南昌西站綜合交通樞紐環(huán)境振動試驗分析*

劉 兵黃 輝雷曉燕

南昌西站綜合交通樞紐環(huán)境振動試驗分析*

劉 兵1黃 輝2雷曉燕3

（1.黔東南州交通勘察設(shè)計院，556000，凱里；2.廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，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，往往對人和精密儀器的使用造成極大的傷害。對南昌西站綜合交通樞紐環(huán)境振動實測分析的結(jié)果表明，振動響應(yīng)滿足環(huán)境測評標(biāo)準(zhǔn)和舒適度要求。

綜合交通樞紐；南昌西站；環(huán)境振動試驗

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

1 測試準(zhǔn)備工作

本次試驗對南昌西站候車廳層進(jìn)行振動測試，候車廳層位于整個站房結(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，測試時間選擇在人流量較少的時間段（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 個測點，每個測點布置1個加速度傳感器。

圖1 候車廳層樓板測點布置示意圖

現(xiàn)場振動測試采用德國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)境振動測試結(jié)果及分析

對現(xiàn)場候車廳樓板振動響應(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 背景振動測試

本次測試首先對背景振動做了多次測試分析。在候車廳隨機(jī)取幾個點測試背景振動，得到各個測點的數(shù)值相近，任選其中一個數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，得到加速度時程曲線和頻譜曲線如圖2所示。計算得到其Z振級數(shù)值為70.81 dB，頻譜幅值為4.4 × 10-6（m/s2）/Hz，經(jīng)過實測得到候車廳層背景振動屬于低頻振動，振動主頻在10 Hz附近。振動頻率是振動能量的體現(xiàn)，人對振動1～80 Hz之間的振動頻率比較敏感，尤其是對16 Hz以下的低頻振動容易產(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 背景振動時程曲線和頻譜曲線

2.2 高速列車引起的環(huán)境振動

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下振動響應(yīng)的變化規(guī)律，提取候車廳層各個測點的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)結(jié)果，運(yùn)用Matlab編程，輸入有效的加速度時程曲線數(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）時域分析：通過以上豎向振動加速度時程曲線圖可知，當(dāng)列車進(jìn)出站的時間段，與背景振動相比較，在距離列車較近的測點1和測點2有明顯的振動幅值增大。在距離軌道中心線36 m以上的測點4和測點5則沒有明顯的變化。

（2）頻譜分析：實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)振動屬于低頻振動，其主頻主要分布在10 Hz附近。通過頻譜圖可以看出，隨著測點與軌道中心線水平距離的增加，候車廳測點的振動響應(yīng)強(qiáng)度迅速衰減，測點的振動響應(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)站時測點1豎向振動相關(guān)曲線

圖4 G1306進(jìn)站時測點2豎向振動相關(guān)曲線

圖5 G1306進(jìn)站時測點3豎向振動相關(guān)曲線

圖6 G1306進(jìn)站時測點4豎向振動相關(guān)曲線

圖7 G1306進(jìn)站時測點5豎向振動相關(guān)曲線

圖8 G1306進(jìn)站時測點1～5頻譜幅值曲線

圖9 G1306出站時測點1豎向振動相關(guān)曲線

圖10 G1306出站時測點2豎向振動相關(guān)曲線

圖11 G1306出站時測點3豎向振動相關(guān)曲線

圖12 G1306出站時測點4豎向振動相關(guān)曲線

圖13 G1306出站時測點5豎向振動相關(guān)曲線

圖14 G1306出站時測點1～5頻譜幅值曲線

（3）Z振級分析：根據(jù)《鐵路環(huán)境振動測試方法》編寫計算程序，計算得到各個測點的Z振級［3］。由表1和表2所示的Z振級計算值可知：①測試列車進(jìn)、出站時，所引起的候車廳層振動響應(yīng)Z振級最大值為70.26 dB，低于GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)：》和《城市軌道交通沿線建筑物室內(nèi)振動限值》的界限值80 dB/75 dB；②對比背景振動和列車進(jìn)出站的Z振級，兩者之間有較為明顯的差距，這是因為候車廳層的振動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，現(xiàn)場測試所得到的南昌西站候車廳層振動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)會發(fā)布的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計AISC-11的評價標(biāo)準(zhǔn)》的界限值 15 cm/s2［4］。

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

表1 G1306進(jìn)站時振動響應(yīng)情況表

表2 G1306出站時振動響應(yīng)情況表

2.3 普速列車引起的環(huán)境振動

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下振動響應(yīng)的變化規(guī)律，提取候車廳層各個測點的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)結(jié)果，運(yùn)用Matlab編程，輸入有效的加速度時程曲線數(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）時域分析：與背景振動相比較，列車進(jìn)出站時，在距離軌道中心線較近的測點1和測點2有明顯的振動幅值增大。在距離軌道中心線24 m以上的測點則沒有明顯的變化。由于3站臺處于站房結(jié)構(gòu)的最北端，整個站房結(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)站時測點1豎向振動相關(guān)曲線

圖16 K555進(jìn)站時測點2豎向振動相關(guān)曲線

圖17 K555進(jìn)站時測點3豎向振動相關(guān)曲線

圖18 K555進(jìn)站時測點4豎向振動相關(guān)曲線

圖19 K555進(jìn)站時測點5豎向振動相關(guān)曲線

圖20 K555進(jìn)站時測點1～5頻譜幅值曲線

圖21 K555出站時測點1豎向振動相關(guān)曲線

圖22 K555出站時測點2豎向振動相關(guān)曲線

圖23 K555出站時測點3豎向振動相關(guān)曲線

圖24 K555出站時測點4豎向振動相關(guān)曲線

圖25 K555出站時測點5豎向振動相關(guān)曲線

圖26 K555出站時測點1～5頻譜幅值曲線

（2）頻譜分析：實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)振動屬于低頻振動，其主頻主要分布在10 Hz以下。結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)強(qiáng)度大小通常以頻譜幅值作為評價參考。通過對以上頻譜圖分析可知，隨著測點與軌道中心水平距離的增加，候車廳測點的振動響應(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振級分析：根據(jù)《鐵路環(huán)境振動測試方法》編寫計算程序，計算得到各個測點的Z振級［3］。由表3和表4所示的Z振級計算值可知：①普通列車進(jìn)出站引起的候車廳層振動響應(yīng)Z振級最大值分別為70.95 dB和69.93 dB，低于GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》和《城市軌道交通沿線建筑物室內(nèi)振動限值》的標(biāo)準(zhǔn)界限值80 dB/75 dB。②對比背景振動和列車引起振動的Z振級數(shù)值，兩者之間有較為明顯的差距，這是因為候車廳層的振動是由多種激振源共同作用引起的。

表3 K555進(jìn)站時振動響應(yīng)情況表

表4 K555出站時振動響應(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，現(xiàn)場測試所得到的南昌西站候車廳層振動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)會發(fā)布的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計AISC-11的評價標(biāo)準(zhǔn)》的界限值 15 cm/s2［4］。

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

3 結(jié)論

通過對南昌西站實測，得到候車廳層測點的加速度時程曲線，運(yùn)用Matlab編程，輸入有效的加速度時程曲線數(shù)據(jù)，通過傅里葉變換分析得到相應(yīng)的頻譜曲線，從而計算得到振動響應(yīng)的加速度最值、頻譜幅值、Z振級等振動強(qiáng)度評價指標(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都會引起環(huán)境振動強(qiáng)度的明顯增強(qiáng)，且隨著測點與軌道中心線距離的增大振動強(qiáng)度逐漸降低。振動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，列車引起的振動屬于低頻振動，且主頻都分布在20 Hz以下。通過Z振級分析，列車過站時引起候車廳層的振動響應(yīng)Z振級都低于GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》和《城市軌道交通沿線建筑物室內(nèi)振動限值》的限值。

［1］ 米倉.多振源激勵下鐵路樞紐站房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)分析與實測［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)境振動與振動噪聲研究［J］.鐵道學(xué)報，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舒適度研究［J］.振動與沖擊，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)基金資助項目（51478184）；江西省優(yōu)勢科技創(chuàng)新團(tuán)隊計劃項目（20133BCB24007）

2016-04-12）