某高速鐵路高架線路直線與曲線段環境振動實測對比分析

何鑒辭,童湘雄,唐 劍,易 強,王 平

(1.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 3.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司,重慶 400023)

隨著我國經濟水平的提高，高速鐵路得到了迅猛發展，由于新建線路的增多，高速鐵路誘發的環境問題越來越突出，列車經過高架路橋時產生的振動會經橋墩傳遞到地面，由此會對周邊建筑物產生不利影響，建筑物振動產生的二次結構噪聲又會嚴重影響居民的生活質量。因此，在工程實踐中，如何將振動減小到環境影響允許范圍之內就成了很重要的任務。研究軌道交通振動對建筑物的影響及控制措施，首先需要確定能量的“產生”，即確定軌道交通的振源。現場實測能得到實際線路典型段的振源激勵的振動信號，對記錄的信號處理可直接得到其統計規律，對研究典型荷載的振源強度、頻譜成分和分布規律具有重要的指導意義。

其次，振動波在不同介質中傳遞衰減特性差別較大，對距離線路中心線不同距離測點的振動響應進行測試，總結分析不同距離測點振動優勢頻率，并統計振動波隨距離的衰減公式，可以為測試地區市域快線的減振設計提供技術支持[1-6]。

以前，環境振動測試多以普速鐵路和城市軌道交通為主，近十年來高速鐵路的振動危害越來越被關注，已經有不少學者做了初步探索。夏禾等人分析了振動產生的原因，列車速度影響，振動的持續時間、強度分布等特點，并對列車周圍地面及建筑物振動影響做了試驗研究[7]；賀玉龍等對350 km/h高速鐵路通過路堤、橋梁、路橋過渡段時產生的環境振動做了測試分析[8]；劉慶杰等從測試和數值分析兩方面出發，對高架軌道誘發環境振動進行了研究，分析在簡諧點荷載作用下，大地振動的特性及其衰減規律[9]；馬利衡等對滬寧城際高速鐵路列車運行引起的周圍環境振動特性和振動傳播規律，以及振動對京滬鐵路地基沉降的影響進行了研究[10]。

但是，國內現有高鐵環境振動測試大都在直線段進行，且地質條件多為偏北方地帶，因此對高速鐵路經過曲線段和沿海地質條件的環境振動測試很有必要。依托廣深港高鐵測試項目，主要通過對運行速度為300 km/h的高速列車通過高架橋的振動加速度級進行測試，分析了列車通過直線段和曲線段時各自的衰減規律及其頻譜特性[11]，以期為今后的高鐵建設提供寶貴的數據支持。

1 試驗概況

1.1 斷面選擇與測點布置

結合廣深高鐵的具體情況，選擇4個測試斷面，分別為高架線路直線段和曲線段的跨中斷面和橋墩斷面，其中曲線段曲線半徑為7 000 m，橋墩高度都在25 m左右，4個斷面地質情況類似，地表均被淤泥質粉質黏土覆蓋，橋墩周圍有較厚回填土。

傳感器布置情況如下：對于高架段地面環境振動，垂直于橋向方向共設有2個測試斷面，分別為橋墩斷面和跨中斷面，橋墩斷面測點的布設從墩腳開始為第一個點，依次設置6個測試點(Tp1～Tp6)，即距離右軌中心0、7.5、15、30、45、60 m處布設測點，跨中斷面的6個測試點平行對齊于橋墩斷面的6個測試點。每個測試點布置1個拾振儀，以捕捉垂向的振動情況，共12個測點。測點布置見圖1。

圖1 高架橋墩斷面環境振動測點布置示意(單位：m)

1.2 測試內容

測試內容主要為環境振動振源及其振動衰減特性，計劃在高速鐵路列車正常運行情況下，在高架段進行測試，分析不同線路的環境振動加速度級。

1.3 測試儀器

數據采集儀采用的是拾振器和北京東方所DASP網絡式智能采集儀，其適用于振動噪聲、車載試驗等動態數據采集與分析；拾振器的有效分析頻率范圍為0～200 Hz，DASP采集儀的采樣頻率設置為1024。拾振器布置方式：挖土至20 cm深，在其中水平放置1塊鋼板，并用土壤將其壓實，最后將拾振器放置在上面。

2 評價標準及數據處理方法

通過傅里葉積分變換對有著較好效果的實驗數據進行隨機信號分析得到振動加速度頻譜，然后通過1/3倍頻程譜分別對直、曲段橋墩和跨中斷面的鉛錘Z振級進行頻域分析[12-13]。具體計算公式如下。

(1)振動加速度級VAL

VAL=20lg(arms/a0)

(1)

式中VAL——振動加速度級，dB；

arms——振動加速度有效值，m/s2；

a0——基準加速度，取1×10-6m/s2。

(2)Z振級VLz

按IS02631-1-1997規定的全身鉛垂方向振動不同頻率計權因子修正后得到的振動加速度級，記為Z，單位dB。計算方法與式(1)完全相同，只不過公式中加速度取鉛垂方向的修正值。

(2)

(3)

其中T——振動測量的平均時間，s；

aw——經過頻率記權的加速度，m/s2。

3 測試結果分析

3.1 加速度分析

現場測試中，對通過各測試斷面20趟列車的加速度時程進行記錄，平均速度為300 km/h。并選出10組效果較好的數據進行分析。為了避免采集數據中其他振動的干擾，數據處理前均采用了濾波處理。提取數據，得到各測點最大加速度值如表1和圖2所示。

表1 各測點最大加速度

圖2 最大加速度衰減對比

由表1和圖2可知，無論是跨中斷面還是橋墩斷面，曲線段振動加速度值均大于直線段振動加速度值；跨中與橋墩處都表現為，隨著線路中心距離的增加加速度逐漸減小，這種衰減現象在0～15 m范圍內尤其明顯；當距離大于15 m后加速度衰減的速度明顯降低，且隨著距離接近60 m，曲線段與直線段的加速度差值逐漸減小，這種現象在橋墩處更明顯。

圖3 總振級衰減對比曲線

在相同距離情況下，橋墩斷面振動加速度值均大于跨中斷面振動加速度值，且隨著距離的增加，兩者的加速度值逐漸趨于一致。

3.2 總振級分析

列車以300 km/h左右速度分別通過高架直線段和曲線段時環境振動Z振級如表2和圖3所示。

表2 各測點總振級

由表2可知，直線段跨中斷面、橋墩斷面和曲線段跨中斷面、橋墩斷面，在30 m處的Z振級分別為68、68、69、72 dB，均低于80 dB限制，滿足《城市區域環境振動標準》(GB10070—88)[14]的規定。

直線地段橋墩斷面環境振動高于橋梁跨中斷面3～7 dB；曲線地段橋墩斷面環境振動高于橋梁跨中斷面2～10 dB，曲線段環境振動高于直線段環境振動1～6 dB，且在橋墩斷面更加明顯。對于直線段，橋墩和跨中振源環境振動分別為84 dB和77 dB，曲線段橋墩和跨中振源環境振動分別為90 dB和80 dB，曲線段跨中和橋墩斷面的Z振級比直線段大6 dB和3 dB。對比圖3(a)、圖3(b)的衰減特性可知，高速列車運行引起的環境振動隨著距線路中心距離的增加，環境振動逐漸減小，且距離大于15 m后衰減速度降低。橋墩斷面環境振動均大于跨中斷面環境振動，曲線段環境振動高于直線段環境振動，但對于直線段橋墩斷面和曲線段跨中斷面，在0～25 m范圍內，前者較高，在大于25 m范圍內后者較高。

3.3 頻譜特性分析

分別繪制1～200 Hz范圍內，直、曲段橋梁跨中斷面和橋墩斷面的1/3倍頻程譜圖，如圖4、圖5所示。

分析圖4、圖5可知，直線段和曲線段的環境振動主要為200 Hz以下的低頻振動，主頻集中在8～80 Hz范圍內，且在5～12.5 Hz和20～80 Hz范圍內存在2個明顯的峰值，這與已有文獻相吻合[15]。此外，頻譜圖曲線均呈現出，在5～20 Hz低頻率范圍內密集，而在20～80 Hz較高頻率范圍內較為疏散的現象，以直線段橋墩斷面為例進行具體分析，在0 m處，頻率為8 Hz和60 Hz時的Z振級分別為68 dB和82 dB，當距離為60 m時，Z振級分別為55 dB和43 dB，8 Hz處衰減了13 dB，而60 Hz處衰減了39 dB，這說明高頻部分的Z振級衰減速度大于低頻部分的Z振級衰減速度，可以推知低頻部分在土體中傳播的距離更遠。

圖4 直線段1/3倍頻程譜

圖5 曲線段1/3倍頻程譜

由圖4、圖5可知，0～60 m范圍內，直線段橋梁跨中斷面的主頻隨距離變化依次為31.5、10、10、10、10、10 Hz，主頻處的Z振級分別為72、71、69、66、55、51 dB，而橋墩斷面的主頻隨距離變化依次為63、40、25、8、8、20 Hz，主頻處的Z振級分別為82、76、67、64、66、60 dB；曲線段橋梁跨中斷面的主頻隨距離變化依次為63、25、16、8、8、8 Hz，主頻處的Z振級分別為75、66、65、64、67、66 dB，而橋墩斷面的主頻隨距離變化依次為31.5、25、10、10、10、6.3 Hz，主頻處的Z振級分別為89、81、74、64、65、65 dB。由以上數據可知，直線段和曲線段都表現為，隨著中心距離的增加，主頻頻率逐漸由高頻率變為低頻率；此外，在0～30 m的范圍內，主頻振級隨中心距離增加而降低，然而在45 m處，直線橋墩斷面、曲線跨中和橋墩斷面的主頻振級有所增大，根據文獻[16]可知，這是由于底部基巖反射導致的振動加劇所至。

4 結論

通過對廣深港高鐵線路中某區間的直線段和曲線段的橋梁跨中和橋墩斷面進行測試，對這4種工況的Z振級和頻譜特性進行了分析，得到以下結論。

(1)當距離線路中心線30 m時，該高鐵線路直線段和曲線段鉛錘Z振級均低于80 dB，符合《城市區域環境振動標準》的要求。

(2)速度為300 km/h的情況下，曲線段的振動源強大于直線段的振動源強，橋墩處大6 dB，跨中處大3 dB；隨著距離增加，直曲段的Z振級都逐漸降低，在0～15 m范圍內降幅最為明顯，當距離大于15 m時，衰減幅度放緩。

(3)當距離在0～25 m時，直線段橋墩斷面相比曲線段跨中斷面Z振級更大，當距離大于25 m時，結果相反；總的來看，曲線段環境振動大于直線段環境振動，橋墩處環境振動大于跨中處環境振動。

(4)高速列車通過直、曲段時引發環境振動，源強處的主頻主要在31.5～63 Hz范圍內，且在5～12.5 Hz和20～80 Hz范圍內存在著兩個明顯的峰值。

(5)當距離中線距離較近時，對環境振動影響較大的主要為25～80 Hz范圍內的高頻部分；當距離較遠時，環境振動的優勢頻率在10 Hz左右。

(6)在45 m處，直線橋墩斷面、曲線跨中和橋墩斷面的主頻振級相比30 m處都有所增大，且主頻都為低頻，這是由于低頻振動能量在土層中的傳播距離更遠，再由下層基巖反射導致的振動加強。

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