南昌西站綜合交通樞紐環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)分析*

劉 兵黃 輝雷曉燕

南昌西站綜合交通樞紐環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)分析*

劉 兵1黃 輝2雷曉燕3

（1.黔東南州交通勘察設(shè)計(jì)院，556000，凱里；2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，510010，廣州；3.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，330013，南昌∥第一作者，助理工程師）

現(xiàn)代大型綜合交通樞紐綜合了多種交通工具，實(shí)現(xiàn)了航空、高鐵、普鐵、軌道交通、公交和磁懸浮列車等多種交通方式的零換乘或短距離換乘。站房結(jié)構(gòu)中包含高架橋梁、隧道和大跨度空間等復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系。由復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式而引發(fā)的環(huán)境振動(dòng)，往往對(duì)人和精密儀器的使用造成極大的傷害。對(duì)南昌西站綜合交通樞紐環(huán)境振動(dòng)實(shí)測分析的結(jié)果表明，振動(dòng)響應(yīng)滿足環(huán)境測評(píng)標(biāo)準(zhǔn)和舒適度要求。

綜合交通樞紐；南昌西站；環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)

目前，國內(nèi)外對(duì)于綜合交通樞紐環(huán)境振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一的界定，大多采用環(huán)境振動(dòng)豎向加速度作為參考標(biāo)準(zhǔn)。本文通過對(duì)南昌西站候車廳的實(shí)測與分析，總結(jié)了列車速度、加速度、軸重等因素對(duì)南昌西站環(huán)境振動(dòng)的影響，并對(duì)測試的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線、頻譜曲線、Z振級(jí)等進(jìn)行分析，總結(jié)出綜合交通樞紐環(huán)境振動(dòng)的傳遞規(guī)律，并與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做對(duì)比，評(píng)價(jià)南昌西站綜合交通樞紐環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)。研究成果對(duì)綜合交通樞紐站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和減振降噪有一定指導(dǎo)意義。

1 測試準(zhǔn)備工作

本次試驗(yàn)對(duì)南昌西站候車廳層進(jìn)行振動(dòng)測試，候車廳層位于整個(gè)站房結(jié)構(gòu)地上二層，標(biāo)高約8.5 m。主要測試進(jìn)出站列車引起的樓板振動(dòng)，測試時(shí)間選擇在人流量較少的時(shí)間段（14：00～23：00）。測試列車車型有高速列車（CRH380B 8節(jié)編組和CRH380BL 16節(jié)編組）和普通列車（25G編組車型）的3種車型。測點(diǎn)布置如圖1所示，在距離軌道中心線 0、12、24、36、48 的候車廳層樓板上布置 5 個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)布置1個(gè)加速度傳感器。

圖1 候車廳層樓板測點(diǎn)布置示意圖

現(xiàn)場振動(dòng)測試采用德國Head公司的DATaRec 4 DIC24數(shù)據(jù)采集儀，采用ArtemiS數(shù)據(jù)采集分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，采用941B型豎直加速度傳感器拾振。

2 環(huán)境振動(dòng)測試結(jié)果及分析

對(duì)現(xiàn)場候車廳樓板振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測試，在列車通過前即開始測量，列車完全出站后停止數(shù)據(jù)采集。

2.1 背景振動(dòng)測試

本次測試首先對(duì)背景振動(dòng)做了多次測試分析。在候車廳隨機(jī)取幾個(gè)點(diǎn)測試背景振動(dòng)，得到各個(gè)測點(diǎn)的數(shù)值相近，任選其中一個(gè)數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，得到加速度時(shí)程曲線和頻譜曲線如圖2所示。計(jì)算得到其Z振級(jí)數(shù)值為70.81 dB，頻譜幅值為4.4 × 10-6（m/s2）/Hz，經(jīng)過實(shí)測得到候車廳層背景振動(dòng)屬于低頻振動(dòng)，振動(dòng)主頻在10 Hz附近。振動(dòng)頻率是振動(dòng)能量的體現(xiàn)，人對(duì)振動(dòng)1～80 Hz之間的振動(dòng)頻率比較敏感，尤其是對(duì)16 Hz以下的低頻振動(dòng)容易產(chǎn)生共振，例如胸腔的共振頻率在4～8 Hz之間，腹腔的共振頻率在8～16 Hz之間［1］。

圖2 背景振動(dòng)時(shí)程曲線和頻譜曲線

2.2 高速列車引起的環(huán)境振動(dòng)

2.2.1 高速列車進(jìn)出站測試結(jié)果

為了得到候車廳層在高速列車行駛激勵(lì)下振動(dòng)響應(yīng)的變化規(guī)律，提取候車廳層各個(gè)測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，運(yùn)用Matlab編程，輸入有效的加速度時(shí)程曲線數(shù)據(jù)，通過傅里葉變換分析得到相應(yīng)的頻譜分析曲線［2］，如圖3~圖14所示。測試列車車次為G1306，車型為CRH380BL。

2.2.2 高速列車進(jìn)出站測試分析

（1）時(shí)域分析：通過以上豎向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線圖可知，當(dāng)列車進(jìn)出站的時(shí)間段，與背景振動(dòng)相比較，在距離列車較近的測點(diǎn)1和測點(diǎn)2有明顯的振動(dòng)幅值增大。在距離軌道中心線36 m以上的測點(diǎn)4和測點(diǎn)5則沒有明顯的變化。

（2）頻譜分析：實(shí)測得到南昌西站綜合交通樞紐候車廳層由高速列車進(jìn)、出站引起的候車廳樓板結(jié)構(gòu)振動(dòng)屬于低頻振動(dòng)，其主頻主要分布在10 Hz附近。通過頻譜圖可以看出，隨著測點(diǎn)與軌道中心線水平距離的增加，候車廳測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)度迅速衰減，測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)頻譜幅值呈指數(shù)型衰減，并且在超過24 m以后變化很小。

圖3 G1306進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)1豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖4 G1306進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)2豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖5 G1306進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)3豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖6 G1306進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)4豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖7 G1306進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)5豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖8 G1306進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)1～5頻譜幅值曲線

圖9 G1306出站時(shí)測點(diǎn)1豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖10 G1306出站時(shí)測點(diǎn)2豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖11 G1306出站時(shí)測點(diǎn)3豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖12 G1306出站時(shí)測點(diǎn)4豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖13 G1306出站時(shí)測點(diǎn)5豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖14 G1306出站時(shí)測點(diǎn)1～5頻譜幅值曲線

（3）Z振級(jí)分析：根據(jù)《鐵路環(huán)境振動(dòng)測試方法》編寫計(jì)算程序，計(jì)算得到各個(gè)測點(diǎn)的Z振級(jí)［3］。由表1和表2所示的Z振級(jí)計(jì)算值可知：①測試列車進(jìn)、出站時(shí)，所引起的候車廳層振動(dòng)響應(yīng)Z振級(jí)最大值為70.26 dB，低于GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)：》和《城市軌道交通沿線建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值》的界限值80 dB/75 dB；②對(duì)比背景振動(dòng)和列車進(jìn)出站的Z振級(jí)，兩者之間有較為明顯的差距，這是因?yàn)楹蜍噺d層的振動(dòng)是由多種激振源共同作用引起的。

（4）舒適度分析：從表1和表2可知，高速列車進(jìn)出站時(shí)，現(xiàn)場測試所得到的南昌西站候車廳層振動(dòng)豎向加速度峰值最大值分別為10.2 cm/s2和12.12 cm/s2。且大部分分布在6 cm/s2左右。遠(yuǎn)低于美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)發(fā)布的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)AISC-11的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的界限值 15 cm/s2［4］。

（5）進(jìn)出站振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比：進(jìn)站時(shí)，隨著列車速度的降低，振動(dòng)強(qiáng)度逐漸減小，在進(jìn)站的瞬間振動(dòng)能量突然增大，在時(shí)程曲線圖中有較大的突變；出站時(shí)，隨著列車速度的增加，振動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大。結(jié)果表明，列車速度的大小對(duì)環(huán)境振動(dòng)的強(qiáng)度有著較大影響，振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)隨著列車速度的增加而增大。

表1 G1306進(jìn)站時(shí)振動(dòng)響應(yīng)情況表

表2 G1306出站時(shí)振動(dòng)響應(yīng)情況表

2.3 普速列車引起的環(huán)境振動(dòng)

2.3.1 普速列車進(jìn)出站測試結(jié)果

為了得到候車廳層在普速列車行駛激勵(lì)下振動(dòng)響應(yīng)的變化規(guī)律，提取候車廳層各個(gè)測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果，運(yùn)用Matlab編程，輸入有效的加速度時(shí)程曲線數(shù)據(jù)，通過傅里葉變換分析得到相應(yīng)的頻譜分析曲線［2］，如圖15~圖26所示。測試列車車次為 K555，車型為 G25）。

2.3.2 普速列車進(jìn)出站測試分析

（1）時(shí)域分析：與背景振動(dòng)相比較，列車進(jìn)出站時(shí)，在距離軌道中心線較近的測點(diǎn)1和測點(diǎn)2有明顯的振動(dòng)幅值增大。在距離軌道中心線24 m以上的測點(diǎn)則沒有明顯的變化。由于3站臺(tái)處于站房結(jié)構(gòu)的最北端，整個(gè)站房結(jié)構(gòu)存在偏心力的作用以及站房結(jié)構(gòu)本身的減振措施，使得振動(dòng)響應(yīng)的傳遞衰減相比站房結(jié)構(gòu)跨中結(jié)構(gòu)更加迅速。

圖15 K555進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)1豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖16 K555進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)2豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖17 K555進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)3豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖18 K555進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)4豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖19 K555進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)5豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖20 K555進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)1～5頻譜幅值曲線

圖21 K555出站時(shí)測點(diǎn)1豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖22 K555出站時(shí)測點(diǎn)2豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖23 K555出站時(shí)測點(diǎn)3豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖24 K555出站時(shí)測點(diǎn)4豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖25 K555出站時(shí)測點(diǎn)5豎向振動(dòng)相關(guān)曲線

圖26 K555出站時(shí)測點(diǎn)1～5頻譜幅值曲線

（2）頻譜分析：實(shí)測得到的南昌西站綜合交通樞紐候車廳層由普通列車進(jìn)出站引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)屬于低頻振動(dòng)，其主頻主要分布在10 Hz以下。結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)度大小通常以頻譜幅值作為評(píng)價(jià)參考。通過對(duì)以上頻譜圖分析可知，隨著測點(diǎn)與軌道中心水平距離的增加，候車廳測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)強(qiáng)度迅速衰減，頻譜幅值呈指數(shù)型衰減，并且在超過24 m以后變化很小。

（3）Z振級(jí)分析：根據(jù)《鐵路環(huán)境振動(dòng)測試方法》編寫計(jì)算程序，計(jì)算得到各個(gè)測點(diǎn)的Z振級(jí)［3］。由表3和表4所示的Z振級(jí)計(jì)算值可知：①普通列車進(jìn)出站引起的候車廳層振動(dòng)響應(yīng)Z振級(jí)最大值分別為70.95 dB和69.93 dB，低于GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》和《城市軌道交通沿線建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值》的標(biāo)準(zhǔn)界限值80 dB/75 dB。②對(duì)比背景振動(dòng)和列車引起振動(dòng)的Z振級(jí)數(shù)值，兩者之間有較為明顯的差距，這是因?yàn)楹蜍噺d層的振動(dòng)是由多種激振源共同作用引起的。

表3 K555進(jìn)站時(shí)振動(dòng)響應(yīng)情況表

表4 K555出站時(shí)振動(dòng)響應(yīng)情況表

（4）舒適度分析：由表3和表4可知，普通列車過站時(shí)，現(xiàn)場測試所得到的南昌西站候車廳層振動(dòng)豎向加速度峰值最大值分別為10.09 cm/s2和8.71 cm/s2，且大多分布在5 cm/s2左右。遠(yuǎn)低于美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)發(fā)布的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)AISC-11的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的界限值 15 cm/s2［4］。

（5）進(jìn)出站振動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比：進(jìn)站時(shí)，隨著列車速度的降低，振動(dòng)強(qiáng)度逐漸減小，在進(jìn)站的瞬間振動(dòng)能量突然增大，在時(shí)程曲線圖中有較大的突變；出站時(shí)，隨著列車速度的增加，振動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大。與高速列車相比較，普速列車引起的振動(dòng)相對(duì)較低。結(jié)果表明，列車速度的大小對(duì)環(huán)境振動(dòng)的強(qiáng)度大小有著較大影響，振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)隨著列車速度的增加而增大。

3 結(jié)論

通過對(duì)南昌西站實(shí)測，得到候車廳層測點(diǎn)的加速度時(shí)程曲線，運(yùn)用Matlab編程，輸入有效的加速度時(shí)程曲線數(shù)據(jù)，通過傅里葉變換分析得到相應(yīng)的頻譜曲線，從而計(jì)算得到振動(dòng)響應(yīng)的加速度最值、頻譜幅值、Z振級(jí)等振動(dòng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于測試數(shù)據(jù)較多，本文只列出了4組數(shù)據(jù)，并對(duì)之加以分析。

由數(shù)據(jù)分析可知，高速列車和普通列車通過時(shí)都會(huì)引起環(huán)境振動(dòng)強(qiáng)度的明顯增強(qiáng)，且隨著測點(diǎn)與軌道中心線距離的增大振動(dòng)強(qiáng)度逐漸降低。振動(dòng)的豎向加速度峰值都低于舒適度要求限值的15 cm/s2。通過頻譜分析可知，列車引起的振動(dòng)屬于低頻振動(dòng)，且主頻都分布在20 Hz以下。通過Z振級(jí)分析，列車過站時(shí)引起候車廳層的振動(dòng)響應(yīng)Z振級(jí)都低于GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》和《城市軌道交通沿線建筑物室內(nèi)振動(dòng)限值》的限值。

［1］ 米倉.多振源激勵(lì)下鐵路樞紐站房結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析與實(shí)測［D］.天津：天津大學(xué)，2013.

［2］ 雷曉燕，王全金，圣小珍.城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)與振動(dòng)噪聲研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2003，25（5）：109.

［3］ 雷曉燕，圣小珍.現(xiàn)代軌道理論研究［M］.2版.北京：中國鐵道出版社，2008.

［4］ 王國波，謝偉平，于艷麗，等.高速列車引起的武漢站樓板振動(dòng)舒適度研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2010，29（12）：110.

Analysis of the Vibration Environment at Nanchang West Railway Integrated Transport Hub

LIU Bing，LEI Xiaoyan，HUANG Hui

Modern large-scale integrated transport hub integrates a variety of transportation to achieve the goal of“zero change or short-distance transfer”between air transport，highspeed railway，general railway，urban rail transit，bus and Maglev trains.Station hall structure contains complex architectures like viaduct，tunnel and large-span space，very sensible to a number of environmental vibration problems，which often cause direct harm to passengers and precision instruments.Through field measurement and analysis,the vibration response of Nanchang West Railway Integrated Transport Hub is confirmed to meet the requirements of environmental assessment standard and comfort.

integrated transportation hub；Nanchang West Railway Station；vibration environment

U291；TB535

10.16037/j.1007-869x.2017.11.009

Author′s address Qiandongnan State Traffic Survey&Design Institute，556000，Kaili，China

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51478184）；江西省優(yōu)勢科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目（20133BCB24007）

2016-04-12）