橋上列車高速運行引起的地面振動試驗研究

（西南交通大學土木工程學院，四川成都610031）

（西南交通大學土木工程學院，四川成都610031）

為了研究高速鐵路高架段車致地面振動的傳播和衰減規律，以津秦客專線32 m簡支梁橋區段為工程背景，實測高速列車以速度250～385 km/h通過時的三向地面振動響應，并對實測數據進行時域和頻域分析.研究結果表明：近場測點的加速度時程呈現出明顯的列車周期性加載現象，軸距及前后車相鄰轉向架間距的激勵頻率起主要作用；地面各測點在順橋向、橫橋向和垂向3個方向上的振動優勢頻率范圍為25～80 Hz；隨著距離的增加，垂向地面振動在優勢頻段顯著衰減，而順橋向和橫橋向地面振動在1～80 Hz頻段內均明顯衰減；各測點在各測試車速下，垂向地面振動比順橋向和橫橋向大，而同一測點在順橋向和橫橋向的地面振動加速度級最多相差2 dB；順橋向和橫橋向地面振動在距振源約30 m處出現放大現象；車速為250～320 km/h時，近場總體振動加速度級隨車速增加而增大約6 dB，但車速為330～385 km/h時的各測點總體振動加速度級相差不超過2 dB.

高速鐵路；高架橋；地面振動；現場測試；時域；頻域

我國的高鐵線路多采用“以橋代路”的方式，在已建的300 km/h及以上高鐵中，如京滬、京津城際、滬杭、滬寧等，高架線路占全線80%以上.高速列車在橋上運行時的振動能量通過橋墩傳遞到周圍土體及臨近建筑物中，由此產生二次振動和噪聲問題，并逐漸引起人們的重視［1］.

橋上高速列車引起的地面振動受到諸多因素的影響，例如：車輛、軌道和橋梁的動力特性；輪軌非線性接觸；輪軌不平順；線橋相互作用關系；基礎動力阻抗；土體耗能特性等，因此，該問題非常復雜，往往需要先通過現場試驗獲得規律性認識.采用解析或數值方法對該問題進行研究時，必須對實際情況做必要的簡化，簡化模型又必須經過現場試驗驗證.因此，針對該問題進行現場試驗非常有必要.

文獻［2-4］給出了列車引起自由場地和建筑物振動的現場測試數據，為相關研究提供了有力的試驗支撐.文獻［5］通過實測與數值模擬，研究了上海明珠線高架軌道交通引起的環境振動，提出了環境振動回歸公式.文獻［6］對秦沈客運專線列車運行引起的地面振動進行了實測，重點討論了列車編組與行車速度對地面振動的影響.文獻［7-8］給出了成灌鐵路高架車站以及高架橋段自由地表的振動進行了實測結果，得到了一些有意義的結論.然而，縱觀這些試驗發現，研究中的車速均低于200 km/h，且這些研究中較少涉及水平方向地面振動，并缺少相關實測數據.

更高車速下的環境振動試驗相對較少，且主要關注路基段的環境振動.例如，文獻［9］實測了京滬高鐵上車速為249～306 km/h時的自由場地振動，重點對地面振動的頻譜特性進行了分析.文獻［10］對京滬高鐵路基段列車運行引起的地面振動進行了實測，測試車速為300～425 km/h.

綜上可知，已有環境振動實測研究涉及的車速普遍不高，雖有少量研究的實測車速超過300 km/h，但主要關注路基段的環境振動問題.相比之下，針對高架橋段在更高速度下的環境振動測試要少得多.為此，本文以津秦客專32 m簡支梁橋區段為工程背景，在聯調聯試期間實測高速列車通過時的三向環境振動，運行車速為250～385 km/h.文中對實測地面振動數據進行了時域和頻域分析，以期為今后地面振動預測和控制理論研究提供參考.

1 試驗方案

1.1 工程背景

圖1給出了本次試驗的現場照片.圖1中所示的橋梁結構為32 m雙線混凝土簡支箱梁，其典型橫截面如圖2所示.

圖1 試驗現場Fig.1 Experimental site

梁體全長32.6 m，計算跨徑31.5 m，設計活載為ZK標準活載，設計速度為350 km/h，線間距5 m.

橋墩與基礎尺寸如圖3所示，墩高3 m，鉆孔灌注樁長37 m.橋上采用CRTS-II型板式無砟軌道，二期恒載140 kN/m.

1.2 測點布置

測點布置及編號如圖4所示.對于雙線橋梁，稱靠近測點的軌道為“近軌”，遠離測點的軌道為“遠軌”.以測試橋墩上方的近軌中心為原點建立直角坐標系，順橋向為x軸，水平面垂直于橋梁方向為y軸，垂直向下為z軸，地面振動測點沿y軸方向進行布置.一共布置7個測點，1#測點與近軌的距離約為1 m，緊挨橋墩，2#～6#測點的近軌距分別為8.5、16.0、23.5、31.0、41.0、51.0 m.

本次試驗測試了距橋墩約50 m范圍內的地面振動.采用891-Ⅱ型加速度傳感器測試地面振動加速度，其量程為0～4g，有效頻率范圍為0.5～80 Hz.每個測點安裝3個加速度傳感器，分別測試x、y和z方向的振動加速度.采用北京東方振動和噪聲技術研究所研制的INV3060S型24位網絡分布式同步采集儀，用DASP—V10數據采集與分析系統進行數據自動采集.

在本次試驗中，對地面振動信號采用1 024 Hz的采樣頻率.在采樣過程中，還需對背景振動進行測試，以消除背景振動對實測數據的干擾.

圖2 箱梁橫截面（單位：cm）Fig.2 Illustration of cross-sectional dimensions of the box-girder（unit：cm）

圖3 橋墩與基礎示意圖（單位：cm）Fig.3 Illustration of the pier and foundation dimensions（unit：cm）

圖4 測點布置（單位：m）Fig.4 Layout of measuring points in the field test（unit：m）

圖5給出了每個測點加速度傳感器安裝過程.首先，在測點位置處挖一個約20 cm×20 cm的方形基坑，將帶L型角鋼的方形鋼板放入坑中壓實，把鋼釬穿過鋼板上預留的4個小孔，并插入土中使鋼板與土體緊密相連.然后，在鋼板的角鋼上粘貼x和y方向的加速度傳感器，同時在鋼板上粘貼z方向的加速度傳感器.最后，為了使加速度傳感器免受雨水破壞，在傳感器上套上塑料袋加以保護，并在基坑表面蓋上木板，再覆蓋塑料布.

1.3 測試工況

測試中運行的高速列車為CRH380A型，8節車輛編組，軸重約14 t.車輛的軸距、定距等特征長度如圖6和表1所示.特征長度分別為軸距L1、前車與后車之間相鄰轉向架中心間距L2、車輛定距L3和單節車全長L4.試驗中，列車分別在近軌和遠軌運行，車速級為250、300、320、330、340、350、360、370、380和385 km/h，每個速度級測試3次.本次試驗共記錄了30組有效測試數據.

圖5 傳感器的安裝過程Fig.5 Installation steps of acceleration sensors

圖6 試驗列車的特征長度Fig.6 Schematic of characteristic lengths of test train

表1 試驗列車的特征長度參數Tab.1 Characteristic lengths of test train m

2 時域分析結果

2.1 時程樣本

圖7為車速350 km/h時的地面豎向加速度時程曲線.即使沒有運行列車的激勵作用，地面也會存在一定微振動量值，即本底振動，如圖7（a）所示.列車通過測試斷面的持時與列車整體車長及車速有關，以車速350 km/h為例，持時為

式中：L為列車全長；

v為車速.

圖7（a）標出了持時，可見實測時程的響應持時與計算持時比較吻合.

列車運行時，輪軸荷載對測試橋墩產生脈沖激勵，測點會出現對應于輪軸脈沖激勵的峰值響應.對比圖7（a）～（d），從圖7（a）能夠觀測到輪對的周期性加載峰值；從圖7（b）能觀測到8個明顯峰值，分別對應每節車輛的周期加載；從圖7（c）雖能觀測到每節車輛的周期性加載現象，但不如圖7（b）明顯；從圖7（d）中已不能觀測到車輛的周期性加載現象，這是由于地面振動已經非常小，本底振動的影響較大.隨著距離的增加，加速度峰值逐漸衰減；從距近軌1 m測點到距近軌16 m測點，響應峰值快速衰減；從距近軌16 m測點到距近軌31 m測點，再到距近軌51 m測點，響應峰值衰減變緩.

2.2 加速度有效值

由圖8可辨別每節車輛的周期性加載現象，8節列車分別對應圖8中的8個波峰.距近軌8.5 m測點相比距近軌1 m測點的加速度響應降低顯著.隨著與橋墩距離的增加，地面振動加速度的衰減速率逐漸變緩，這與圖7的衰減特征相符.

圖8中，由于各測點與橋墩之間的距離不同，距橋墩較遠處測點的地面振動響應相對較近測點存在一定的時間延遲.

上述對地面振動加速度時程樣本和有效值的分析反映出振動波在傳播過程中振動能量在近場大幅度衰減，而在遠場的衰減速度逐漸變緩.

圖7 1#、3#、5#和7#測點豎向加速度時程（車速350 km/h）Fig.7 Time histories of vertical ground vibration accelerations at test points 1#，3#，5# and 7#with train speed of 350 km/h

圖8 各測點x、y和z方向的加速度有效值時程（車速350 km/h）Fig.8 Time histories of acceleration RMS for all test points in the x，y and z directions with train speed of 350 km/h

3 頻域分析結果

3.1 FFT（fast Fourier transformation）譜分析

將圖7中4個測點處（距近軌1、16、31和51 m）的加速度時程分別進行FFT變換，得到窄帶譜曲線，如圖9所示.

由圖9可以看出，4個測點的頻譜曲線在一些固定頻率點均出現幅值較大的峰值，這些峰值對應的頻率反映了列車的周期性加載.由表1可計算車輛的周期性加載頻率fi=v/Li，i=1，2，3，4，其中，f1=39 Hz對應車輛的固定軸距激勵頻率；f2= 13 Hz對應相鄰車輛前后轉向架間距激勵頻率；f3=5.5 Hz對應同一節車輛前后轉向架間距激勵頻率；f4=3.9 Hz對應一節車輛整車長的激勵頻率.

由圖9可以看出，f3和f4對頻譜幅值的影響不明顯，這主要受到土體固有的截止頻率的影響［6］.軸距形成的基頻f1和相鄰車輛前后轉向架間距形成的基頻f2及其倍頻對響應峰值起主要控制作用.

3.2 1/3倍頻程譜分析

針對當前目的地感官營銷實踐面臨的問題，結合上述目的地感官營銷的3種運用方式分析，本文認為現階段目的地感官營銷研究所要重點解決的問題包括：

圖10給出了x、y和z方向不同測點的1/3倍頻程振動加速度級（vibration acceleration level，VAL）對比.由圖10可以看出，3個方向的地面振動響應優勢頻段為25～80 Hz；3個方向的地面振動在1#～3#測點范圍內顯著衰減，在3#～7#測點范圍內衰減緩慢.由圖10（a）可見，對于土體x方向的振動，從距近軌1 m到51 m范圍內，10 Hz的振動衰減10.88 dB；50 Hz的振動衰減32.05 dB；80 Hz的振動衰減27.97 dB.由圖10（b）可見，對于土體y方向的振動，從距近軌1 m到51 m范圍內，10 Hz的振動衰減29.82 dB；50 Hz的振動衰減25.97 dB；80 Hz的振動衰減41.31 dB.由圖10（c）可見，對于土體z方向的振動，從距近軌1～51 m范圍內，10 Hz的振動衰減9.04 dB；50 Hz的振動衰減41.47 dB；80 Hz的振動衰減34.02 dB.對比圖10（a）～（c）可知，隨著距離增加，x和y方向的地面振動響應在1～80 Hz頻率范圍內均存在明顯的衰減現象，而z方向的地面振動主要在25～80 Hz頻段顯著衰減.因此，對于土體豎向振動，隨距離的增加，高頻振動衰減快，低頻振動衰減慢，導致低頻振動傳播更遠，反映出土體對豎向高頻振動的高阻尼效應；土體水平振動中的高低頻成分均隨距離的增加快速衰減.

圖9 1#、3#、5#和7#測點豎向加速度FFT譜（車速350 km/h）Fig.9 FFT spectra of vertical ground vibration accelerations at test points 1#，3#，5#and 7#with train speed of 350 km/h

3.3 不同車速下總體VAL對比分析

圖11給出了車速在250～385 km/h范圍內，各地面測點x、y和z方向上的總體VAL等值線變化云圖.根據圖11中的顏色可以判斷總體VAL的量值，而根據等值線的疏密程度可以判斷總體VAL的衰減速率.

對比圖11（a）～（c）的顏色可以看出：各測點在各測試車速下，z方向的總體VAL約為80～ 110 dB；同一測點在x和y方向的地面振動相差不大，實測總體VAL約為70～100 dB；地面豎向振動比水平向地面振動大.當車速為250～320km/h時，3個方向地面振動的總體VAL隨車速增加而增大的趨勢較為顯著；當車速為330～385 km/h時，總體VAL隨車速增加而變化的趨勢不再明顯.該結論與文獻［11-12］中臺灣高架高速鐵路引起環境振動的實測結果較為吻合，文獻［11-12］中車速超過270 km/h時，地面振動的總振級基本不隨車速的增加而變化.

由圖11（a）～（c）的等值線疏密對比可以看出，各車速下x和y方向的地面振動在距近軌1～16 m范圍內，以及距近軌31～41 m范圍內衰減速度均較快，且在距近軌31 m處出現局部放大現象；z方向的地面振動在距近軌1.0～8.5 m范圍內以更快的速度迅速衰減，在距近軌8.5～51.0 m范圍內的衰減速度變緩，未出現局部放大現象.

圖10 1#、3#、5#和7#測點3個方向的1/3倍頻程VAL（車速350 km/h）Fig.10 1/3 octave spectra of ground vibration celerations in the x，y and z directions at test points 1#，3#，5#and 7#with train speed of 350 km/h

由上述分析可知，橋梁列車運行引起的水平地面振動與豎向地面振動隨距離的衰減特性存在一定差異.地面豎向振動在距近軌1.0～8.5 m范圍內衰減約20 dB，相當于水平振動在距近軌1～16 m范圍內的振級衰減量，反映出豎向地面振動在近場迅速衰減而在遠場緩慢衰減的特征，而水平地面振動在近場與遠場的衰減速度相差較小.此外，在相同測點相同車速下，地面豎向振級比水平向振級大.

3.4 不同車速下總體z計權振級評價

根據圖4的測點布置圖，地面5#測點與近軌的距離為31 m，與我國GB10070—88《城市區域環境振動標準》［13］中描述的“鐵路干線兩側”區域位置接近，文獻［13］中規定“鐵路干線兩側”區域的垂向振動z振級限值為80 dB.圖12中給出了每種測試車速下各組測試數據在5#測點處z方向的加速度總體z計權振級，虛線表示規范GB10070—88規定的限值80 dB.

圖12 各測試車速下5#測點的總體z計權振級Fig.12 Overall z-weighted vibration level of location 5#at various train speeds

由圖12可知，當車速為380和385 km/h時，5#測點處實測z振級結果的最大值超過80 dB；車速為250～370 km/h時，該位置處實測的加速度z振級均未達到80 dB，介于75～80 dB之間.

4 結 論

通過對客運專線列車高速通過橋梁引起附近自由場地環境振動現場測試結果進行了時域和頻域分析，得到以下結論：

（1）從近場地面振動加速度時程可清晰分辨出輪對的周期性加載峰值，而從遠場地面振動加速度時程僅能辨別單節車的加載峰值.

（2）隨著到橋墩距離的增加，遠處測點的地面振動響應相對較近測點存在一定的時間延遲現象.

（3）3個方向的地面振動優勢頻率均為25～80 Hz.隨著距離的增加，水平方向的地面振動在1～80 Hz頻率范圍內均存在明顯的衰減，而豎向的地面振動在優勢頻段顯著衰減.

（4）各測點在各測試車速下，豎向的地面振動比水平方向的地面振動大，同一測點在橫向和縱向的地面振動相差不大.

（5）列車的固定軸距和相鄰車輛前后轉向架間距形成的基頻及其倍頻起主要作用，在該類頻率附近出現加速度峰值.

（6）當車速為250～320 km/h時，總體VAL隨車速增加而增大的趨勢較為顯著；當車速為330～385 km/h時，總體VAL的變化趨勢不再明顯.

（7）根據GB10070—88《城市區域環境振動標準》，各車速下的實測結果基本滿足規范的限值要求；但車速達到380和385 km/h時，實測加速度z振級中的最大值超過了限值80 dB.

致謝：感謝參與本次現場試驗測試工作的老師和同學.

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橋上列車高速運行引起的地面振動試驗研究

李小珍， 張志俊， 冉汶民， 陳桂媛， 張 迅

Field Test of Ground Vibration Induced by High-Speed Train on Elevated Bridge

LI Xiaozhen， ZHANG Zhijun， RAN Wenmin， CHEN Guiyuan， ZHANG Xun
（School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

To study the ground vibration induced by high-speed trains across bridges，a field test was carried out in vicinity of a simply supported box-girder with a span of 32 m on Tianjin-Qinhuangdao railway line.Ground vibrations in the longitudinal，lateral and vertical directions were measured with train speeds in the range 250-385 km/h.The test data were analyzed in both time and frequency domains.The results show that cyclical peaks of acceleration can be clearly distinguished in the near field，and the excitation frequencies of wheelbase and the adjacent bogie space of the front and rear cars make the main contributions.The dominant frequency of ground vibration in the three directions is 25-80 Hz，and the vertical ground vibration attenuates mainly in the dominant frequency band；however，the longitudinal and lateral ground vibrations obviously attenuate in 1-80 Hz.For all test train speeds and all test points，the vertical ground vibrations are stronger than the longitudinal and lateral ground vibrations，and the maximum difference of vibration acceleration levels（VALs）between the longitudinal and lateral ground vibrations is about 2 dB.A phenomenon of amplification for the longitudinal and lateral ground vibrations is observed at the distance of about 30 m.Overall VAL of the near field increases about 6 dB when the train speeds increases from 250 to 320 km/h.However，the differences of overall VALs at all locations are less than 2 dB while speeds in the range of 330-385 km/h.

high-speed railway；elevated bridge；ground vibration；field test；time domain；frequency domain

0258-2724（2016）05-0815-09

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.001

U441.2；O329

A

2015-07-23

國家自然科學基金資助項目（51308469，51378429）；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（2682014BR053）

李小珍（1970—），男，教授，博士，研究方向為車橋耦合振動和橋梁結構減振降噪，E-mail：xzhli@swjtu.edu.cn

李小珍，張志俊，冉汶民，等.橋上列車高速運行引起的地面振動試驗研究［J］.西南交通大學學報，2016，51（5）：815-823.

（中文編輯：秦萍玲 英文編輯：蘭俊思）