重載鐵路振動對沿線建筑物結構影響試驗

孟 鑫，劉鵬輝，姚京川，尹 京

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

重載鐵路振動對沿線建筑物結構影響試驗

孟 鑫，劉鵬輝，姚京川，尹 京

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

選取重載鐵路沿線四處有代表性的單層磚混結構建筑物為研究對象，建筑物中心距離鐵路分別為6.5 m、15 m、26 m、38 m，其中15 m處的建筑物可作為鐵路振動引起建筑物損傷的典型樣本。對由列車引發的建筑物基礎和屋頂處的振動響應進行現場測試和分析，并將峰值振動速度PPV實測結果與中外相關標準進行對比。結果表明，當峰值振動速度PPV超出GB 50868-2013中的第三類振動限值時，會對我國鐵路沿線“建造質量較差的建筑”產生損害。

振動與波；重載鐵路；建筑物；試驗研究

近年來，我國高速鐵路和重載鐵路的建設蓬勃發展，鐵路產業迅速壯大，建設規模日益擴大。目前，我國高速鐵路動車組列車的最高運營速度為300 km/h，貨物列車軸重達到25 t、牽引質量2萬～3萬噸，并將發展30 t軸重的重載鐵路。隨著高速列車速度的提高和重載列車軸重及牽引質量的增大，由列車引起的振動對沿線建筑物結構的影響引起了人們的普遍關注[1，2]。

鐵路列車作用下引起的振動不同于地震荷載，一般不會導致建筑物的倒塌，但是鐵路引起的振動作用時間長且反復發生，這樣的小幅振動的反復作用同樣會對結構造成損害，導致出現裂縫甚至引起結構變形，使結構的強度降低，影響結構物的安全和正常使用。一般情況下，由振動引起的建筑物損傷主要是淺表性的。國際標準ISO 4866：2010[3]將振動引起的建筑物損傷分為三類：

（1）淺表性損傷：在清水墻表面上產生的發絲裂縫，在粉刷層或清水墻表面上有裂縫的發展；此外，在磚或混凝土砌塊結構的灰縫中出現的發絲裂縫；

（2）較小損傷：粉刷或清水墻表面產生的較大的裂縫、松散和剝落，貫通磚或混凝土砌塊的裂縫；

（3）較大損傷：建筑物構件的損傷，承重柱的開裂，節點的酥松，磚石裂縫的擴展等。

質點振動速度和振動頻率與建筑物破壞有著密切的關系，能直接反映振動能量大小，在建筑物的振動評價中起著重要作用[4]。在各國標準中大多按照不同建筑物分類，采用與振動頻率相關的峰值振動速度PPV（Particle Peak Velocity）作為限值。PPV為振動速度時域波形的絕對值的最大值，能較好的反映建筑物所產生的動應力。通過對重載鐵路沿線四處有代表性的單層磚混結構建筑物進行振動測試，分析由列車引發的建筑物振動響應和衰減規律，并將PPV實測結果與中外相關標準進行對比，找出適用于我國鐵路沿線“建造質量較差建筑”的峰值振動速度PPV的“安全閥值”。

1 試驗概況

試驗場地選在重載沿線鐵路養護工區附近，為高原地貌，土質從上至下依次為碎石夾土、白云巖，地下5 m深度為基巖，場地平坦、開闊，軌面與房屋基礎平面基本處于同一高度。建筑物為單層磚混結構，可歸為“建造質量較差的建筑”，其特點為：沿線居民的自建房屋，主要為磚木或磚混、單層砌體結構；房齡較長，未經正規設計、施工，建材質量較差、地基未做或僅進行簡單加固處理。也可描述為“城市舊房和鎮（鄉）村未經正規設計自行建造的建筑物”[5]。該類建筑物在我國鐵路沿線最為常見，所占比例較大。

四處房屋距離鐵路外軌分別為6.5 m、15 m、26 m、38 m，根據其使用功能，可依次命名為監控室、庫房、鍋爐房、小房，房屋概況見表1，房屋現場照片見圖1。

圖1 房屋狀況現場照片

表1 房屋狀況調查

所測試4處房屋中，距鐵路外軌15 m處的“庫房”開裂最為嚴重，存在多處擴展性裂縫；6.5 m處“監控室”次之，在墻體抹灰層表面存在大量發絲狀裂縫，在墻體接縫處抹灰層存在豎向開裂；其余2處房屋開裂狀況較輕。

開裂嚴重的“庫房”四周墻體命名為A—D墻，見圖2所示。房屋存在多處“較小的”和“較大的”開裂區，平行于鐵路的A墻和垂直于鐵路的D墻均存在較多墻體開裂區域，裂縫分布見圖3。裂縫集中在門窗的上部、拐角處，門的上方存在開裂集中區域。裂縫大多沿磚縫呈斜向開裂，最長約3.4 m，個別位置處裂縫貫穿墻體。房屋四周基礎底部未見裂縫。B墻裂縫較少且較短。C墻上無門窗布置，未見明顯開裂區域。

圖2 房屋位置及測點布置示意圖

圖3 “庫房”墻體裂縫分布示意圖

根據“庫房”墻體裂縫分布位置和開裂擴展情況，并結合現場踏勘，可排除墻體開裂是由于地基沉降、建造質量、建材等因素引起的，分析認為“庫房”墻體開裂與運營列車引起的振動有相關性，墻體開裂可作為重載列車運營引起建筑物損傷的典型樣本，對其進行振動測試可為今后制定振動限值提供參考。

所測試的重載鐵路為單線，有砟軌道，無縫線路，60 kg/m鋼軌，共測試運營貨列19趟，其中8趟重車、11趟空車。牽引機車均為SS 4型；重車編組均為C 80貨車，軸重25 t，速度為54.1 km/h～76.3 km/ h；空車速度為59.5 km/h～78.3 km/h，列車種類有C 80、C 70、C 62、C 64。

在房屋基礎和屋頂中心處各放置橫、豎向速度傳感器進行測試，現場測點布置情況見圖2。為兼顧房屋位置、關注距離、不影響房屋使用等因素，將測點位置進行調整。每個測點放置橫向、豎向振動傳感器各一個，橫向傳感器垂直于線路方向，用粘結劑使傳感器與結構物緊密連接。振動傳感器與抗混迭濾波放大器匹配使用，試驗采用的測試系統的通頻帶、量程、分辨率、抗干擾、率定等方面性能滿足測試要求。

對振動時域波形進行分析時，首先對測試波形預檢，去掉奇異項，修正零線飄移、趨勢等誤差，確認非失真的波形。讀取峰值振動速度PPV時，取單峰值的最大絕對值。頻率分析主要采用1/3倍頻程譜分析，用中心頻率點的振動量值替代某一頻段內的振動水平，它的縱坐標是有效值，可以反映處該頻段的振動能量，是一種能量譜，通常1/3倍頻程曲線橫坐標采用對數坐標[6]。頻率分析時，對參數設置、波形截取等進行統一。

2 建筑物基礎振動

2.1 峰值速度隨距離的衰減

各基礎測點處的橫向、豎向PPV與距離的衰減關系見表2，給出了所有測得的貨列重車、空車，由于運營貨列的牽引機車不固定、貨車種類混雜、編組各異、軸重不固定，以致在5 m、15 m測點處峰值振動速度較為離散，在29 m、38 m測點處峰值振動速度變化較小。

表2 所有列車經過時各基礎處測點峰值振動速度表

由實測數據可知，基礎處豎向與橫向峰值振動速度數值大小相當；在5 m～15 m區域內峰值振動速度無明顯衰減，部分車次在15 m處振動速度出現局部放大，這主要是與現場地質條件、基礎狀況相關；15 m～29 m內基礎處振動峰值衰減最為顯著，在29 m及更遠區域，振動速度衰減趨緩，振動速度小于0.4 mm/s。

2.2 峰值速度與列車速度的關系

選取8趟運營貨列重車振動測試數據，行車速度為54.1 km/h～76.3 km/h，各測點峰值振動速度與行車速度關系如下圖4圖—5所示，運營貨列重車以不同速度經過時，基礎處各測點橫向峰值振動速度與行車速度關系不明顯。5 m、15 m處測點的豎向峰值振動速度隨行車速度的提高有增大趨勢，但測試數據較為離散，同樣時由于機車和編組不同、軸重不確定等因素引起。

圖4 橫向峰值振動速度與行車速度關系圖

圖5 基礎處豎向峰值振動速度與行車速度關系圖

2.3 頻域分析

運營貨列重車引起基礎處橫向和豎向振動速度1/3倍頻程頻譜見圖6—圖7。距離外軌5 m、15 m的基礎處振動速度呈寬頻特征，以20 Hz～100 Hz頻率成分為主；在距離外軌29 m、38 m的基礎處以低頻振動為主，以20 Hz～31.5 Hz頻率成分為主；各中心頻率振動速度隨振源距離的增加整體呈衰減趨勢，高頻成分的振動衰減比低頻更快；20 Hz～50 Hz頻率成分的振動在15 m處存在局部放大現象。

圖6 橫向振動速度1/3倍頻程頻譜圖

圖7 豎向振動速度1/3倍頻程頻譜圖

鐵路運營引起的地面振動頻率較寬，且具有一些特征頻率[7]。當列車以固定速度通過時，由于其軸重荷載的規則性排列，會產生周期性的動力作用，列車的豎向加載頻率主要取決于列車速度v（km/h）和軸距d（m），加載頻率為 f=v/（3.6·d），貨物列車引起的豎向振動主要是由于轉向架內軸距、轉向架間軸距引起的。在列車速度不超過80 km/h時，由軸重的規則性排列產生的振動頻率成分集中在12 Hz以內。實測5 m測點處豎向振動表現最為明顯。

3 建筑物屋頂處振動

選取8趟運營貨列重車振動測試數據，房屋基礎、屋頂處峰值振動速度見表3。“監控室”、“鍋爐房”、“小房”三處房屋基礎處的橫向、豎向峰值振動速度小于屋頂處的峰值振動速度，說明當鐵路引起的振動經房屋基礎傳遞到屋頂時，振動響應會有一定放大。“庫房”屋頂處橫向振動響應與其它建筑物有所區別。各處建筑物屋頂處振動以低頻為主，以房屋自振頻率為主，高頻響應不明顯。

表3 8趟運營重車作用下基礎、屋頂測點峰值振動速度表

4 鐵路振動對建筑結構影響的評價

4.1 國內外相關評價標準

振動引起的建筑物損傷不僅取決于地面振動的劇烈程度，而且受到建筑本身的結構強度、建材特性以及動力特征的影響。由于建筑物種類的繁雜，針對各類建筑物分別提出振動限值較為困難。因此，各國標準中普遍對建筑物進行歸類，并對應提出限值，方便實際應用。由于各國社會經濟發展水平不同，其對建筑物的特征、分類、振動限值均有較大差異。目前大多數國家采用峰值振動速度PPV作為防止建筑物振動損傷的控制指標，振動限值大致呈現隨頻率升高而增大的趨勢。其中，德國DIN 4150-3：1993[8]和英國BS 7385-2：1993[9]使用較為廣泛。

我國GB 50868-2013[5]建筑工程容許振動標準》中，對建筑物的分類及容許值主要參考了德國標準DIN 4150-3:1993，給出了更為嚴格的關于交通（公路、鐵路和城市軌道交通）引起的振動對建筑結構影響的容許限值，見表4。評價頻率范圍取1 Hz～100 Hz，評價參數和位置為：

（1）建筑物頂層樓面中心位置處水平向兩個主軸方向的振動速度峰值及其對應頻率。

（2）建筑物基礎處豎向和水平向兩個主軸方向的振動速度峰值及其對應頻率。無法在基礎處時，可取最底層主要承重外墻的底部。

對于未達到國家現行抗震設防標準的城市舊房和鎮（鄉）村未經正規設計自行建造的房屋的容許振動值，宜按“居住建筑”限值的70%確定。

表4 交通振動對建筑結構影響的容許振動值

4.2 實測建筑物振動與國內外標準對比

實測所有列車經過時引起四處房屋基礎、屋頂處實測峰值振動速度和對應頻率，按各標準中限值進行評價。實測峰值振動速度、對應頻率和標準限值繪制在圖8—圖10中。以德國標準中第三類建筑物的短期振動、長期振動限值和英國標準第二類建筑物基礎處短期振動限值作為評判標準。DIN 4150-3：1993中的第三類限值小于第一、二類限值。BS 7385-2：1993中限值較大，即便按50%折減后，基礎處第二類限值仍遠大于德國標準中的第三類限值。

圖8 基礎處PPV與英國、德國標準限值對比圖

圖9 基礎處PPV與中國標準限值對比圖

圖10 屋頂處PPV與中國標準限值對比圖

選用BS 7385-2：1993和DIN 4150-3：1993標準中最嚴格的限值，實測數值最大的“庫房”基礎處峰值振動速度與限值仍存在較大的差距，但房屋本身存在大量開裂，說明英國、德國標準中的限值并不適用于我國鐵路沿線建筑物結構的振動影響評價。

按GB 50868-2013標準中限值進行評價，為方便對比，基礎處增加了“DIN 4150-3：1993”中第三類限值，屋頂處增加了“DIN 4150-3：1993”中短期和長期振動限值，基礎和屋頂PPV與限值對比見圖9—圖10。

測試四處房屋中，距鐵路較遠處“鍋爐房”（29 m）和“小房”（38 m）基礎處峰值振動速度遠小于GB 50868-2013中最小的第三類振動限值，其峰值振動速度對應頻率集中在20 Hz～35 Hz之間。距鐵路較近的“庫房”（15 m）基礎處峰值振動速度存在部分車次超出GB 50868-2013中最小的第三類振動限值，接近標準中第二類振動限值的70%，其峰值振動速度對應頻率集中在25 Hz～40 Hz之間。距離鐵路最近的“監控室”（5 m）基礎處峰值振動速度與“庫房”（15 m）處數值大小相當，其峰值振動速度對應頻率范圍較寬，在20 Hz～80 Hz之間，由于標準中限值隨頻率提高而增大，實測數值接近但并未超出第三類限值。

由測試四處屋頂處的橫向峰值振動速度分布情況可知，“庫房”（15 m）、“鍋爐房”（29 m）和“小房”（38 m）屋頂處峰值振動速度小于GB 50868-2013中最小的第三類振動限值，且存在一定差距，其峰值振動速度對應頻率集中在10 Hz～30 Hz之間。距離鐵路最近的“監控室”（6.5 m）屋頂處峰值振動速度大于其余三處，接近GB 50868-2013中最小的第三類振動限值，其峰值振動速度對應頻率集中在8 Hz～12 Hz之間。

測試結果表明：離鐵路較近的“監控室”、“庫房”處實測峰值振動速度PPV數值較大，結合裂縫分布位置和開裂擴展情況，可認為房屋結構損傷與鐵路振動有相關性。離鐵路較遠的“鍋爐房”、“小房”處實測峰值振動速度PPV較小，可認為房屋表面裂縫與鐵路振動相關性較小。

4.3 鐵路振動對建筑物的影響分析

我國鐵路沿線的“建造質量較差的建筑”，按照GB 50868-2013中要求，容許振動限值應取第二類“居住建筑”限值的70%，但實測結果表明建筑物振動響應最大處“庫房”接近但并未超過該限值，條文說明中提到“經驗表明，如果不超過限值，建筑物不會發生損傷”，這與實際情況不符。從安全角度出發，結合本次試驗結果，應制定更為嚴格的限值以保證建筑物的安全使用。“庫房”可作為鐵路振動引起建筑物損傷的典型樣本。

雖然GB 50868-2013中最嚴格的第三類振動限值是針對“對振動敏感、具有保護價值”的建筑物，但實測“監控室”、“庫房”基礎處峰值振動速度PPV已經接近或超過該限值，說明當建筑物振動速度接近或超過此限值時應引起重視，用第三類振動限值作為“建造質量較差建筑”的“安全閥值”符合實際情況，也更安全。由于此類建筑在鐵路沿線建筑物中所占比例較大，此“安全閥值”具有實際意義。

鐵路振動對沿線建筑的影響較為復雜、隨機性較大，影響振動產生及傳播的不確定因素很多，鐵路沿線建筑物種類繁雜、數量龐大，在條件允許的情況下，應盡可能多的選取有代表性的建筑物結構進行現場實測。通過大量實測數據分析，并結合數值模擬方法，對建筑物容許振動限值、評價方法進行修改完善。

5 結語

通過對重載鐵路沿線典型的單層砌體結構的振動響應進行現場測試，結合國內外標準進行振動影響評價，主要結論如下：

（1）在距離外軌5 m、15 m的建筑物基礎處振動速度在20 Hz～100 Hz呈寬頻特征；在距離外軌29 m、38 m的基礎處以低頻振動為主，主頻在20 Hz～31.5 Hz范圍內。在15 m～29 m區域內基礎處振動峰值衰減最為顯著，在29 m及更遠區域，振動速度衰減趨緩，振動速度小于0.4 mm/s。5 m、15 m處基礎處豎向峰值振動速度隨行車速度的提高有增大趨勢。單層砌體建筑屋頂振動低頻響應明顯，以房屋自振頻率為主；

（2）所測試的四處單層砌體建筑物在我國鐵路沿線建筑物中較為典型，應歸為“建造質量較差的建筑”。振動響應實測數據分別用英國、德國、中國標準進行對比分析，實測峰值振動速度PPV與英國、德國標準限值差距較大，存在適用性問題；

（3）實測“庫房”基礎處峰值振動速度PPV數值較大，并結合裂縫分布位置和開裂擴展情況，分析認為該處房屋結構損傷與鐵路振動有相關性。當峰值振動速度PPV超出GB 50868-2013中的第三類振動限值時，會對我國鐵路沿線“建造質量較差的建筑”產生損害。

[1]田苗，熊春梅.列車引起的環境振動問題研究[J].噪聲與振動控制，2013，33(1)：143-147.

[2]盧華喜，梁平英.高速列車引起建筑物振動的研究進展[J].噪聲與振動控制，2010，30(4)：50-53.

[3]ISO 4866:2010,Mechanical vibration and shock-vibration of fixed structures-guidelines for the measurement of vibrations and evaluation of their effects on structures[S], 2010.

[4]夏禾.交通環境振動工程[M].北京：科學出版社，2010.

[5]GB50868-2013.建筑工程容許振動標準[S].北京：中國計劃出版社，中華人民共和國住房和城鄉建設部，2013.

[6]劉維寧，馬蒙.地鐵列車振動環境影響的預測、評估與控制[M].北京：科學出版社：2014.

[7]徐建.建筑工程容許振動標準理解與應用[M].北京：中國建筑工業出版社：2013.

[8]DIN4150-3.Structural vibration,Part 3.Effects of vibration on structures[S].1999.

[9]BS 7385.Evaluation and measurement for vibration in buildings,Part 2.Guide to damage levels from groundborne vibration[S].1993.

Experimental Study onAmbient Building Damage Caused by Heavy-haul Railway Operation

MENG Xin,LIU Peng-hui,YAO Jing-chuan,YIN Jing
(ChinaAcademy of Railway Science,Beijing 100081,China)

Four representative residential buildings of single-layer brick-concrete structure with the distances of 6.5m, 15m,26m and 38m respectively away from the railway were selected to study their damage situations.Of them the building 15m away from the railway was used as a typical sample of damage.Vibration responses of the foundations and roofs of the buildings induced by the train operation were measured and analyzed.The measured data of PPV of the vibration velocity was compared with that of domestic and international standards.Results show that,when the PPV of the vibration velocity exceeds the vibration limits of the third kind in GB 50868-2013 standard,the poor quality buildings beside the railway will damage.

vibration and wave;heavy-haul railway;building;experimental study

TB123

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.02.024

1006-1355(2015)02-0101-06

2014－08－01

中日韓鐵路技術合作研究項目（2011YJ93）；國家自然科學基金資助項目（51378500）

孟鑫（1982－），男，山東濟寧人，助理研究員，工學碩士，主要研究方向：結構動力學、環境振動預測評估。E-mail:sdjxmx@sina.com