地鐵車站上蓋建筑振動傳播規律分析

鄭鈺鈺，謝艷花，陶寧靜，黃子貺，徐 敏，章玉容，袁宗浩

1.浙江工業大學土木工程學院，浙江杭州310014

2.中國聯合工程有限公司，浙江杭州310052

0 引 言

地鐵交通因其高效、安全、準時等特點，在我國飛速發展，成為解決城市道路擁擠及減少環境污染的重要手段。然而，地鐵列車在運行時由于輪軌接觸會產生振動，經周圍地層進行傳播，引起鄰近建筑物的二次振動和噪聲，影響人們的正常生活與工作［1］。

目前分析地鐵列車引起的振動影響主要基于經驗公式、現場試驗以及數值分析等手段。經驗模型只是相對簡單的數學表達式，很難對振動對應的頻率范圍進行精確預測。數值模型預測振動需要花費大量的計算時間，且數值模型參數對振動影響的不確定性，需要對特定模型進行反復運算。因此，基于現場試驗基礎，查明場地振動波傳遞特性成為主要研究手段之一。Galvín等［2］通過對西班牙一條高速鐵路進行振動現場實測，得到了列車振動在地面的傳播規律。潘昌實等［3］對北京地鐵崇文門至前門站的地鐵區間列車振動進行了測試，并開展相應動態響應分析，得出了列車模擬荷載。孫曉靜［4］采用現場測試研究了地鐵列車運行對北京大學理科試驗基地內精密儀器的振動影響。

研究表明，建筑物內的振動主要頻率通常集中在20～50 Hz，以低頻振動為主；建筑物的振動大小取決于建筑物基礎的形式與質量，建筑物的重量，以及與建筑結構相互作用的土壤類型。另外，列車運行引起的振動隨著列車速度的提高而增大。現有研究多針對正線列車運行時的上蓋建筑振動開展研究，然而隨著城市的發展，越來越多的綜合體修建在地鐵車站附近，從而引入了車站上蓋建筑振動響應評價與預測的問題。

本文以杭州某地鐵車站為研究對象，采用現場振動實測的方式研究了低層和高層建筑振動的傳播規律，分別在頻域和時域中對比了建筑振動沿樓層高度方向上的傳播與衰減規律，著重討論了低層和高層建筑地下室樓板和結構柱的振動傳遞特點，同時針對該工程采用不同的規范進行振動響應評價，分析了不同規范下振動水平的差異。

1 地鐵隧道和抗浮板振動現場測試

1.1 場地概況

地鐵振動測試范圍位于杭州地鐵4號線某區間段，選取典型上蓋建筑開展振動測試工作。地鐵4號線穿越本振動測試地塊，其中16 層3#樓為辦公寫字樓；3 層7#樓為商場，項目地塊下方為3層地下室，第2層為停車區和檢票區，第3層為地鐵運行層。7#樓位于地鐵站正上方，3#樓靠近地鐵站，地鐵振動易通過結構柱傳遞至上部結構，故對7#樓、3#樓，及其下部地鐵站進行振動監測。測試區位置見圖1。

圖1 測試區位置

1.2 上蓋建筑車致振動測試點位布置情況

本文開展測試時采集儀的采樣頻率在7#樓和3#樓均為512 Hz。7#樓測試時，分別在地下1層的兩根柱和一塊板布置測點，在1 層和2 層的柱A、柱B、柱C、柱D、板A和柱C 旁板B 布置測點。測點布置見圖2。3#樓測試時，由于建筑結構處于在建階段，施工完成至第8 層，故分別在地下1 層、1層、3層、5層、7層的柱A、柱B、柱C、柱D、板A、板B布置測點。測點布置見圖3。

圖2 7#樓測點布置剖面

圖3 3#樓測點布置剖面

2 上蓋建筑過車振動結果分析

2.1 振動響應-時程分析

從現場測試中得到了地鐵車輛段上蓋建筑7#樓、3#樓各測點在不同樓層下的豎向振動加速度時程曲線圖，見圖4、圖5。限于篇幅，選取7#樓柱A、板A位置兩處測點，3#樓柱A、板B位置兩處測點作分析對比。

圖5 3#樓測點加速度時程

由圖4、圖5 可以看出，地鐵過車振動響應具有持續性、先變大后減小的整體特點，且通過各測點時長約20 s，具有明顯的列車過車現象。時程中段局部加速度的突然增大是由于列車各組輪對經過同一觀測斷面疊加所導致的。

由圖4、圖5 可知，柱和板的振動響應隨著樓層的增加而波動衰減。對于高層建筑而言，地鐵運行引起的振動響應隨著樓層的增加呈現先減小再增大的變化趨勢，由于振動波在建筑頂部發生入射和反射疊加，使得頂部的豎向振動加速度會出現放大現象。5層以下柱和板測點處的豎向振動加速度有明顯衰減，5層以上變化較小。而對低層建筑而言，未能觀察到此現象。

為了進一步比較振動在傳播過程中不同位置對振動衰減的影響，選取各建筑地上1層測試結果作為數據分析對比，見圖6。

圖6 同層板、柱測點加速度時程

由圖6可知，對比同一層樓板與柱測點的時域圖可以發現，板的振動加速度明顯大于柱的振動加速度，這是由于板的剛度遠遠小于柱的剛度且板振動可來源于多個結構柱，會產生疊加效應。

2.2 振動響應-頻譜分析

通過傅里葉變換，得到相同位置不同樓層的振動加速度頻譜曲線，用以研究振動頻率特性，見圖7、圖8。

圖7 7#樓測點加速度頻程

圖8 3#樓測點加速度頻程

由圖可知，各層豎向加速度包含的頻率成分相似，柱的豎向振動主要分布在40～70 Hz，且還會在0～20 Hz出現分布；板的豎向振動主要分布在40～80 Hz，且還會在20～30 Hz出現分布。

板的振動加速度整體呈衰減趨勢，由于頂層放大現象，導致7層略有增大，高頻衰減速度較慢。柱的振動加速度也呈整體衰減趨勢，頂層有放大現象，低頻較高頻衰減較慢，整體變化同板一致。隨著樓層的增高，各層豎向加速度的低頻成分得到明顯加強。同時對比可以發現，在低層建筑中高頻成分在柱和板中均沒有明顯的衰減，對應的高層建筑中高頻成分在柱中由于傳遞路徑直接衰減較小；而對于板而言，由于結構阻隔作用傳遞路徑復雜，板中高頻成分表現出明顯的衰減。

2.3 振動水平評價指標與結果

為評價隧道振動響應，本文依據《城市區域環境振動測量方法（GB 10071—88）》［5］和《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準（JGJ/T 170—2009）》［6］計算鉛垂向Z振級和1/3倍頻程中心頻率上的最大振動加速度級VLmax。

1）《城市區域環境振動測量方法（GB 10071—88）》

該標準以鉛垂向Z振級作為振動強度評價指標，適用于居民、文教區商業中心、工業集中區等多種區域的振動評價，其規定了城市區域環境振動的標準值及適用地帶范圍和監測方法，是最常用的城市環境振動噪聲水平控制標準。標準中規定對于鐵路振動取每次列車通過過程中的最大值，以20次列車最大值的算術平均值作為評價量，計權標準為《人體暴露于全身振動的評價 第1部分：一般要求（ISO 2631/1—1985）》。總Z 振級計算公式為：

2）《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準（JGJ/T 170—2009）》

該標準給出了以分頻最大振級作為振動強度指標，適用城市列車所引起的沿線建筑物振動與室內二次輻射噪聲的控制和測量。分頻最大振級指計權后1/3倍頻程譜上幅值最高的頻帶的值，計權標準為《機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分：一般要求（ISO 2631/1—1997）》。采用該方法時可以對頻段振動分析評價，常見方法有線性平均、峰值保持和最大值保持。為保持計算結果的穩定性和分析的可靠性，一般選擇采用峰值保持法進行計算。

按照上述方法計算得到相同位置不同樓層的豎向振動加速度1/3倍頻程曲線，見圖9、圖10。

圖9 7#樓測點1/3倍頻程

圖10 3#樓測點1/3倍頻程

由圖9可知，7#樓柱和板的最大分頻振級位于中心頻率63 Hz處，其中柱B 測點的分頻振級最大為64.02 dB，板A測點的分頻振級最大為69.88 dB；由圖10 可知，3#樓柱和板的最大分頻振級位于中心頻率63 Hz處，其中柱A測點的分頻振級最大為69.63 dB，板B測點的分頻振級最大為73.22 dB。

為了較好反映建筑振動的變化規律，采集多組地鐵過車引起的建筑振動加速度信號，選取測點各層最大值并根據規范標準進行Z 振級分析，計算結果見表1。由于測試時間位于6∶00—22∶00，此處只將白天限值作分析對比。

表1 Z振級分析結果

由表1可知，7#樓所選柱A測點所有樓層、板A測點地下1層和地上2層，以及3#樓所選柱A測點所有樓層，板B測點5層和地下1層的測量數據結果均滿足規范《城市區域環境振動測量方法（GB 10071—88）》《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準（JGJ/T 170—2009）》的白天Z振級限值；7#樓所選板A測點地上1 層和3#樓所選板B 測點1 層、3層、7層有不同程度的超標。由表1可知，板B 1層測點處Z振級分別超出規范0.89 dB，在實際情況下，應根據超標情況對建筑或地鐵列車處作一些減振處理。關于振動響應減振問題的處理，針對接近震源處的構件作減振處理能夠更為直接地解決響應超標的問題。當建筑測點振動響應超標較小時，可通過在軌道處增加減振扣件來實現，有效減振約為2～5 dB，例如GJ-Ⅲ型減振降噪扣件、GJ-I型軌道減振器、雙層非線性扣件等；而針對超標量值較大的情況，鋼彈簧浮置板道床、Ⅲ減振器扣件+短軌枕式整體道床比普通整體道床能夠有效減振5～10 dB。

以3#樓為例，隨著樓層的升高，柱的Z振級先增大后衰減，在頂部有放大效應；板的Z振級先衰減后增大，在頂層有放大效應。

3 結 論

本文以杭州地鐵4號線為背景，采用現場實測的方法獲得了地鐵下穿上蓋建筑7#樓、3#樓不同樓層位置的振動實測數據，通過時程圖、頻譜圖和1/3倍頻程分析了地鐵振動在上蓋建筑傳播振動衰減規律，對比了板和柱振動傳播差異，采用不同規范對現有上蓋建筑結構進行評價分析，提出減振意見，得到如下結論：

1）對于地鐵車站附近的低層建筑，柱和板的振動總體上均隨樓層高度上升波動衰減。

2）對于高層建筑，地鐵引起柱和板的振動隨著樓層的升高先增大再減小最后出現增大，先在1層增大，隨后逐漸衰弱，再在頂層增大。頂層增大是由于振動波在建筑頂部發生入射和反射疊加，使得頂部的豎向振動加速度出現放大現象。

3）對比同一層樓板與柱測點可以發現，板的振動加速度明顯大于柱的振動加速度，是由于樓板對柱邊振動有一定程度的放大作用。

4）柱和板的豎向振動主要分布在40～70 Hz的高頻部分；柱和板最大分頻振級在中心頻率為63 Hz，其余較高分頻振級出現較多的頻率為6.4～12.5 Hz。