橋建合一車站列車振動舒適度評價方法研究

劉海鑫，李 輝，康軍立，杜 喬

（1.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司 南京 210005；2.西南交通大學土木工程學院 成都 610031）

橋建合一車站列車振動舒適度評價方法研究

劉海鑫1，李 輝1，康軍立2，杜 喬2

（1.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司 南京 210005；2.西南交通大學土木工程學院 成都 610031）

針對鐵路和城市軌道交通列車運行給橋建合一車站帶來的振動舒適度問題，總結了目前振動對建筑舒適度分析和評價的基本方法和標準，探討了橋建合一車站列車振動候車舒適度的分析和評價方法。以某橋建合一客運站為例，采用加速度振動級方法，根據《城市區域環境振動標準》對其振動舒適度進行分析和評價，所采用的基于國家標準的評價方法可供同類車站分析與評價參考。

橋建合一；振動；動力響應；加速度振動級；舒適度

隨著中國鐵路和城市軌道交通的迅速發展，為有效地利用軌道上下空間，節約土地占用和投資，方便旅客換乘，橋梁與房屋建筑結構組合的“橋建合一”形式的高架車站被廣泛采用。但該類車站列車制動啟動和通過均會給車站結構帶來一定的振動，這些振動雖然不足以使結構出現安全性問題，但是直接影響旅客的候車舒適性。因此對 “橋建合一”車站（特別是大型客運站）的振動候車舒適性進行分析和評價，有效地將振動的水平控制在可接受的水平十分必要。

由于列車運動對建筑物振動的影響是一個復雜的過程，列車對橋梁的振動影響以及人行等對大型客運站樓蓋的振動均有相應的研究成果，但是關于列車車輛 橋建合一車站結構的動力相互作用的研究還不多。另外，中國除《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》GB／T 50355—2005外，尚無其它振動引起的建筑結構舒適度評價的標準，其它建筑通常參考不具約束力的國際標準ISO2631的相關指標進行評價。對于近年來興起的“橋建合一”車站結構列車振動對候車舒適性的分析和評價目前也沒有統一的方法和標準。本文討論了振動舒適度評價的基本方法，并應用國家標準《城市區域環境振動標準》GB 10070—88中的相應限值對車站進行列車振動舒適性進行評價。

1 振動舒適度評價標準與方法

振動舒適度，是指人在振動環境中的舒適程度，是對人的主觀感受通過某種原則進行量化的結果。從各個時期和各國的規范、標準可以看出舒適度評價標準比較復雜，評價方式也很多。

1.1 振動舒適度評價研究

振動對人的影響由來已久，最早對人的振動舒適度進行系統性研究是德國的Reiher和Meister 1931年進行的試驗室研究，他們通過實驗對人在不同振動強度下的感受進行了分級，得到后來在相當長時間內被廣泛認可的五級舒適度評價曲線。在這項研究中，要求10個實驗對象用“不能感覺”、“微微感覺到”、“容易感覺到”、“強烈感覺到”、“不舒適、長時間振動可能會導致危險”、“很不舒適、短時一間內會感到危險”，等6個主觀判斷來描述自己對振動的感受，能感覺到的振動的低限“微微感覺到”常常被用來作為區分建筑物中可以接受和不可接受的振動的分界線。Reiher和Meister的研究結果在很多方面還有疑問，然而這項研究的重要意義不在于其數據的精確性，而在于其研究時間早、并提供了對振動反應的一般描述并得到了振動舒適度頻率效應的近似規律。

在隨后的時間里，美、德、英等國家的學者先后進行了大量的實驗室實驗和現場實測。Griffin在他的著作中系統的總結了美、德、英等國家學者在實驗室實驗和現場測試等方面取得的成果，Nawayseh等通過人體主觀反應實驗，研究了振動的幅值、頻率成分及振動方向等因素對站立姿勢人舒適度的影響。這些成果逐步體現到一系列國家標準和國際標準中，如英國國家標準局發布的BS系列標準、德國的DIN系列和VDI系列標準，ISO系列標準等。

在中國，建筑結構振動舒適度問題長期以來沒有引起太多重視，隨著我國社會和經濟的發展，結構振動舒適度問題越來越受到關注。國內學者近年來在振動舒適度的研究上也做了大量工作，取得了一定的成績，對個別大型建筑進行了舒適度分析和評價。

1.2 振動舒適度的評價方法

1939年的德國標準DIN4150對Reihe：和Meister的研究成果進行了深化，給出了一組詳細的振動舒適度等值線，并用PAL來定義不同的振動舒適度水平，

其中V是峰值速度；V0是參考振動速度的振幅，V0的取值為0.4 mm／s，PAL等于40是“不舒服”、PAL等于20是“強烈感覺到”、PAL等于10是“能感覺到”，而PAL等于5是“剛好能感覺到”，PAL等于0為振感限值。

1958年德國的Dieckmann在心理物理學研究和主觀方法研究的基礎上給出了K值法：

其中X是峰值位移，mm；f是頻率，Hz。該標準給出的振感閾限在K＝0.1處，而另一個極端“感覺振動無法忍受”即1 min振動可耐限度為K＝100。K值方法被用在后來的DIN4025中，在DIN4025中，K＝0.1對應了振感閾限，K＝0.1～0.3之間的值分別定義為“剛好感覺到”、“容易感覺到”、“略不舒服”幾種不同的主觀感受。德國工程師聯合會基于Dieckmann的研究于1963年發布了人體振動舒適度標準，并不斷更新，歷經 VDI 2057（1963），DIN4150，DIN4150（1985）。

國標標準IS02631（全身振動暴露度評價指南）用于評價交通工具和機器附近的振動。這個標準同時建議建筑物可接受的振動限值在振感閩限附近，而給出的振感閾限為0.01 mms－2，與標準中給出的“暴露限”，“疲勞工效降低限”，“舒適度降低限”一樣隨振動頻率而變化。對于站姿和坐姿，0.0 mms－2分別適用于豎向振動（頻率范圍4～8 Hz）和水平振動（頻率范圍1～2 Hz），在該頻率范圍以外，需要使用更高的閾限。

國標標準ISO2631－1（1985）、美國國家標準《人承受建筑物內振動評價指標》（ANSIS 329）、日本國家標準《振動限制法》（1976）與中國標準《城市區域環境振動標準》（GB 10070—88）、《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》（GB／T50355—2005）中均采用加速度振動級的方法來評估舒適度指標。

1.3 中國規范的振動舒適度評價

我國《城市區域環境振動標準》（GB 10070—88）采用了IS02631給出的頻率計權，并參考德國標準給出了不同區域的容許限值，如表1所示。該標準采用分貝（dB）作為評價指標，即

其中，a0為參考加速度，取值為10－6ms－2；arms為振動加速度有效值，ms－2。arms需根據加速度時程a（t）計算得到。

對加速度時程a（t）進行頻域分析，可以得到加速度時程的自功率譜密度函數（單邊譜）Ga（f）。然后根據Ga（f）計算振動加速度有效值arms，進而計算振級，并于規范提供的振級限值做比較，進行舒適性評價。

表1 《城市區域環境振動標準》給出的VLZ（dB）限值

振動加速度有效值的計算主要有3種方法：采用離散加權因子計算總加權加速度均方根值、采用連續加權函數計算總加權加速度均方根值、等效連續均方根值。本文選取連續加權函數計算總加權加速度均方根值，加權加速度均方根可以表示為

中國標準《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》（GB／T 50355—2005）規定了住宅建筑室內的鉛垂向振動加速度級（La）應符合規定值。我國除住宅外尚無其它公共建筑室內振動限值的標準和相關規定，因此只有參照《城市區域環境振動標準》（GB 10070—88）的相應限值規定，采用加速度振動級來評價列車振動對候車舒適度的影響。

2 實例分析

2.1 項目概況

某大型橋建合一鐵路高架車站，南北橫跨26條鐵路線，其中正線4條，到發線22條。主站房南北長約364 m，東向寬約170 m，地上主要部分共兩層（局部有夾層和錯層），第一層為站臺層標高8.8 m，第二層為候車廳標高20.8 m，屋頂標高47.6 m。為降低高速列車通過對候車廳振動的影響，在正線軌道和到發線軌道間設置了結構縫，從而有效控制高速列車對建筑物振動的直接影響。設縫后鐵路正線將站房候車區南北劃分為3個相對獨立的區域A、B、C。

2.2 列車車輛—橋建合一車站結構動力分析

根據秦沈客運專線綜合試驗已有成果，建立列車車輛模型和相應列車激勵。根據現有建筑結構規范，采用ANSYS通用有限元軟件建立車站整體有限元模型。

鐵路正線將站房劃分為A、B、C，3個結構相對獨立的區域。A區域中有到發線7條，B區域中有到發線10條，C區域中有到發線5條。A區域中軌道以次命名為1～7號。根據《城市區域環境振動標準》（GB 10070—88）中監測點在建筑物室外0.5 m以內振動敏感處，必要時測量點置于建筑物室內地面中央的規定，選取A區域中候車廳地面中央為加速度監測點，命名為A1。車站軌道較多，完全的理論工況組合數量巨大，且受篇幅限制，本文僅就A區域為例，選取了每條軌道單獨制動和啟動，共計14個單軌激勵工況。根據單軌激勵的分析結果，發現本區域內軌道主要影響本區域監測點，對其他區域監測點影響很小的特點，選取了2個不利工況組合，詳見表1。

表1 分析工況與說明

利用Block Lanczos方法計算了車站整體的動力特性，按列車車輛和橋建合一車站耦合動力相互作用分析計算出工況1～14每條軌道列車單軌道激勵和不利組合工況15、16下，監測點A1的時程響應與自功率譜結果。受篇幅限制，本文僅列出組合工況15條件下，A1監測點X向的計算結果。

2.3 候車舒適度評價

工況15下A1點的加速度時程（X方向）

工況15下A1點自功率譜密度函數（X方向）

根據上述分析結果計算出不同工況下監測點的加速度振級指標，根據《城市區域環境振動標準》鐵路干線兩側限值為80 dB的規定，進行車站的候車舒適度評價。受篇幅限制，表3僅列出了2個不利組合工況條件下各監測點加速度振級指標。

表3 監測點加速度振級指標 dB

綜合各不利組合工況的舒適性分析結果，候車廳監測點A1的最大分貝值為66.45 dB；小于標準限值80 dB，滿足舒適度要求，同樣通過相應的計算可以評價其它區域的候車舒適度，這里就不再一一贅述。

3 結 論

雖然分析結果表明列車運營對候車舒適度的影響滿足標準要求，但其加速度振級指標與標準限值已比較接近。因此對于大型“橋建合一”車站即使強度與變形滿足規范要求，樓蓋候車舒適度也有可能不滿足使用要求，有必要進行候車舒適度的分析和評價。經算例分析，所采用的基于國家標準的加速度振動級舒適度評價方法，依據的限值明確規定有一定的約束力，實用性強，可供同類車站分析與評價參考。

由于列車運營對“橋建合一”車站的影響是個十分復雜的問題，本文也僅探討和試算了到發線列車的直接震動影響，并沒有考慮正線列車高速通過等對車站的間接震動影響，所采用的《城市區域環境振動標準》（GB 10070—88）的規定限值，也針對軌道兩側并不是直接根據“橋建合一”車站提出的，因此尚有不完善的地方。

隨著軌道交通的快速發展，中國已建和在建的同類車站越來越多。建議有關方面組織力量對“橋建合一”車站列車振動的候車舒適性評價進行進一步的研究，收集和實測相關數據，總結有效隔振和減振措施，制定公共建筑特別是“橋建合一”車站的振動限值及其測量方法標準，為列車振動對候車舒適性的分析和評價提供依據。

［1］中華人民共和國國家環境保護局.GB 10070—88城市區域環境振動標準［S］.北京：中國標準出版社，1989.

［2］西南交通大學，中國中鐵二院工程集團有限責任公司.合肥南站列車動載作用下候車舒適度和結構安全研究報告［R］.成都：西南交通大學.

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［7］周德良，李愛群.長沙南站大跨度候車廳樓蓋豎向舒適度分析與檢測［J］.建筑結構，2011（Sup4）：167-169.

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（編輯 王秀玲）

The Evaluation Method of Vibration Comfortable Level in Bridge-Architecture Composite Station

Liu Haixin1，Li Hui2，XuTunfei2，Kang Junli2，Du Qiao2
（1.The Institute of Communication Planning and Design of Jiangsu Province，Nanjing 210005，P.R.China；2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，P.R.China）

To solve the problem of comfortable level on vehicle vibration in railway station，this article summarizes current building comfortable level analysis and evaluation standards and methods，and the comfortable level of railway station is discussed.According to the Standard of City Region Environmental Vibration，some bridge-station combined structure is taken as an example，the standard scale of acceleration vibration is used to evaluate the comfortable level of the railway station.The methods and evaluation process provided in this article can serve as an reference.

bridge-architecture composite structure；vibration；dynamic response；acceleration vibration leve；comfort

U270.38

A

1674-4764（2013）S2-0136-04

10.11835／j.issn.1674-4764.2013.S2.035

2013-09-30

劉海鑫，男，高級工程師，主要從事道路、橋梁、建筑、鐵道等設計研究，（E-mail）723223682＠qq.com。

book=139,ebook=28