＲＰ加固前后在顶梁垂直梁轴线侧面施加水平荷载进行低周水平往复加载伪静力抗震试验，得到Ｐ－Δ滞回曲线，然后建立砌体墙有限元模型，进行了数值模拟，确定砌体墙喷射ＧＦＲＰ加固前后等效刚度的变化大小，为建立砖混结构房屋外墙喷射ＧＦＲＰ的模型进行动力响应计算提供试验依据。

      试验共制作两片砌体墙，均为有构造柱实心墙片，高宽比为０．７４，墙体厚２４０ ｍｍ，详细尺寸及配筋如图１所示。墙体采用ＭＵ１５蒸压粉煤灰砖和设计标号为Ｍ２．５混合砂浆砌筑，顶梁及构造柱混凝土的设计强度等级为Ｃ２０。其中一片砌体墙双面喷射ＧＦＲＰ，厚度为４．０ｍｍ。砌体的弹性模量为２．４×１０^９　Ｎ／ｍ^２，泊松比为０．１５，密度为１９００ｋｇ／ｍ^２；混凝土的弹性模量为２．８×１０^１０Ｎ／ｍ^２，泊松比为０．２５，密度为２５００ｋｇ／ｍ^２；ＧＦＲＰ弹性模量为１１×１０^９　Ｎ／ｍ^２，泊松比为０．１５，密度为１３９０ｋｇ／ｍ^２。

      试验前布置测点，在墙体最上一皮砖中部布置电测位移计（机电百分表）。将砌体墙简化成底端固定且无转动的矩形块体，从顶梁顶面和垂直梁轴线的侧面分别施加竖向荷载（恒载）和水平荷载。水平荷载加载点距底梁顶面１．４ｍ，往复作动器前端的拉压力传感器和墙体顶端中部的机电百分表分别连接到动态电阻应变仪，再输出到Ｘ－Ｙ函数记录仪，绘制滞回曲线。垂直荷载的数值通过千斤顶上的压力传感器在电阻应变仪上显示。试验按照《建筑抗震试验方法规程》（ＪＧＪ　１０１—９６）的加载方法，按拟静力试验的加载程序采用荷载－变形双控制加载，实测Ｐ－Δ滞回曲线分别如图２、图３所示。

      结果表明：加固前开裂荷载正向加载为２４０ｋＮ，反向加载为２００ｋＮ，极限荷载正向加载为２４０ｋＮ，反向加载为２０７ｋＮ。加固后开裂荷载比加固前提高了２５％，极限荷载在正向加载时提高了９２．９％，反向加载时提高了９３．２％。延性系数由３．６４提高到１１．９２，极大地改善了低强度砌体的后期变形能力及抗侧移能力。加固后滞回环相对更饱满，砌体墙所能达到的极限位移也更大，说明经ＧＦＲＰ加固后，砌体墙耗能能力增强，抗侧移能力提高，弹性阶段刚度也有明显提高。

      建立试验砌体墙的有限元模型，对其进行模态分析，使其在横向力作用下的荷载位移比值（Ｐ／Δ）和试验所得滞回曲线弹性阶段的荷载位移比值（Ｐ／Δ）相同。采用整体式建模方法，将墙体按各向同性考虑，不考虑砂浆和砖之间的材料特性差异，忽略灰缝的影响。砌体和混凝土都采用ＳＯＬＩＤ６５单元模拟。模型由墙体、顶梁、构造柱和底梁组成，墙体底部的底梁与刚度极大的地面相连，故将底梁底部简化成固定支座，３个方向位移均为０。映射网格划分方法建立的砌体墙有限元模型如图４所示，前１０阶自振频率如表１所示。

      通过试验砌体墙喷射ＧＦＲＰ加固前后的有限元数值模拟可知：在横向力作用下的荷载位移比值（Ｐ／Δ）和试验所得滞回曲线弹性阶段的荷载位移比值（Ｐ／Δ）相同，喷射ＧＦＲＰ加固后，砌体墙耗能能力、抗侧移能力和弹性阶段刚度都有明显提高，其数值结果与试验结果吻合较好。

 

      利用ＡＮＳＹＳ进行砖混结构房屋外墙喷射ＧＦＲＰ加固前后的动力响应分析，分析其减振效果。考虑到分析问题的需要和计算机进行分析的高效性，采用简化的砖混结构房屋模型进行模拟，将墙体按各向同性考虑，不考虑砂浆和砖之间的材料特性差异，忽略灰缝的影响。

      砖混结构房屋共４层，层高３．６ｍ，长１１．２５ｍ，宽４．５ｍ，开有窗洞及门洞，位置与尺寸如图５所示。基础为混凝土条形基础，设置构造柱、圈梁，楼板为现浇混凝土楼板。条形基础尺寸为７５０ｍｍ×７５０ｍｍ，构造柱、圈梁的尺寸均为２５０ｍｍ×２５０ｍｍ，板厚１００ｍｍ。

      墙体采用连续整体模型，即将由块体与砂浆组成的墙体看成是连续的介质，用一种单元类型来模拟。在ＡＮＳＹＳ程序中并没有专门模拟砌体材料的单元，考虑到ＳＯＬＩＤ６５单元具有非线性，并可以模拟材料的开裂和压碎，故构造柱、圈梁、砖墙均采用ＳＯＬＩＤ６５单元来模拟。现浇混凝土楼板采用ＳＨＥＬＬ６３单元模拟。混凝土条形基础与刚度极大的地面相连，故将基础底部简化成固定支座，３个方向位移均为０。材料参数同砌体墙，采用映射网格建成的４层砖混结构房屋的有限元模型如图６所示。

      针对砖混结构房屋外墙喷射ＧＦＲＰ加固前后有限元模型进行模态分析，前１０阶自振频率如表２所示，可知加固后各阶自振频率都有所提高。由前两阶自振频率及阻尼比０．０５计算可得有限元模型的质量阻尼系数为０．２０７６，刚度阻尼系数为０．０１１９。

      根据现场实测武汉市轨道交通１号线距轨道线路３０ｍ处１５ｓ内的地面竖向加速度时程，对砖混结构房屋进行瞬态分析，加速度时程曲线及频谱图如图７、图８所示。

      取房屋左半部分两个开间各层楼板中点作为测点，点的选取如图５所示。瞬态分析可得砖混结构房屋外墙喷射ＧＦＲＰ加固前后各点的加速度时程数据，采用国际标准ＩＳＯ２６３１规定的方法，Ｌ_ａ＝２０ｌｇ（ａ／ａ_ｒｅｆ），其中，Ｌａ为加速度振级（ｄＢ）；ａ为振动速度的有效值（ｍ／ｓ^２）；ａ_ｒｅｆ为基准振动加速度，取１×１０^－６　ｍ／ｓ^２。计算各点加速度的最大Ｚ（竖向）振级，如表３所示。

      由表３可知，砖混结构房屋外墙喷射ＧＦＲＰ加固前后楼板的最大Ｚ振级随楼层的升高而增大，当外墙喷射ＧＦＲＰ加固后各点最大Ｚ振级均减小，减小量可达２．６９４ｄＢ。

 

      对砌体墙喷射ＧＦＲＰ加固前后进行了试验研究和数值模拟，然后对列车荷载作用下的砖混结构房屋进行了外墙喷射ＧＦＲＰ加固前后动力响应分析。结果表明：经喷射ＧＦＲＰ加固后，砌体墙耗能能力、抗侧移能力和弹性阶段刚度都有提高；砖混结构房屋外墙喷射ＧＦＲＰ加固前后楼板的最大Ｚ振级随楼层的升高而增大，且加固后各点最大Ｚ振级均减小，减小量可达２．６９４ｄＢ。因此，砖混结构房屋喷射ＧＦＲＰ的方法不仅具有很好的加固作用，而且具有良好的减振效果，可以达到减振的目的，是一种合理有效的减振措施。对于解决地铁沿线敏感建筑或重点文物保护建筑的结构加固和减振，具有十分重要的实际工程意义。

 

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