6.4 波阻板屏障隔振

6.4.1本条给出了波阻板屏障的适用条件。
    波阻板置于地面振源下方进行主动隔振的主要机理是基岩上单一土层的振动存在截止频率，当表面作用的简谐荷载的频率低于该截止频率时，土层中没有波的传播，即辐射阻尼接近于零；仅当激振频率大于截止频率时，土层中才会出现波的传播现象；当激振频率接近截止频率时，土层发生共振。基于此原理，Chouw等（1991）和Schmid等（1992）提出了人工设置一个类似基岩的有限尺寸硬夹层进行隔振的方法，并称该硬夹层为波阻板（WaveImpedanceBlock，简写为WIB）。
    波阻板置于土面进行被动隔振主要基于下述机理，根据PaoYH，MowCC，AchenbachJD.DiffractionofElasticWavesandDynamicStressConcentrations［J］.JournalofAppliedMechanics，1973，40（4）：págs.213-219.，即将矩形波阻板视为圆柱体的一段，当在柱体表面作用有波前与柱轴平行的SH波偏振，与柱轴垂直的远场散射波场us（r，θ，t）为： 式中：r——极坐标横轴；
          θ——波入射角，极坐标切向角；
           t——时间；
          γ——波数；
          λ——波长；
         ω——圆频率。
    当γ=a，（a为柱体半径）且γ_a=1，即波长很长时，只有很小一部分入射波被散射，且所有向后方向几乎均匀地散射，总波场与入射波场十分相似。随着频率的增加，即波长变短时，a≫λ_s（γ_a=5，λ_s为剪切波长），按角度的分布变得越来越复杂，向前产生很大的散射，这时散射场与入射波干扰形成“影子区”。波长非常短时，即γ_a≫1，散射波的一半集中到正前方，而另一半或多或少均匀地散布在所有其余方向，这时在圆柱体的后面，可得到相对未扰动区，即隔振区。
    波阻板与其他隔振方式组合后用于隔振主要包括两种情形，一种是在隔振对象（如精密仪器）基础下方一定深度处放置水平有限尺寸波阻板，并配合其他隔振器（如阻尼弹簧）组合隔振；另一种是波阻板置于土面，自身作为基础板或厚地坪工作，同时在波阻板周边布置排桩组合隔振。波阻板屏障隔振传递率根据容许振动值与隔振前环境振动测试数据确定。通过传递率可判断单一波阻板能否达到设计要求，是否需要组合隔振。
    国内的工程设计人员已成功地将波阻板与其他隔振方式组合后用于隔振。杨先健（1994）及白玲、李兴磊（2012）将砂垫层上钢筋混凝土波阻板与排桩屏障组合隔振的方式分别应用于某大型消声室和某大型超精密实验室的被动隔振，比原弹簧隔振方案节省造价93%～95%，并缩短了建造周期。杨先健、万叶青、杨俭等（2002）将波阻板屏障与阻尼弹簧组合，对不良振动环境中设置高精密设备进行隔振，节省了64%的投资并缩短了工期，获得了较好的技术经济效益。
6.4.2 根据国内外理论及试验研究成果，增大波阻板厚度和剪切模量是提高波阻板隔振效果的主要有效手段；此外，增大波阻板宽度也是提高隔振效果的关键因素之一；减小垫层厚度（波阻板顶面至振源底部或动力基础底面距离）也是提高其隔振效果的手段之一。根据国内外理论和试验研究成果，结合工程实际及经济因素，用于主动隔振的波阻板尺寸宜按照本标准式（6.4.2-1）～式（6.4.2-3）取值。对于厚度和宽度，当超过本标准式（6.4.2-1）、式（6.4.2-2）所示上限值时，隔振效果也会缓慢提高，但不经济；低于下限值时，对部分地质情况，有可能发生振动放大。对于垫层厚度，本标准式（6.4.2-3）所示取值范围内隔振效果最佳且较为稳定，具体隔振效果还与其他因素有关；当超过上限值时，波阻板隔振随垫层厚度增大隔振效果逐渐变差，且存在振动放大可能。
    土层参数的变化对波阻板的隔振效果有显著的影响。根据现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011中对土的类型和剪切波速范围的划分（表1）可知，对于相同的波阻板，在相同的振源作用下，土层由软弱土过渡为坚硬土的过程中，土层剪切模量、剪切波速及剪切波长均增大，使得对隔振效果有主要影响的波阻板无量纲剪切模量、无量纲直径和无量纲厚度都同时减小，导致隔振效果有所下降。所以，同样的混凝土波阻板在软弱土中的隔振效果最好，坚硬土中则相对较差；在保证相同的隔振效果情况下，土层剪切模量降低时，对波阻板尺寸要求也有所降低。     波阻板宽度和厚度取值时，对软弱土可分别取本标准式（6.4.2-1）、式（6.4.2-2）所示取值范围中较小值，对坚硬土可取较大值；波阻板距基础底面垫层厚度取值时，对任何种类土层可以优先取本标准式（6.4.2-3）所示范围较小值，要避免振源基础与波阻板接触。需要结合具体工程条件和设计要求，综合考虑可行性与经济性等选取波阻板主动隔振的设计参数。
    根据工程经验，波阻板被动隔振尺寸设计，置于土面上进行被动隔振的波阻板厚度越大，被动隔振效果越好。波阻板的厚度要求大于0.125倍剪切波波长，厚度过小，隔振效率差，也不宜大于0.33倍剪切波波长，若大于此值，投资增加很多，而隔振效率增加甚微。
6.4.3 本条对波阻板设计过程中需考虑的问题进行了规定。
    考虑到混凝土仍是目前土木工程领域应用最广泛的建筑材料，具有剪切模量大的优点，比较适合波阻板的制作和施工，故对于新建的动力机器等地面振源，仍建议采用现浇或预制的方式进行波阻板施工，混凝土强度等级的选用需要符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010的规定。根据波阻板主动隔振相关理论成果，混凝土强度等级越高，波阻板剪切模量越大，隔振效果越好。根据现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010，C80混凝土的剪切模量（1.583×10⁴MPa）仅为最低等级C15混凝土剪切模量（0.917×10⁴MPa）的1.73倍，故提高混凝土弹性模量不能很有效提高隔振效果，还会造成经济浪费。所以在实际工程中，混凝土强度等级的选用只以满足波阻板吊装（预制）及正常工作时的强度要求为标准进行。通常要求混凝土强度等级不低于C20。在波阻板材质为混凝土的情况下，可以通过调节波阻板平面尺寸、厚度及垫层厚度来提高隔振效果。
    根据选定的波阻板尺寸及其他具体情况确定采用预制或现浇方式建造波阻板。当采用预制波阻板时，需要按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010进行配筋、设置吊环，并进行吊装验算。当波阻板顶面距基础底面垫层厚度较小且动力基础宽度与波阻板宽度相差较大时，波阻板受力状态接近平板式筏基，需要按照现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007进行必要的配筋以满足波阻板抗冲切、抗剪切及局部受压验算要求。
    对于低于10Hz的低频振动，波长通常较大，为保证0.5以下传递率，波阻板的平面设计尺寸和厚度设计尺寸可能较大，为保证地基稳定性，故需要按照现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007进行地基承载力和沉降验算。
    为避免由于波阻板的设置导致产生不均匀沉降，影响动力机器的正常生产，当波阻板下方为软弱土层时，先进行地基处理，使其能承受波阻板和动力机器的基础静力及动力荷载要求。