地鐵列車引起合建建筑振動特性的試驗研究

楊圣春

(內蒙古科技大學建筑與土木工程學院，內蒙古包頭014010)

地鐵列車引起合建建筑振動特性的試驗研究

楊圣春

(內蒙古科技大學建筑與土木工程學院，內蒙古包頭014010)

采用現場試驗的方法，從時域和頻域角度分析了地鐵列車通過時引起的與地鐵合建建筑結構環境振動特性。研究結果表明:在地鐵列車荷載作用下，合建建筑結構的振動幅值隨距振源距離的增大而減小，橫向振動響應幅值約為垂向振動響應幅值的0.8倍;合建建筑上部結構的振動頻率分布特性基本上與地鐵線路結構一致，主要集中在20～80 Hz;合建建筑結構橫向環境振動水平雖總體上較垂向環境振動水平要小，但兩者處于同一水平，甚至在部分頻率范圍內要比垂向環境振動水平還要高，橫向環境振動對人們工作和生活的干擾不能忽視。

地鐵列車 合建建筑 振動特性 現場試驗

隨著城市軌道交通建設的蓬勃發展，為了充分利用城市土地空間，將地鐵線路結構(如車站、隧道等結構)與地上建筑合建綜合開發，逐漸成為地鐵建設和城市地下空間開發的趨勢。通常做法是將地鐵線路結構與建筑基礎合二為一進行整體性聯結，進行同步設計、施工，不僅有利于降低項目建設成本，而且有利于項目的綜合商業開發。如上海市自然博物館與13號線共建工程［1］、上海虹橋高鐵車站工程［2］等項目均采用了合建結構。在合建結構中，由于地鐵線路與上部建筑結構基礎采用剛性整體性聯結，兩者之間沒有采取任何措施對振動進行阻隔，地鐵運行時引起的建筑結構環境振動和噪聲問題十分顯著，極有可能對建筑內人們的工作和生活產生干擾［3］。國內外對地鐵列車引起的環境振動研究大多采用數值模擬的方法［4-8］和現場試驗法［9-12］。數值計算方法通常采用二維平面模型和2.5維模型［6］，文獻［7］建立了有限元結合邊界元的二維和三維模型，文獻［8］采用三維數值計算模型分析了高速列車通過時引起的地面振動加速度響應特征，并研究了列車通過時所引起的振動在三維空間的傳播特征。目前，地鐵列車引起地面建筑環境振動的研究已經取得一定成果，但是針對地鐵列車引起與線路合建建筑結構環境振動特性方面的試驗研究非常匱乏。本文采用現場試驗的方法，從時域和頻域角度分析了地鐵列車引起的與地鐵線路合建建筑結構環境振動特性，研究成果為城市軌道交通減振降噪技術的研究和應用提供技術參考和數據支持。

1 現場試驗

1.1 試驗概況

試驗地點位于上海虹橋綜合交通樞紐京滬高鐵虹橋站大樓內，合建建筑結構的橫向剖面圖如圖1所示。

選擇在地鐵站臺層中央及其正上方地鐵站廳層、高鐵站臺層和高鐵候車廳中央4個位置分別布置傳感器。采用環氧樹脂膠將傳感器與樓板穩固連接。

1.2 試驗儀器與設備

試驗儀器主要包括動態信號采集設備和超低頻振動拾振器。動態信號采集設備為INV3020D高性能24位采集系統，采樣頻率為400 Hz。振動拾振器為941電磁式低頻振動傳感器。試驗時將拾取加速度信號的傳感器調整到加速度檔位，而將拾取速度信號的傳感器調整到小速度檔位，同步拾取列車經過時各樓層的振動響應信號，每樓層布置傳感器數量為4只，本試驗總共布置16只傳感器進行同步測量，拾取垂直、橫向的振動速度和振動加速度信號。

1.3 試驗荷載

試驗荷載為上海地鐵10號線列車經過試驗斷面時作用在鋼軌上的荷載，車輛類型為A型車，列車為6節編組形式。為保證列車荷載達到最大狀態，試驗時間選擇在早晚出行高峰時段，分別為上午6:30～8:30和下午5:30～7:30，車速為55 km/h，共計測得27組試驗數據。

圖1 環境振動測點布置(單位:mm)

2 時域分析

地鐵站臺層(測點1，第8組試驗數據)的振動響應時程曲線如圖2所示。對各測點振動響應進行時域幅值統計分析，結果如表1所示。振動速度、振動加速度測定周期為30 s。

圖2 列車經過時站臺層振動響應時程曲線

表1 時域幅值統計

圖2表明，列車經過時各測點的振動響應時程信號已無法辨認出車輪經過的具體時刻，但可分辨出列車到達、經過和離開的過程。各測點的振動響應信號呈現明顯的周期性和持續性，持續時間約為15 s。從表1可以看出，各測點垂向振動加速度和速度幅值分別處于2.6×10－2～7.2×10－1m/s2和8.6×10－5～2.8×10－3m/s，橫向振動加速度和速度幅值分別處于1.8×10－2～6.4×10－1m/s2和6.4×10－5～2.2× 10－3m/s。地鐵站臺層的振動響應最大，地鐵站廳層、高鐵站臺層和高鐵候車廳層依次減小，說明地鐵列車引起合建建筑結構的振動幅值隨距振源距離增大而減小。但相同測點處其橫向、垂向振動響應幅值同處一個數量級，橫向振動響應幅值約為垂向振動響應幅值的0.8倍。

3 頻譜分析

為了分析列車經過時合建建筑結構各測點的振動響應頻率分布特性，采用周期圖法對振動時程響應信號進行頻譜分析(窗函數為矩形窗，分析點數為512)，得到相應的振動響應頻譜曲線，然后求取平均值。各測點頻譜曲線如圖3至圖5所示。

圖3和圖4表明:列車經過時，地鐵站臺層和站廳層不論是垂向振動，還是橫向振動，加速度響應和速度振動響應的頻率分布特性基本一致。垂向振動加速度響應的頻率基本上分布在20～80 Hz，以35～55 Hz為主，在40 Hz處存在峰值;橫向振動加速度響應的頻率基本上分布在20～80 Hz，分布較為均勻，存在多個峰值。垂向振動速度響應的頻率基本上分布在20～60 Hz，在41 Hz處存在峰值;橫向振動速度響應的頻率基本上分布在20～80 Hz，存在多個峰值。

圖5表明，由于高鐵車站將自身柱板結構與車站結構進行整體剛性聯結成為合建結構，兩者之間不存在任何阻隔作用。因此，無論振動加速度響應，還是振動速度響應，列車經過時引起的地鐵站臺、站廳層的振動響應能輕易傳播至高鐵車站。高鐵車站垂向振動響應頻率分布特性基本上與地鐵車站一致，主要分布在35～60 Hz，在40 Hz處存在峰值;橫向振動響應也基本上分布在35～80 Hz，相當比例的振動響應分布在60～80 Hz，在70 Hz處存在峰值。

圖3 地鐵站臺層振動響應頻率分布特性

圖4 地鐵站廳層振動響應頻率分布特性

圖5 高鐵站臺層振動響應頻率分布特性

4 振動水平評價

為分析列車經過時地面振動水平在頻域上的分布特性，對各測點振動響應信號進行1/3倍頻程分析得到相應的振級頻譜曲線，然后求取平均值，各測點的1/3倍頻程振級頻譜曲線如圖6和圖7所示。

由圖6可以得出:

1)在列車荷載作用下，地鐵站臺層、地鐵站廳層、高鐵站臺層和高鐵候車廳層的垂向、橫向速度振動水平分布趨勢基本一致。在10～60 Hz范圍內，地鐵站臺層的垂向速度和橫向速度振動水平分別處在97～110 dB和92～107 dB，地鐵站臺層的垂向速度振動水平較橫向速度振動水平約高出4.6 dB。地鐵站廳層的垂向速度和橫向速度振動水平分別處在78～95 dB和64～91 dB，前者較后者的速度振動水平平均高出約9.8 dB。

2)在35～80 Hz范圍內，高鐵站臺層的垂向速度和橫向速度振動水平分別處在72～90 dB和62～88 dB，高鐵站臺層的垂向速度振動水平較橫向速度振動水平平均高出約6.8 dB。在35～60 Hz范圍內，高鐵候車廳層的垂向速度和橫向速度振動水平分別處在60～85 dB和57～83 dB，垂直速度振動水平較橫向速度振動水平平均高出約2.8 dB。

圖7表明:在列車荷載作用下，地鐵站臺層和站廳層的垂向、橫向振動加速度振動水平分布趨勢基本一致。在10～100 Hz范圍內，地鐵站臺層、站廳層、高鐵站臺層和高鐵候車廳層的垂向加速度振動水平分別處在76～98 dB，55～83 dB，44～78 dB和22～72 dB，橫向加速度振動水平分別處在68～95 dB，40～79 dB，34～74 dB和20～65 dB。地鐵站臺層、站廳層、高鐵站臺層和高鐵候車廳層的垂向加速度振動水平分別比橫向加速度振動水平高出約4.02，8.00，4.40和7.80 dB。說明在合建建筑結構中，地鐵列車引起的橫向環境振動水平雖然較垂向環境振動水平要小，但兩者依舊處于同一水平，橫向環境振動對人們工作和生活的干擾不能忽視。

圖6 振動速度水平分布

圖7 振動加速度水平分布

5 結論

本文通過現場試驗，得出以下結論:

1)地鐵列車引起合建建筑結構的振動幅值隨距振源距離增大而減小，橫向振動響應幅值約為垂向振動響應幅值的0.8倍。

2)由于合建建筑結構將自身柱板結構與車站結構進行整體剛性聯結，兩者之間不存在任何阻隔作用，列車經過時引起的地鐵線路結構的振動響應能輕易傳播至上部建筑結構，上部建筑結構的振動頻率分布特性基本上與地鐵線路結構一致。

3)地鐵列車引起的合建建筑結構環境振動頻率主要集中在20～80 Hz范圍內，影響合建建筑結構環境振動的輪軌表面不平順波長范圍為0.02～0.50 m。

4)在合建建筑結構中，地鐵列車引起的橫向環境振動水平雖較垂向環境振動水平要小，但兩者處于同一水平，橫向速度振動水平在部分頻率范圍內甚至要比垂向振動水平要高。橫向環境振動對人們工作和生活的干擾不能忽視。

合建結構的振動特性除了與荷載有關以外，還與結構自身頻率響應特性有關。因此，今后的研究應在對合建建筑結構做進一步自振分析的基礎上開展。

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Experimental study on vibration characteristics of complex building during metro train running

YANG Shengchun
(The School of Architecture＆Civil Engineering，Inner Mongolia University of Science＆Technology，Baotou Inner Mongolia 014010，China)

T hrough field test，this paper studied environmental vibration characteristics of building structure integrated with subway structure caused by subway train passing from two angles of time domain and frequency domain．T he results showed that vibration amplitude of integrated building structure decreases with the increase of vibration sources distance and transverse vibration response amplitude is about 0.8 times vertical vibration response amplitude under the subway train loading，vibration frequency distribution characteristics of integrated building superstructure is basically consistent with subway line structure，which is mainly in the range of 20 to 80 Hz，transverse environment vibration level of integrated building structure is lower than vertical environment vibration level on the whole and both are on the same level，transverse environment vibration level is higher than vertical environment vibration level in some special frequency range，and the influence of transverse vibration on people's life and work cannot be ignored．

Subway train;Integrated building;Vibration characteristics;Field test

U231;U451+．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．17

1003-1995(2015)03-0057-05

(責任審編趙其文)

2014-05-30;

2014-12-19

內蒙古自治區自然科學基金(2012MS0713)

楊圣春(1978—)，男，山東菏澤人，講師，碩士。