地鐵運行引起鄰近建筑物振動的實測與分析

畢 偉 李 靜 趙園園

(邢臺職業技術學院，河北 邢臺 054000)

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地鐵運行引起鄰近建筑物振動的實測與分析

畢 偉 李 靜 趙園園

(邢臺職業技術學院，河北 邢臺 054000)

通過對地鐵鄰近建筑物的振動響應進行現場實測及數據分析，探討了建筑結構各樓層的振動加速度響應，得出了地鐵運行引起環境的振動在鄰近建筑結構中的傳播規律。

地鐵，建筑物，環境振動，加速度

0 引言

隨著城市規模的不斷擴大，地鐵由于具有快捷、準時和運量大的特點，成了緩解城市交通壓力的一種有效手段。然而地鐵運營引起過量的環境振動及噪聲，會對人們的生活產生較大的影響[1-4]。

現場實測是研究環境振動的重要手段。通過現場實測可以研究地鐵振動的傳播規律、評價建筑物內振動是否滿足國家相關法規的要求、地鐵列車振動的減振措施效果等大量實際工程問題。

本文對地鐵振動激勵下地鐵附近的大廈振動響應進行了現場實測，測得地鐵鄰近建筑物各層的振動加速度響應。通過計算分析，評價建筑物內振動是否滿足國家相關法規的要求，總結出地鐵運行引起的振動在鄰近建筑結構中的傳播規律。

1 工程概況及實驗簡介

1.1 工程概況

實測建筑物是一座18層鋼筋混凝土結構建筑，該大廈距離地鐵和馬路的水平距離僅15 m。其所受環境振動影響不僅有路面道路交通誘發的振動，還包括地鐵運營誘發的振動，是一個多振源的復雜環境振動。

通過現場實測建筑結構各樓層的振動響應，以此來實現以下兩個主要目的：

1)評價建筑物內振動是否滿足GB 10070—88城市區域環境振動標準中有關環境振動的要求；

2)研究地鐵運行引起的振動在該建筑物中的傳播規律。

現場實測時采用中國地震局工程力學研究所研發的941B型超低頻測振儀，該儀器是測量超低頻或低頻振動的多功能儀器，主要用于測量地面和結構物的脈動振動。采集儀是選取北京東方振動和噪聲技術研究所生產的INV-3018A型USB采集儀。此外選取北京交通大學自行研發的BJTU-DZ3型測振儀底座。

1.2 測點布置

根據GB 10070—88城市區域環境振動標準、GB 10071—88城市區域環境振動測量方法的相關規定，地鐵運行引起的環境振動以無規則振動考慮，因此每次采樣時間取1 000 s，現場實測時的采樣頻率取為512 Hz。在本實驗測試中，測試儀均置小速度檔位，并利用DASPV10軟件將采集到的速度信號微分為加速度信號，現場實測如圖1所示。

選取并測量大廈內18個有代表性位置的豎向振動加速度時程，實驗共測18個測點，10個樓層，測點布置圖如圖2所示。

2 現場實測方法及內容

通過測量大廈關鍵樓層位置點的豎向振動加速度整理計算得到各樓層的VLz10振級，評價建筑物內振動是否滿足GB 10070—88城市區域環境振動標準中有關環境振動的標準。根據《城市區域環境振動標準控制》的相關要求，目標建筑物采用居民夜間振動標準67 dB，晝間70 dB的評價標準。

根據國家相關規范[5-7]，地鐵運行引起的環境振動按無規則振動考慮。因此，在進行現場實測時每測次均取1 000 s，在進行數據分析時將1 000 s分為1 000個1 s的時間段。對每個1 s時間段內的數據做1/3倍頻程分析，計入豎向的計權系數，得到每個1 s時間段內的瞬時VLz值，將該1 000個瞬時的VLz值按從小到大的順序進行排列，取900個和901個VLz值的平均值作為VLz10值，再將得到的VLz10值與規范標準值相比較。

3 實驗結果

建筑物各層豎向振動加速度時程曲線如圖3所示。

現場實測均在地鐵正常運營時段進行。由于各測點的時程曲線均因地鐵通過而發現比較明顯的變化，因此，可以認為地鐵運行對大廈的振動有顯著影響。

建筑物各樓層豎向振動振級VLz10與樓層關系如圖4所示。

根據圖4的豎向振動振級隨樓層的變化曲線，可以得出以下結論：

1)所有測次中最大VLz10振級為49.01 dB，滿足GB 10070—88城市區域環境振動標準的晝間70 dB，夜間67 dB的振動要求。

2)隨著樓層的升高，豎向振動振級VLz10隨樓層的增加而增加，在9層時出現了峰值為49.01 dB。可能是由于地鐵運行引起的振動波傳至樓層頂部反彈的結果。

4 地鐵振動影響分析

對于環境振動而言，其時程曲線可以看成振幅不同和頻率不同的簡諧波的疊加，對實測的數據進行1/3倍頻程處理，可以得到各個測點振動中1 Hz～80 Hz的1/3倍頻程中心頻率對應的有效振動加速度。對于每個中心頻率下的振動加速度為：

(1)

對于地鐵運行引起的環境振動問題，其樓層各點始終圍繞著平衡點振動，故速度為：

(2)

故每個1/3倍頻程各個頻段的振動能量為：

(3)

由式(3)我們可以看出振動能量比與1/3倍頻程對應的各個中心頻率成反比，與其振幅成正比。

將測量數據處理分析，得到各個0 Hz～80 Hz頻段內1/3倍頻程中心頻率對應的能量百分比，各個典型樓層的振動能量分布如圖5，圖6所示。

綜合圖5，圖6的實測數據分析，可以得出如下結論：

1)地鐵所致大廈振動的主頻率為30 Hz～50 Hz，而5 Hz～16 Hz屬于樓板的局部振動。

2)分別比較圖5，圖6的各樓層的振動能量分布，結構樓層(包括地下各層結構)越低，振動信號中30 Hz～50 Hz較高頻振動能量百分比越大；樓層越高，30 Hz～50 Hz較高頻振動能量百分比越小。

3)具體原因可能是隨著樓層的升高，建筑物各層的較低頻樓板振動也逐漸增大。而地鐵引起的較高頻振動在傳遞過程中逐步衰減導致地鐵激勵振動在各樓層樓板振動的總能量中所占的比重不斷減小。

為研究地鐵通過時對建筑物內部各測點的振動影響，記錄了每次地鐵通過的時間，并從測試記錄中提取這些數據進行分析，整理和計算出地鐵通過時各測點的VLz振級。

地鐵通過時建筑物各樓層測點的VLz振級如圖7所示。

由圖7可以得出以下結論：

1)振動曲線可視為建筑物在地鐵振動影響下各樓層測點的振動響應。

2)建筑物地上各樓層振動由于附近地鐵運行引起的振動呈現出先增大后減小的趨勢。大廈各樓層在地鐵影響下的豎向Z振級在43 dB～54 dB之間，其中8層樓板的振級最大約54 dB。大廈地下各層在地鐵影響下的豎向振動振級在44.2 dB～59.7 dB

之間，其中-3層出現最大豎向振級為59.7 dB。

[1] 劉衛豐,劉維寧,聶志理,等.地鐵列車運行引起的振動對精密儀器影響的預測研究[J].振動與沖擊,2013,32(8):18-23.

[2] 夏 禾,曹艷梅.軌道交通引起的環境振動問題[J].鐵道科學與工程學報,2004(1):44-51.

[3] 裴 強,陶夏新.軌道交通振動對鄰近建筑物的影響及其評價[J].地震工程與工程振動,2011,31(4):77-83.

[4] DING D Y,GUPTA S,LIU W N,etc..Prediction of Vibrations induced by trains on line 8 of Beijing metro[J].Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering),2010(4):280-293.

[5] GB 10070—88，城市區域環境振動標準[S].

[6] GB 10071—88，城市區域環境振動測量方法[S].

[7] GB/T 13441—92，人體全身振動環境的測量規范[S].

The measurement and analysis on adjacent buildings vibration caused by subway operation

Bi Wei Li Jing Zhao Yuanyuan

(XingtaiPolytechnicCollege,Xingtai054000,China)

Through the site measurement and data analysis on vibration response of adjacent subway building, discussed the vibration acceleration response of each floor of building structure, obtained the propagation law of environmental vibration caused by adjacent building structure of subway operation.

subway, building, environmental vibration, acceleration

1009-6825(2016)28-0055-03

2016-07-24

畢 偉(1989- )，男，碩士，助教； 李 靜(1976- )，女，副教授； 趙園園(1989- )，女，碩士，助教

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