高速鐵路周邊建筑物環境振動現場測試與分析

(佛山科學技術學院 交通與土木建筑學院，廣東 佛山 528000)

中國高速鐵路發展速度與應用技術水平已處于世界領先地位，相關領域的專家學者針對普通鐵路或地鐵振動問題開展過較為深入的研究，積累了較豐富的研究工作經驗[1-3]，但針對高速鐵路(時速達到250 km以上)環境振動影響特性，特別是基于高速鐵路現場測試成果對城區周邊建筑物環境影響的研究還比較少。

瑞典和比利時鐵路部門[4-5]，通過現場實測著重分析了列車高速行駛對鐵路振動的影響，并觀測到高速列車以臨界速度行駛時引起的軌道和大地強振動現象。美國聯邦鐵路運輸部門[6]綜合考慮鐵路環境振動源、振動傳播路徑和被振動體等各方面影響因素，提出了高速鐵路噪聲和振動預測評估方法。Connolly等[7-8]、Marshall等[9]通過對德國柏林以及橫跨歐洲7國的高速鐵路環境振動進行現場測試與分析，基于頻譜分析獲得了高速鐵路環境振動響應特性。Okamoto 等[10]通過現場測試得出時速350與250 km/h高速鐵路的環境振動頻率主要集中在40和25 Hz左右的結論。高廣運等[11]對秦沈客運專線、馬利衡等[12]對滬寧高速鐵路，賀玉龍等[13]、張光明等[14]、馬莉等[15]、鄭亞瑋等[16]對京津城際鐵路、武廣高速鐵路等的環境振動做了探索性研究工作，取得了一定的研究成果。但目前針對高速鐵路環境振動對周邊建筑物影響的現場測試研究與理論研究還比較少，尚須進一步深入開展相關研究。為此，以武廣高速鐵路位于廣州市區某沿線建筑物為研究對象，通過現場測試分析高速鐵路誘發周邊地面及建筑物環境的振動特性。

1 現場測試

1.1 測試地點概況

現場測試地點位于廣州市區金沙洲隧道往廣州南站方向的出口處，被測建筑物為3層框架結構住宅樓，建筑物平面如圖1所示。被測建筑物屬現澆混凝土框架結構，墻體厚度200 mm，采用高強混凝土管樁基礎，建筑物平面尺寸為11.66 m×11.63 m，建筑高度14.05 m，房屋結構狀況良好，未發現結構性裂縫；建筑物室外地坪為水泥硬化地面，建筑物外墻至高速鐵路軌道邊緣直線距離約為18.2 m，測試段高速鐵路線路底部采用整體式無砟軌道結構，建筑物與高速鐵路線路之間用一道混凝土圍墻和一道安全鐵絲網分隔。

圖1 建筑物與測點位置圖Fig.1 Position of building and measuring

根據現場測試條件確定測點的具體布設方案如圖1所示，其中：J1～J4號測點分別布置于建筑物室內1層地面以及2層、3層與頂層平面開間尺寸最大房間的正中央，每個測點布設3個傳感器，分別沿高鐵線路行進方向(y方向)、垂直于高鐵線路行進方向(x方向)以及垂直于樓面方向(z方向)；D1～D3號測點布置于建筑物與高速鐵路之間的水泥地面上，每個測點布設2個傳感器，分別垂直于高鐵線路行進方向(x方向)和垂直于地面水平方向(z方向)布設，埋設過程中采用牙膏作為傳感器與地面之間的耦合劑，測試試驗結果證明，其耦合效果良好。

1.2 測試儀器與設備

現場測試采用DH5922N型動態信號測試分析系統，拾振器選用專門用于環境微振動測試的DH610H磁電式三向多功能傳感器，該類傳感器采用無源閉環伺服技術，具有良好的超低頻特性。測試之前，確保建筑物室外地面所有傳感器與動態信號采集系統良好連接，并將全部傳感器調試至加速度檔；測試采用連續采樣方式，同步采集建筑物以及地面7個測點的振動信號，采樣頻率為1 000 Hz；加速度傳感器現場布設及測試試驗情況如圖2所示。

圖2 傳感器布設

2 時頻特征分析

現場測試試驗共采集了10趟高速列車振動信號(加速度統計信息如表1所示)，通過對比分析發現，各次列車通過測試區間所產生的振動信號具有很高的相似性。僅選取其中一趟列車的振動測試數據分析研究高速列車環境振動特性，該趟列車由廣州南站開往武漢，運行速度v=265.8 km/h，車輛型號為CRH3型，編組為8節車廂，平均軸距12.5 m，通過分析得到建筑物與地面各測點加速度時程曲線及對應的頻域能量譜密度如圖3～圖4所示。

表1 高速鐵路環境振動加速度幅值統計表Table 1 acceleration amplitude of environmental vibration for high speed railway

續表1

圖3 建筑物振動加速度時程與能量分布圖Fig.3 Acceleration time history and energy distribution of building

圖4 地面環境振動加速度時程與能量分布圖Fig.4 Acceleration time history energy distribution of

由圖3、圖4可知，高速鐵路列車運行所產生的地面環境振動加速度最大幅值約為0.74～1.71 cm/s2，相對于地鐵列車環境振動有較大幅度提高，其環境振動響應規律表現為地面振動隨離開高速鐵路線路水平距離的增大逐步衰減；當高速列車運行產生的振動波到達鄰近建筑物之后，由此產生的建筑物二級振動則由建筑物首層向頂層逐步放大，具有明顯的放大效應。與此同時，由建筑物各樓層頻域能量分布圖可知，高速列車誘發周邊建筑物二次振動以豎直振動為主，各樓層豎直振動(z方向)能量隨建筑高度的增加(即由底層向頂層)逐步增大，且能量分布由低頻(40～50 Hz)向高頻(80～90 Hz)擴展，而水平振動(x方向)放大效應不明顯。

為了進一步分析建筑物與地面二次振動能量傳播規律，根據《城市區域環境振動標準》(GB 10070—1988)，采用鉛垂Z振級描述高速鐵路環境振動響應特性，由測試數據可得建筑物與地面各測點鉛垂Z振級如表2、表3所示，由表列數據可繪制環境振動Z振級變化趨勢，如圖5所示。

表2 建筑物內各測點振動特性Table 2 Vibration characteristics of building

表3 周邊地面各測點振動特性Table 3 Vibration characteristics of ground

由表2、表3及圖5可知，高速列車運行誘發周邊地面與建筑物二次振動鉛垂Z振級最大值分別可達83.18、70.62 dB，周邊地面Z振級隨距離高鐵軌道邊線距離的增大呈冪函數衰減，最大衰減系數可達0.776。全部10趟高速列車通行引起的周邊環境振動現場測試結果表明，周邊建筑物二次振動隨建筑物高度增大呈線增長關系，對于被測3層建筑物，頂層鉛垂Z振級約為室內地面鉛垂Z振級的1.094。這可能與建筑物二次振動效應隨樓層高度的增大受建筑物地基基礎約束作用降低，以及振動波隨著樓層的增加反射與疊加效應更明顯等因素有關。除此之外，二次振級的放大效應也取決于建筑物與地基基礎整體剛度與自振頻率，當環境振動頻率與建筑結構體系自振頻率一致時，其放大效應愈明顯。因此，在研究高速列車運營誘發建筑物二次振動影響時，應更多關注建筑物屋頂的振動安全與穩定性。

圖5 環境振動Z振級變化曲線Fig.5 Z-vibration level of environmental

3 分頻振級分析

為了定量分析高速鐵路列車誘發的周邊環境與建筑物三向振動與分頻振級響應特性，依據《城市區域環境振動標準》(GB 10070—1988)，借鑒城市地鐵列車運行對周邊環境影響評價方法，采用振動加速度級作為高速鐵路列車運行對周邊建筑物環境振動影響的衡量標準，具體振動加速度級VL(dB)可按式(1)計算。

VL=20lg(am/a0)

(1)

式中：am為振動加速度有效值，m/s2;a0為基準加速度，取為10-6m/s2。振動加速度有效值am可基于現場測試數據，通過1/3倍頻程分析獲得，具體可利用Matlab軟件編制分析程序進行計算。

通過對建筑物及周邊地面各測點x、y、z3個方向加速度時程數據進行頻譜分析，可得高速鐵路列車運行誘發的周邊地面與建筑物二次振動1/3倍頻程振級頻譜曲線(如圖6所示)。

圖6 測點1/3倍頻程振級曲線Fig.6 Curves of 1/3 doubling frequency

由圖6可知：在高速列車振動荷載作用下，周邊建筑物二次振動分頻振動級在建筑物首層至3層垂直與水平向表現出相似的變化規律，即在0～20 Hz范圍內，垂直與水平向振動加速度級基本相等，約為35～65 dB；隨著振動頻率不斷增大，兩者之間的振動加速度級差逐步增大，最大差值約為10～32 dB?？傮w而言，高速列車振動誘發的建筑物二次振動以垂直方向為主、水平方向為輔，且垂直方向與水平方向振級均在建筑物頂層達到最大值80和78 dB。

高速列車運行誘發建筑物二次振動在建筑物同一樓層沿水平面不同方向的振級變化規律也不一樣，即在0～50 Hz范圍內，垂直于高鐵線路行進方向的水平振動加速度級與沿高鐵線路行進方向的水平振動加速度級基本相等，而當頻率大于50 Hz時，則以垂直于高鐵線路行進方向的振動為主。

高速列車運行誘發周邊地面二次振動在不同測點處呈現出相似的變化規律，垂直方向地面振動大于水平方向地面振動，地面垂直方向分頻振級最大值出現在地面2號測點，具體數值為92.0 dB，對應的水平方向分頻振級最大值為80.0 dB，相應的振動頻率均為41.2 Hz。

4 環境噪聲分析

為了分析高速列車運行引起的環境噪聲對沿線居民的影響程度，通過噪聲采集儀同步測量了10趟列車所產的環境噪聲(噪聲采集點位于室外地面D2號測點處，至高速鐵路軌道邊緣距離約13.6 m)，噪聲測試結果如表4所示。由表4可知，高速列車運行產生的環境噪聲量值大致與列車運行速度成正比，其最高可達92.8 dB，最小值也可達88.1 dB，根據《中華人民共和國城市區域環境噪聲標準》，已經遠遠超過了噪聲重度污染(>74 dB)的控制值。

表4 高速鐵路環境噪聲測量值Table 4 Measuring values of environmental noise

5 結論

1)高速列車振動誘發的建筑物二次振動以垂直方向為主、水平方向為輔，垂直方向Z振級在建筑物頂層達到最大值，周邊建筑物二次振動從低層至高層存在明顯放大效應，建筑物頂層振動放大系數可達1.094倍，對周邊建筑物抗振設防時，應重點關注建筑物頂層抗振安全措施。

2)時速為250～270 km/h的高速鐵路列車運行誘發的周邊地面以及建筑物二次振動頻率主要集中在25～60 Hz之間，其中：建筑物二次振動加速度級約為75～80 dB，周邊地面振動加速度級約為82～92 dB。

3)高速鐵路列車運行產生的環境噪聲級別高達92.8 dB，已超過鐵路干線環境振動80 dB的控制標準，高速列車運行產生的環境噪聲對居民生活的影響大于周邊建筑物環境振動，有必要加強城區高速鐵路線路兩側噪聲隔離措施，以確保高速鐵路周邊居民生活區的噪聲安全。

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