地鐵車輛段咽喉區臨近建筑物的振動響應特性分析*

鄔玉斌 宋瑞祥 何 蕾 吳雅南 劉必燈

(北京市勞動保護科學研究所， 100054， 北京∥第一作者， 研究員)

地鐵車輛段咽喉區具有軌縫多道岔多、曲率半徑小等特點，是車輛段振動噪聲影響最為嚴重的區域，也是車輛段上蓋物業開發工程振動控制的重點和難點。部分學者對車輛段咽喉區地鐵列車通過產生的振動源強及其正上方車輛段平臺和上蓋建筑的振動響應開展了一些測試研究工作[1-4]，但關于咽喉區線路臨近地區建筑物的振動影響研究還未見有報道。由于建筑基礎條件、振動傳播路徑等方面存在差異，咽喉區上蓋建筑物的振動響應必然有別于臨近地區建筑物振動響應的特征。

另外，地鐵車輛段咽喉區多為地面線，列車運行產生的振波在巖土中的傳播過程、頻率特征及對建筑結構的作用機理也不完全同于地鐵正線和其他地下線路[5-11]，因此有必要對車輛段咽喉區臨近地區建筑物的振動響應特征進行研究，為車輛段物業開發的振動控制提供參考依據。

1 測試方案

1.1 測試對象

本文以某地鐵車輛段咽喉區臨近的新建建筑物為研究對象進行測試分析。該建筑物與車輛段咽喉區線路的最小距離約為31 m，咽喉區線路的設計車速為25 km/h，列車采用6節編組B型車。該建筑物為地下2層、地上18層的框架剪力墻結構，建筑基底埋深為9 m，采用筏板基礎，建筑物沿線路方向長為105 m，如圖1所示。

圖1 地鐵咽喉區線路與測試建筑物的位置示意圖

1.2 測試方案

本次測試儀器包括：①INV3018C 8通道24位高精度采集儀，其最高采樣頻率為51.2 kHz，動態范圍為0～110 dB；②Bruel&Kjaer8344型加速度傳感器；③DASP數據采集及分析軟件。

如圖2所示，建筑物的西側為減振墊碎石道床地面線，東側為地面線轉為地下線的U型槽整體道床過渡段。布設3個場地土測點，其中：測點1和測點2對應減振墊碎石道床地面線；測點3對應U型槽整體道床線路。此外，針對源強特點在建筑物的東、西兩端4個房間的中心點處布設振動測點，其中：房間1和房間3的幾何形狀相似；房間2和房間4的幾何形狀相似。

圖2 測點布置圖

本次研究共開展了3次測試：第1次為建筑物修至12層時，對3個場地土測點及4個房間的1層樓板進行同步測試；第2次為建筑物主體結構完成、室內未砌筑隔墻時，對不同樓層的房間1和房間2進行振動測試；第3次為建筑物的1～8層砌筑隔墻完成、其余樓層尚未砌筑隔墻時，對房間1(1層、4層、12層、16層)和房間2(1層、4層、6層、12層、16層、18層)進行有無隔墻的對比測試。

1.3 評價量

地鐵列車運行產生的振動以豎向振動為主，因此本文僅對豎向加速度進行測試分析，并以全頻段振動加速度級作為評價量。振動加速度級的計算公式為：

(1)

(2)

式中：

L——振動加速度級，dB；

a——振動加速度有效值，m/s2；

a0——基準加速度，a0取10-6m/s2；

a(t)——加速度時程；

T——加速度持續時間，s。

2 實測數據分析

2.1 對場地土的振動測試

振動測試時停止了其他干擾振源，并進行了背景環境振動測試。如圖3所示，地面背景環境振動實測加速度峰值僅約0.000 4 m/s2，說明測試條件良好、外界振動干擾非常小。

圖3 背景振動加速度時程圖

對場地土的3個測點和建筑物第1層4個房間的樓板中心點進行同步地鐵列車振動測試。圖4為場地土測點實測得到的典型地鐵列車振動加速度時程曲線。由圖4可知，由于列車運行速度較慢，其振動影響的持續時間較長，約為32 s。

如圖5所示，3個測點的振動加速度頻譜特性存在較大差異：測點1和測點2靠近減振墊碎石道床地面線，其低頻振動相對顯著，主要振動頻率集中在10～20 Hz，最大振動峰值約為12 Hz。由于測點1靠近道岔，其振動影響大于測點2；測點3的高頻振動成分更多，主要振動頻率集中在50～70 Hz之間，最大振動峰值約為63 Hz。

a) 測點1

b) 測點2

c) 測點3

圖5 場地土3個測點的振動加速度頻譜

圖6為場地土3個測點的振動加速度級時程曲線，可以看出：測點3的振動最大，測點1的振動其次，測點2的振動最小。這是因為測點3對應的線路無軌道減振措施，而測點1和測點2對應的線路采用了減振墊+碎石道床的減振措施。測點1、測點2、測點3的振動加速度級峰值分別為82.0 dB、78.2 dB和84.3 dB。

2.2 對建筑物1層樓板的振動測試

圖7為測試建筑物1層樓板的振動加速度級時程曲線圖。如圖7 a)所示，位于建筑物西側的房間1和房間2的振動響應相差不大，其實測振動加速度級最大值分別為79.8 dB和78.7 dB。相比室外場地土測點1的實測數據，房間1和房間2的振動加速度級最大值分別衰減了2.2 dB和3.5 dB；如圖7 b)所示，位于建筑物東側的房間3和房間4的振動差異明顯，房間4振動明顯小于房間3，兩者的振動加速度級最大值相差4.3 dB。相比室外場地土測點3實測數據，房間3和房間4的振動加速度級最大值分別衰減了6.3 dB和10.7 dB。

圖6 場地土3個測點的振動加速度級時程曲線

a) 建筑物西側

b) 建筑物東側

由此可知，測試建筑物東側場地的土振動實測值大于西側的土振動實測值，但西側房間室內的振動大于東側房間室內的振動，這說明低頻列車振動荷載對西側室內樓板的激勵作用更為顯著。

圖8為測試建筑物1層樓板的室內振動加速度頻譜圖。從圖8可以看出，4個房間在10～12 Hz均存在振動波峰，這與圖5的場地土振動波峰相接近。此外，房間1在38 Hz存在1個非常明顯的振動波峰;房間2振動頻率范圍較廣、存在多個頻率波峰，房間2樓板振動主頻為22 Hz左右，這說明即使在相同荷載作用下，不同房間的振動響應也可能存在較大差異。

圖8 測試建筑物1層樓板的實測加速度頻譜

本文對房間1和房間2的1樓樓板進行了模態分析。這2個房間的樓板厚度均為0.11 m，房間1的尺寸為6.3 m(長)×8.2 m(寬)，房間2的尺寸為7.6 m(長)×4.7 m(寬)。樓板材料參數均按C25混凝土參數取值。由于樓板由剪力墻或斷面尺寸較大的梁構件分割而成，樓板四周邊界采用全約束固定。如圖9所示，房間1和房間2的樓板第1階固有頻率分別為38 Hz和22 Hz，樓板振動響應的實測頻率峰值與樓板固有頻率的計算結果較為接近。

a) 房間1(38 Hz)

由于房間2的固有頻率相對較低，且同地鐵列車振源主頻接近，所以雖然房間2距離地鐵線路較遠，但其振動響應與房間1相比并無較大衰減。建筑物東側的振源主頻較高，且大于房間3和房間4樓板的第1階自振頻率，地鐵列車激振源強主頻和樓板自振頻率無共振現象，因房間4與地鐵線路的距離較遠，其振動小于房間3的振動。房間3和房間4的振動頻率集中在50～80 Hz，這與東側地鐵列車振源頻譜特征相吻合。由此可知：建筑物樓板振動響應受到樓板自振特性及源強頻率特性的共同影響，在進行結構設計時應盡量避免地鐵列車振動荷載與建筑樓板的共振作用。

2.3 振動隨樓層的分布規律測試

為了解地鐵列車振動影響隨樓層的分布規律，在主體結構完成、尚未砌筑隔墻時，對不同樓層所對應的房間1和房間2的進行現場振動測試。如圖10所示，樓板振動隨樓層的遞增呈波動性變化，在相同列車荷載作用下，2個房間的振動變化規律有所不同：房間1的振動最大值出現在第4層，房間2的振動最大值出現在第12層；在1～10層房間1的振動大于房間2的振動，在11層及以上房間2的振動大于房間1的振動。

圖10 測試建筑物各樓層內房間1和房間2的振動加速度級

圖11給出了10 Hz、35 Hz、60 Hz、80 Hz 4個頻率下振動加速度級隨樓層的變化情況。從圖11可以看出：①房間1在 10 Hz和35 Hz下的振動較大，在35 Hz下振動隨樓層升高而增大，在10 Hz下振動隨樓層升高呈衰減趨勢；在60 Hz和80 Hz高頻下房間1的振動相對較小，僅隨樓層小幅度波動變化。②房間2的低頻振動較為顯著，10 Hz下的振動最大，且隨樓層升高線性增大;房間2在35 Hz下振動隨樓層呈波動性衰減，60 Hz和80 Hz高頻下的振動隨樓層變化不大。

a) 房間1

b) 房間2

2.4 隔墻對樓板振動的影響測試

建筑物室內增設隔墻后會改變樓板的自振頻率特性，進而影響室內樓板的地鐵列車振動響應特征和分布規律。為此，對房間1和房間2在有隔墻振(1～8層)和無隔墻(9～18層)2種情況進行了對比測試，測試現場如圖12所示。

a) 無隔墻的樓層

實測結果表明：隔墻可降低樓板的振動加速度級。對于有隔墻的1層和4層，房間1實測得到的振動加速度級分別為69.8 dB和68.9 dB，2個樓層的振動加速度級平均值為69.4 dB；對于無隔墻的12層和16層，房間1實測得到的振動加速度級分別為74.3 dB和76.2 dB，2個樓層的振動加速度級平均值為75.3 dB。由此可計算得到，增設隔墻后樓板振動的平均減小量為5.9 dB。

房間2的測試結果如下：對于有隔墻的1層、4層和6層，房間2實測得到的振動加速度級分別為70.7 dB、69 dB和69.3 dB，3個樓層的振動加速度級平均值為69.7 dB；對于無隔墻的12層、16層和18層，房間2實測得到的振動加速度級分別為82.6 dB、79.2 dB和78.7 dB，3個樓層的振動加速度級平均值為80.2 dB。由此可計算得到，增設隔墻后樓板振動的平均減小量為10.5 dB。

圖13為房間1、房間2的振動加速度1/3倍頻程譜。如圖13所示，隔墻能夠改變樓板的振動頻譜特征。砌筑隔墻后，房間1的樓板振動峰值從砌筑隔墻前的31.5 Hz提高至50.0 Hz，房間2的樓板振動峰值則由砌筑隔墻前20.0 Hz增加至25.0 Hz，這說明隔墻增加后提高了樓板固有頻率，避開了地鐵列車的振動主頻，從而降低了地鐵列車振動對模板的影響。

3 結論

1) 地鐵車輛段咽喉區的振源具有持續時間長、影響強度大、頻譜特性復雜等特點。咽喉區減振墊碎石道床地面線路附近場地土的振動頻率集中在10～20 Hz，最大振動主頻約為12 Hz。咽喉區U型槽整體道床線路附近場地土的振動頻率集中在50～70 Hz，最大振動主頻約為63 Hz。

a) 房間1

b) 房間2

2) 樓板振動響應受振源頻率特征和樓板自振特性共同影響。當地鐵振源主頻同樓板固有頻率相同或接近時，由于共振作用建筑物樓板振動響應一般較為嚴重。地鐵振源主頻越低,對建筑物樓板的激振作用也更為明顯。

3) 建筑物室內不同區域內的振動隨樓層的變化規律不完全相同。樓板振動隨樓層呈波動性變化，個別低頻振動可能隨樓層升高而放大。

4) 砌筑隔墻能夠改變樓板的振動特性，并對樓板振動起到明顯的衰減作用。