大型車輛段上蓋建筑振動噪聲特性及人體舒適度研究

中圖分類號：TU3 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202308024

Research on vibrationand noisecharacteristics and humancomfort of the over-track building of large metro depot

CHEN Zhaowei1，LI Songsong1，XU Hong2， YIN Qiang2，PENG Song1， WANFangshuang1，TANG Jing1 （1.School ofMechanotronics and Metro Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 40oo74，China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 6loo36，China）

Abstract：BasedonalargedepotprojectinChongqing，thevibrationandsecondarynoisecharacteristicsandhumancomfortofthe overtrack buildings inducedbymetrooperationinthedepotarestudied.Thevibrationcharacteristicsofthedepotareanalyzed by field measurement.Combinedwiththenumericalsimulationmethod，thefiniteelementmodelofthetracksoil-depotovertrack buildingsisestablishedbasedonthemetro-trackcouplingtheoryandthefiniteelementtheory.Thevibrationandsecondary noise characteristicsofthetopbuildingsundertrainexcitationareanalyzedandevaluated.Thecombinedannoyancemodelof vibration andsecondarynoiseisconstructedbycombining psychologyandfuzymathematics toanalyze thehumancomfort，andtheannoyanceisusedastheevaluationindex.Theresultsshowthatunderthetrainoperation，thevibrationlevelofthethroatareais the highest，and the vibration stability for diferent areas of the depot is as follows：the inner area gt; the throat area gt; the upper cover area.Asthelateralpropagationdistanceincreases，themaximumZvibrationleveloftheplatformdcreasesaproximatelylinearly. The vibration peak of each building on the top is 12.5～20Hz ，and the main frequency band of secondary noiseis 63～8O Hz.The vibrationandsecondarynoiseofeachbuildingatenuatewiththeincreaseofloors，butthevibrationandsecondarynoiseofesiden tialuildingareamplifiedafter12floors.Thevibrationofeachbuldingontheuppercoverdootexceedthestandard，butthesec ondarynoiseexceedsthestandardinthecommercialbuilding，andthemaximumexceedingvalueis4.9dB（A）.Theannoyancere sultsobtainedbythejointanoyancemodelareingoodagreementwiththestandardevaluationresults，buttheannoyancecanre finetheinfluenceofvibrationandsecondarynoiseonhumancomfort.The modelcalculationshowsthatalthoughthefirstflorof thresidentialbuldingmetsthestandardimit，thejointannoyanceisaboveO.6atnight，andtheevaluationusingthejointannoy ance rate model is more demanding.

收稿日期：2023-08-11；修訂日期：2024-01-03

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（52008067）；重慶市自然科學(xué)基金資助項目（CSTB2022NSCQ-MSX1193）；四川省科技計劃資助項目（2021YFG0211）；重慶市教育委員會科學(xué)技術(shù)研究項目（KJQN201900719）；重慶市建設(shè)科技項目（城科字2022第4-6）；富水砂卵石及復(fù)合地層減振降噪機理及措施綜合技術(shù)研究項目（ZH471-2019-091）；地鐵隧道環(huán)境振動快速預(yù)測分析計算平臺項目（KDNQ212068）

Keywords： metro depot;over-track buildings;vibration characteristics;secondary noise;human comfort

車輛段上蓋建筑作為一種新型的城市交通建筑，具有節(jié)約土地、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點，但也存在列車運行導(dǎo)致的建筑振動和二次噪聲問題，并給長期暴露在建筑振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲下的居民帶來煩惱和不適[1-2]。隨著人們對生活品質(zhì)的要求不斷提高，對建筑振動和噪聲問題的關(guān)注也越來越高，因此，對大型車輛段上蓋建筑的振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲特性及人體舒適度進行研究，具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學(xué)者對于列車運行引發(fā)的建筑環(huán)境振動噪聲問題進行了一系列研究[3-9]。這種環(huán)境振動噪聲問題包括列車地面運行對沿線建筑的影響、地下隧道對地表建筑的影響以及行駛車輛段對上蓋建筑的影響等。在列車運行對地面沿線建筑物的振動噪聲問題研究中，LOPEZ-MENDOZA等[10]基于邊界元-有限元模型，提出了列車運行引起周邊建筑物振動的預(yù)測公式，考慮了土層性質(zhì)、建筑高度、列車速度和建筑物距離等因素，對沿線建筑振動特性進行了分析。洪俊青等[]對地鐵沿線建筑振動進行研究，發(fā)現(xiàn)不同土體的建筑振動規(guī)律基本一致，但不同的土層硬度會對建筑物的振動響應(yīng)產(chǎn)生影響。宋琪[2]以北京軌道交通附近的某一古建筑為研究對象，理論分析了地鐵列車振動影響下古建筑的動力響應(yīng)特性。在地下隧道引起的地面建筑振動噪聲的研究當(dāng)中，ZHOU[3]采用數(shù)值分析的方法，分析了多線路重疊的隧道區(qū)域在列車運行下的環(huán)境振動響應(yīng)規(guī)律，并對引起的環(huán)境振動控制提出了建議。馬龍祥等[14基于薄片有限元-無限元耦合模型，研究隧道中列車運行時地表的振動特性，發(fā)現(xiàn)列車運營引起隧道壁的縱向振動響應(yīng)在 1～100Hz 頻段內(nèi)較小。鄔玉斌等[15]建立了隧道-土體-建筑-聲場數(shù)值模型，對北京某軌道交通上方音樂廳開展了室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲研究。在車輛段引起的上蓋建筑振動噪聲研究中，汪益敏等[6現(xiàn)場實測分析了咽喉區(qū)列車運行引起的環(huán)境和結(jié)構(gòu)振動傳播規(guī)律，發(fā)現(xiàn)振動在土體向結(jié)構(gòu)傳遞時存在能量的耦合損失，尤其體現(xiàn)在50Hz 以上的高頻段。SADEGHI等[]將實測數(shù)據(jù)用于車致建筑的振動-聲學(xué)模型的驗證，研究建筑物結(jié)構(gòu)參數(shù)及聲學(xué)參數(shù)對二次結(jié)構(gòu)噪聲的影響。WANG等[8]采用現(xiàn)場實測和數(shù)值分析相結(jié)合的方法對列車出入車輛段時的上蓋建筑振動特性進行分析。此外，謝偉平等[19]、LIU等[20]、KURZWEIL等[21]也展開了建筑振動和二次噪聲的相關(guān)研究。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對建筑振動噪聲特性進行了廣泛的研究，但仍然存在一定的不足。首先，現(xiàn)有研究針對目標(biāo)建筑主要集中在振動或二次噪聲的單一特性方面，缺乏綜合考量。其次，對車輛段上蓋不同建筑類型的比較研究不夠豐富，目前的研究往往只關(guān)注車輛段上蓋某一種建筑類型的振動噪聲特性，難以得出全面的結(jié)論。最后，現(xiàn)有的評價方法主要關(guān)注于建筑結(jié)構(gòu)本身的振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲，而對于人體舒適度方面的關(guān)注較少，尤其是聯(lián)合振動和二次噪聲對人體舒適度的研究。

本文依托于重慶市某大型車輛段工程，對上蓋建筑振動噪聲特性及人體舒適度進行綜合性研究。首先通過現(xiàn)場實測分析了車輛段振動特性及車輛段不同區(qū)域的振動穩(wěn)定性；其次建立大型車輛段有限元模型，對上蓋建筑不同區(qū)域的振動噪聲特性進行分析及綜合評價，最后建立振動和二次噪聲聯(lián)合煩惱度模型，對不同功能區(qū)的上蓋建筑室內(nèi)人體舒適度進行分析。

1 測試方案

1. 1 工程概況

重慶某大型車輛段長約 750m ，寬約 190m 。建筑總面積達 16139m² ，上蓋平臺規(guī)劃建設(shè)14座商業(yè)樓和12棟住宅樓，商業(yè)樓和住宅樓分別位于咽喉區(qū)正上方和庫內(nèi)區(qū)正上方，如圖1所示。

該車輛段包括咽喉區(qū)、庫內(nèi)檢修區(qū)和上蓋區(qū)，咽喉區(qū)鋪設(shè)有砟軌道，庫內(nèi)檢修區(qū)為架空軌道，所運行的是6節(jié)編組的As型地鐵列車，具體列車-軌道參數(shù)如表1所示。車輛段所在土體結(jié)構(gòu)自上而下主要分為素填土（埋深 0～10m 、強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖（埋深10～11.2m ）、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖（埋深 11.2m 以下）。

表1列車-軌道動力學(xué)參數(shù)

1.2測點布置及數(shù)據(jù)處理

測試車為6節(jié)編組的As型地鐵，測試工況為沿11號股道出入庫20趟。共設(shè)置兩個測試斷面，斷面1為咽喉區(qū)，斷面2為檢修庫，測點分布于車輛段咽喉區(qū)、庫內(nèi)區(qū)和上蓋平臺，上蓋平臺測點位于兩斷面測點正上方，采用表2所示的信號采集設(shè)備記錄每趟列車通過時相應(yīng)測點的垂向振動加速度，數(shù)據(jù)的采集和分析由DASP網(wǎng)絡(luò)式智能采集儀完成，詳細測點布置如圖2所示。

1.3振動和二次噪聲評價標(biāo)準(zhǔn)

針對列車運行引起的振動按照標(biāo)準(zhǔn)GB10070— 88^[22] 和JGJ/T170—2009[23]進行評價，Z計權(quán)因子按 照標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T170—2009[23]進行設(shè)定。

針對車輛上蓋建筑二次噪聲，按照標(biāo)準(zhǔn)HJ453—2018^[24] 給出的如下所示的室內(nèi)二次噪聲經(jīng)驗公式進行計算，并通過標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T170—2009[23]給定的限值進行評價：

L_p，i=L_v，i+1019γ-101gH-20+101gT₆₀ （1）式中， L_ρ，i 為中心頻率 i 下的室內(nèi)空間最大 1/3 倍頻聲壓級； L_v，i 為頻率 i 下的樓板中央 1/3 倍頻程垂向速度級，參考速度為 1×10^-9m/s;γ 為聲輻射效率；H 為房間平均高度； T₆₀ 為室內(nèi)混響時間。

根據(jù)車輛段實際情況，將車輛段上蓋各類建筑的振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲容許值進行分類取值，如表3所示。

1.4地鐵車輛段振動特性分析

對各測點的振動特性進行分析，時頻圖如圖3所示。從時域圖可以看出，軌枕（檢查坑立柱）測點的振動加速度與承重柱測點的振動加速度相比，出現(xiàn)驟減現(xiàn)象，而上蓋平臺兩測點的振動加速度峰值接近；由于制作材料以及結(jié)構(gòu)形狀的差異，車輛段不同區(qū)域結(jié)構(gòu)的振動主頻也存在一定不同：咽喉區(qū)軌枕和承重柱的振動主頻差異較小，大致集中在 45～

60Hz ；而庫內(nèi)區(qū)檢查坑立柱和承重柱的振動主頻差異較大，分別在 50Hz 和 100Hz 左右；上蓋平臺兩測點的振動主頻也存在一定差異，分別在 30Hz 和55Hz 左右。

表4收集了其中10趟列車單向入庫時各測點的振動加速度峰值和最大分頻振級數(shù)據(jù)，并列出各測點振動加速度峰值和最大分頻振級的均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)。其中變異系數(shù)的計算公式為：

式中， CV 為描述數(shù)據(jù)離散程度的變異系數(shù)； K 為樣本標(biāo)準(zhǔn)差； 為樣本平均值。

從加速度峰值均值和最大分頻振級均值可以看出，振動從軌枕（檢查坑立柱）傳遞至承重柱時的衰減明顯大于承重柱傳遞至上蓋平臺，甚至在斷面2處上蓋平臺的振動出現(xiàn)放大現(xiàn)象，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是振動在傳遞過程中，大部分被地基所吸收，而上蓋平臺受多個承重柱振動波的疊加，使平臺振動被放大。

圖4給出其中10趟車次下各斷面處測點的最大Z振級對比圖，可以看出，咽喉區(qū)的振動幅度明顯高于庫內(nèi)區(qū)，主要由于咽喉區(qū)存在較多道岔及鋼軌接頭，使行駛列車產(chǎn)生較大的輪軌沖擊力。

對比10趟車次下各區(qū)域的振動加速度峰值和最大分頻振級的變異系數(shù)，分析不同區(qū)域的振動穩(wěn)

。1～10車次斷面1處最大Z振級90B 一斷面1處平均最大Z振級。1～10車次斷面2處最大Z振級80斷面2處平均最大Z振級7060A B C測點位置

定性，如圖5所示。不管從加速度峰值還是最大分頻振級來看，列車在車輛段運行的振動穩(wěn)定性均表現(xiàn)出上蓋平臺 lt; 咽喉區(qū) lt; 庫內(nèi)區(qū)，造成這一現(xiàn)象的原因可能有兩點： ① 上蓋平臺處于開闊型區(qū)域，受外部環(huán)境激擾的因素較多； ② 咽喉區(qū)存在較復(fù)雜的路況，例如道岔、小半徑曲線等。

圖5不同區(qū)域測點變異系數(shù)對比

Fig.5Comparison of coefficients of variation of measuring points indifferent regions

2 研究方法

本文首先建立車輛-軌道垂向耦合動力學(xué)模型獲取列車扣件力，然后通過有限元理論在ANSYS有限元平臺建立軌道-土體-車輛段-上蓋建筑群有限元模型，再將扣件力輸人有限元模型進行求解獲得各目標(biāo)測點的振動加速度；通過實測數(shù)據(jù)驗證有限元模型的合理性，再分析上蓋不同功能建筑的振動和二次噪聲特性，并根據(jù)相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)對目標(biāo)區(qū)域超標(biāo)情況進行評價，最后采用煩惱度指標(biāo)參考現(xiàn)有的舒適度評價方法建立振動和二次噪聲聯(lián)合煩惱度模型，對車輛段地鐵運行下商業(yè)樓和住宅樓兩種不同功能區(qū)域的舒適度進行分析。具體研究流程如圖6所示。

2.1地鐵列車-軌道垂向耦合動力學(xué)模型

基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論[25]，建立列車-軌道垂向耦合動力學(xué)模型，如圖7所示，圖中， v 表示車輛行駛速度； M_c，M_t 分別為車體、轉(zhuǎn)向架質(zhì)量； J_c?Jt 分別為車體、轉(zhuǎn)向架點頭慣量； C_sz?C_pz 分別為一系懸掛、二系懸掛阻尼； ） L_wi（i= 1，2，3，4）分別為車體、轉(zhuǎn)向架、輪對垂向位移； K_sz K_pz 分別為一系懸掛、二系懸掛剛度； β_c，β_ti（i=1，2） （2分別為車體、轉(zhuǎn)向架點頭角； K_pi?C_pi 分別為軌下墊層剛度、阻尼； K_bi?C_bi 分別為軌枕-道床連接剛度、阻尼； K_wi，C_wi 分別為床間連接剛度、阻尼； K_ti，C_ti 分別為道床-地基連接剛度、阻尼； Z_t，Z_s，Z_b 分別為鋼軌垂向位移、軌枕垂向位移、道床垂向位移。

列車考慮為多剛體結(jié)構(gòu)，各剛體采用等效彈簧阻尼元件連接，考慮車體及轉(zhuǎn)向架的點頭和沉浮自由度以及輪對的沉浮自由度，每節(jié)列車共計10個自由度；鋼軌考慮為離散支撐的歐拉梁；軌枕和道床考慮為質(zhì)量；扣件等效為線彈性彈簧阻尼元件；各結(jié)構(gòu)間采用等效彈簧阻尼元件連接。采用Hertz非線性接觸理論求解輪軌垂向作用力，考慮軌道不平順的影響，將其等效為輪軌間的彈性變形量[26]。

2.2軌道-土體-車輛段-上蓋建筑群有限元模型

基于有限元理論，在ANSYS有限元分析平臺中建立軌道-土體-車輛段-上蓋建筑群有限元模型，其中建模及計算遵循以下原則：

（1）道床建模過程中，咽喉區(qū)碎石道床考慮為離散的質(zhì)量塊；庫內(nèi)區(qū)建立檢查坑立柱模型。

（2）單元類型選取：土體和檢查坑立柱采用三維實體單元SOLID45模擬；碎石道床采用MASS21模擬，并通過彈簧阻尼單元與相鄰結(jié)構(gòu)進行連接；上蓋平臺、停車庫樓板和建筑樓板均采用殼單元SHELL63模擬；各建筑結(jié)構(gòu)柱采用梁單元BEAM188模擬。

（3）各部分間采用共節(jié)點的方式建模，商業(yè)樓一層結(jié)構(gòu)柱與上蓋平臺表面建立剛性域?qū)崿F(xiàn)兩部分耦合。

（4）根據(jù)實際勘察的土質(zhì)深度分布情況，在土體建模時進行分層處理，各土層厚度取值如表5所示。

（5）網(wǎng)格尺寸選取：根據(jù)相關(guān)文獻[27]，建議有限元建模網(wǎng)格劃分的離散單元尺寸應(yīng)小于彈性介質(zhì)的最小剪切波長的1/6以保證計算精度，取網(wǎng)格尺寸為 0.3m ○

（6）加載形式及求解方法：將列車-軌道耦合動力學(xué)模型所計算的扣件力以移動載荷的方式施加在模型上，采用瞬態(tài)分析法，每 0.6m 布置一個加載點；采用隱式積分Newmark法求解該有限元模型，本文研究的環(huán)境振動所關(guān)心的頻率為 1～200Hz ，故積分步長設(shè)置為0.002s，總計95000步。

（7）考慮到邊界反射對模型計算精度的影響，參照文獻[28-29]對土體下表面及四周建立 1m 厚的黏彈性實體單元。

（8）具體建模參數(shù)詳見表5。

采用上述建模原則建立的軌道-土體-車輛段-上蓋建筑群有限元模型如圖8所示。

2.3 模型驗證

為驗證有限元模型的準(zhǔn)確性，選取咽喉區(qū)實測結(jié)果與相同測點位置的仿真結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖9所示。

從圖9（a）加速度時域圖來看，列車通過測點A1和A2的仿真和實測的加速度幅值大部分接近，且加速度變化趨勢較為吻合；從分頻振級圖來看，仿真得出的軌枕、承重柱和上蓋平臺的振動主頻分別在50、50和 25Hz 附近，與圖3（b的實測結(jié)果吻合，且實測和仿真的最大分頻振級也接近。由于模型的簡化及未充分考慮土體的非線性因素，導(dǎo)致該模型在8Hz 以下及 100Hz 以上的頻帶與實測結(jié)果間存在差異，但仿真與實測的加速度幅值、結(jié)構(gòu)振動主頻和最大振級均較為吻合，因此認為該模型能用于地鐵列車誘發(fā)車輛段上蓋建筑振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲的分析研究。

3上蓋建筑振動特性研究

基于有限元模型計算結(jié)果，對斷面1、2處目標(biāo)建筑進行振動特性分析，土體-車輛段-上蓋建筑三維模型示意圖如圖10所示，主要分析內(nèi)容有：（1）上蓋平臺振動橫向傳播規(guī)律；（2）商業(yè)樓振動特性；（3）住宅樓振動特性。

3.1上蓋平臺振動橫向傳播規(guī)律

如圖11所示，選取斷面1處上蓋平臺觀測點P1至P5，其中P1位于11號股道中心線正上方，各觀測點水平間距為 10m ○

由圖12（a）和（b）可以看出，上蓋平臺振動加速度隨橫向距離增加呈衰減趨勢；上蓋平臺振動主頻在 20Hz 附近，測點P1至P5的最大分頻振級分別為59.6、56.6、53.0、49.9、45.1dB；在 12.5Hz 以下頻段振動傳遞表現(xiàn)出一定的離散性，但在 12.5～125Hz 頻段，振動表現(xiàn)出隨橫向距離增加而減小的趨勢；對各觀測點的最大Z振級和加速度峰值進行擬合分析，如圖12（c）所示，可以看出隨橫向距離的增加，最大Z振級近似線性衰減，加速度峰值近似指數(shù)衰減。

3.2上蓋商業(yè)樓振動特性研究

目標(biāo)商業(yè)樓擬建于斷面1咽喉區(qū)的11號股道正上方，共3層，觀測點F1至F3均設(shè)置在各層樓樓板中心處，如圖11所示。由圖13可知，商業(yè)樓1至3樓樓板中心處振動加速度峰值分別為0.0578、0.0307、 0.0225m/s² ，表現(xiàn)出隨著樓層的增高，振動逐漸減小的趨勢。

圖14給出各層商業(yè)樓樓板中心觀測點處振動加速度級，可知商業(yè)樓各層樓板的振動主頻在12.5～16Hz 頻段，振動衰減主要在 12.5Hz 以上頻段，在 25～80Hz 頻段振動衰減較快，最大衰減量出現(xiàn)在 50Hz 處，衰減量達 19.2dB ；各樓層樓板的最大分頻振級分別為60.1dB（ 12.5Hz ）、54.9dB（ 12.5Hz ）、51.3dB（ 16Hz 。

3.3上蓋住宅樓振動特性研究

目標(biāo)建筑擬建于庫內(nèi)檢修區(qū)的11號股道上方，包括2層停車庫及15層住宅樓，具體觀測點布置如圖15所示，其中停車庫觀測點在股道中心線正上方，住宅樓觀測點位于樓板中心處。

根據(jù)圖16和17的測點時頻圖發(fā)現(xiàn)，負2層停車庫測點振動加速度峰值為 0.0464m/s² ，負1層停車庫測點振動加速度峰值為 0.0351m/s² ，表明振動向上傳遞發(fā)生衰減；該停車庫負1層和負2層的振動主頻均集中在 12.5Hz 附近，分頻振級峰值分別為59.6dB（12.5Hz） 和 58.0dB（12.5Hz） ；整體來看振動衰減幅度較小，考慮是停車庫存在較多支撐柱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)總體剛度增加的原因。

圖18給出住宅樓各觀測點的振動加速度時域圖，可以看出，住宅樓1樓的振動加速度最大，加速度峰值達到 0.0240m/s² ，且隨著樓層的升高，振動加速度表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。從圖19給出的各樓板中心觀測點振動加速度級發(fā)現(xiàn)，住宅樓樓板的振動主頻在 16Hz 附近；振動衰減主要發(fā)生在5Hz 以上，尤其在 80Hz 以上的頻段振動衰減較為明顯，但在小于 4Hz 的低頻段，住宅樓的振動隨著層高的增加出現(xiàn)放大的現(xiàn)象，可能是由于低頻波長較長，導(dǎo)致振動波傳遞到頂層經(jīng)過反射疊加使得該頻段的振動被放大。

為更好地了解住宅樓振動傳遞規(guī)律，對所有樓層樓板中心處的最大Z振級進行擬合分析，如圖20所示，可以看出，最大Z振級從1樓開始隨著樓層升高而衰減，振動衰減至第12樓時達到最低，大小為48.2dB，隨后振動出現(xiàn)放大現(xiàn)象，這可能是由于振動在向上傳遞時，建筑頂部沒有繼續(xù)傳遞和消耗振動的結(jié)構(gòu)，振動波在頂部不斷疊加導(dǎo)致的。

表6給出各樓層最大Z振級的擬合曲線表達式，其中1至12樓樓板和12至15樓樓板最大Z振級衰減擬合公式的擬合度分別為0.981和0.987，擬合程度高。根據(jù)擬合公式，振動在自1樓向12樓傳遞時振動衰減率為1.127dB/樓；自12樓向15樓傳遞時，振動增加率為0.334dB/樓；住宅樓中最大Z振級的振動預(yù)測范圍為 48.2～60.5dB 。

表6住宅樓振動衰減擬合公式

從分頻振級的評價角度看，車輛段上蓋建筑振動均符合標(biāo)準(zhǔn)。表7列出各建筑觀測點的最大Z振級的超標(biāo)情況，可知目標(biāo)上蓋建筑振動均未超標(biāo)。

4上蓋建筑二次結(jié)構(gòu)噪聲特性研究

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) HJ453-2018^[24] 給出的預(yù)測公式對商業(yè)樓、住宅樓進行二次結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測分析。

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)尺寸，考慮住宅樓層高 H=3m ，室內(nèi)混響時間 T₆₀=0.8s ；商業(yè)樓1樓層高 H=5m ，室內(nèi)混響時間 T₆₀=1s，2 樓和3樓層高 H=3m ，室內(nèi)混響時間 T₆₀=0.8s ；通常樓板振動卓越頻率時聲輻射效率 γ≈1 。住宅樓和商業(yè)樓二次噪聲預(yù)測結(jié)果如圖21所示，可以看出A計權(quán)后的聲壓級主頻集中在 50～100Hz 。其中，商業(yè)樓的最大聲壓級出現(xiàn)在 80Hz 處， 1～3 層的最大聲壓級大小依次為38.3、35.2和31.9dB（A），隨著層高增加，商業(yè)樓二次結(jié)構(gòu)噪聲衰減體現(xiàn)在大部分頻段；住宅樓的最大聲壓級出現(xiàn)在 63Hz 處，大小在 23.0～30.3dB（A） 之間，住宅樓二次噪聲衰減主要發(fā)生在 50Hz 以上頻段。

如圖22所示，分析住宅樓每層的最大分頻聲壓級，隨著樓層的增加，住宅樓的二次結(jié)構(gòu)噪聲變化趨勢和最大Z振級的變化趨勢相似，均表現(xiàn)出先衰減后在頂層放大的現(xiàn)象。

通過標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T170—2009[23給出的二次結(jié)構(gòu)噪聲限值，評價上蓋建筑二次結(jié)構(gòu)噪聲的超標(biāo)情況，結(jié)果如圖23所示。可知商業(yè)樓1樓和3樓均出現(xiàn)二次噪聲超標(biāo)的情況，晝間和夜間的最大噪聲超標(biāo)量分別為1.9和4.9dB（A），均發(fā)生在商業(yè)樓1樓；住宅樓并未出現(xiàn)二次結(jié)構(gòu)噪聲超標(biāo)。造成這種現(xiàn)象的原因可能是商業(yè)樓直接建立于上蓋平臺，振動通過平臺結(jié)構(gòu)直接傳遞至商業(yè)樓，而住宅樓下方建有兩層車庫，受車庫的結(jié)構(gòu)影響，一定程度上會使傳遞至住宅樓的振動產(chǎn)生衰減，導(dǎo)致住宅樓未超標(biāo)而商業(yè)樓超標(biāo)，但夜間住宅樓1樓二次噪聲雖未超標(biāo)卻也瀕臨超標(biāo)，可以看出，相比結(jié)構(gòu)振動來說，二次結(jié)構(gòu)噪聲更容易出現(xiàn)超標(biāo)的情況。

5 人體舒適度研究

相比基于物理指標(biāo)（如Z振級和dB（A））的振動和二次噪聲評價，選擇煩惱度來評估人體舒適度能更直接地反映個體對環(huán)境的主觀感受和情緒狀態(tài)。煩惱度是個體對于特定煩惱事件的認知程度和情緒反應(yīng)強度，但煩惱的具體程度表現(xiàn)出不確定性，體現(xiàn)在概念不明確導(dǎo)致的模糊性及個體對外界刺激敏感度差異呈現(xiàn)的隨機性[30]，準(zhǔn)確反映煩惱度情況需綜合考慮這兩方面的因素。本節(jié)將考慮人體對外界刺激的隨機性和模糊性，將振動和二次噪聲作為輸入，建立振聲聯(lián)合煩惱度模型，對列車運行導(dǎo)致的車輛段上蓋建筑室內(nèi)煩惱度進行計算和評價。

5.1振聲聯(lián)合煩惱度模型

國內(nèi)外研究[31-32]揭示了人的主觀感受量與物理刺激量的對數(shù)成正比，即Weber-Fechner定律，該定律用隸屬度描述人對外界刺激的感受量。另外，文獻[33-35]得出振級或聲壓級與人的煩惱隸屬度之間服從正比或近似正比關(guān)系，因此，可利用模糊數(shù)學(xué)方法建立人主觀感受量對外部環(huán)境刺激量的基本隸屬度函數(shù)，反映個體對外部刺激的模糊性：

V（x）=ax+b，x_min?x?x_max

式中， V（x） 為煩惱的基本隸屬度函數(shù)，取值為[0，1]，0 表示沒有煩惱，1表示無法忍受的煩惱；x 為對應(yīng)的外部環(huán)境物理刺激大小，在目前的交通環(huán)境振聲評價中，計權(quán)振級和聲壓級是最常用的主觀感覺量描述指標(biāo)，故本文將兩者作為煩惱率函數(shù)中的基本變量； x_max，x_min 為人體能感知的振動或二次噪聲水平的上、下限閾值；待定系數(shù) a 和 b 可根據(jù)上、下限閾值代入下式求出：

此外相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)，人對振動或噪聲的主觀感受量服從或近似服從正態(tài)分布[35-36]，故采用正態(tài)分布函數(shù)來反映個體對外界刺激的隨機性：

式中， μ 為受外部刺激的期望值，本文表示為建筑振動期望值或二次噪聲期望值； σ 為標(biāo)準(zhǔn)差。 μ 和 σ 在不同類型環(huán)境下的取值會有所變化。

考慮個體對外部刺激的模糊性和隨機性，將基本隸屬度函數(shù)和正態(tài)分布函數(shù)進行耦合，建立煩惱度模型：

式中， A（x） 為在建筑振動或二次噪聲刺激下人體的煩惱度。

參考標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T170— 2009^[23] 中的振動和二次噪聲限值，確定振動和二次噪聲的上、下限閾值，其中，振動期望取值低于該區(qū)域規(guī)定的晝、夜間限值5dB，二次噪聲期望取值低于該區(qū)域規(guī)定的晝、夜間限值3dB；標(biāo)準(zhǔn)差 σ 經(jīng)驗取值晝間為6，夜間為3。表8列出了各區(qū)域建筑的煩惱度模型參數(shù)的具體取值情況。將參數(shù)代值后的煩惱度模型進行歸一化處理，繪制出住宅樓和商業(yè)樓晝、夜間的振動和二次噪聲煩惱度曲線，如圖24和25所示。

根據(jù)振動和二次噪聲煩惱度模型，建立振聲聯(lián)合煩惱度模型[37]，如下式所示：

0?α?1，0?β?1

式中， A（u） 為對應(yīng)振動煩惱度； A（v） 為對應(yīng)二次噪聲煩惱度； α 和 β 為煩惱度修正系數(shù)，本文默認兩者取值均為1。

5.2基于聯(lián)合煩惱度模型的舒適度評價

參考心理學(xué)中的方法[31.36]，將煩惱度劃分為6個等級， 0?Alt;0.2 ：幾乎無煩惱； 0.2?Alt;0.4 ：有點煩惱； 0.4?Alt;0.6 ：比較煩惱； 0.6?Alt;0.8 ：很煩惱；0.8?Alt;1 ：非常煩惱； A=1 ：無法忍受的煩惱。借鑒心理學(xué)評價方法[36.38]，將煩惱閾值設(shè)置為0.6，超過煩惱閾值的室內(nèi)環(huán)境可能會對居住者舒適性產(chǎn)生負面影響。

圖26和27給出了上蓋建筑不同樓層的煩惱度，發(fā)現(xiàn)該車輛段列車運行產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動所引發(fā)的煩惱基本處于“幾乎無煩惱”等級，但二次噪聲在夜間會使在整棟商業(yè)樓以及住宅樓1樓的人出現(xiàn)“很煩惱”的感受，這表明在相同條件激勵下，上蓋建筑引發(fā)的二次噪聲對人體產(chǎn)生的煩惱感比結(jié)構(gòu)振動要高，同一水平下的激勵夜間更容易發(fā)生煩惱；此外，商業(yè)樓和住宅樓1樓白天噪聲煩惱度均大于0.6，會對這片區(qū)域居民的日常生活造成影響，超過閾值需要采取相應(yīng)的減振降噪措施進行治理；而夜間除了整棟商業(yè)樓和住宅樓1樓的煩惱度超過0.6外，住宅樓5樓臨界“比較煩惱\"水平；相比上蓋建筑振動和二次噪聲在標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T170—2009[23]中的評價結(jié)果，住宅樓首層的聯(lián)合煩惱度及噪聲煩惱度均超過煩惱閾值0.6，表明采用煩惱度模型進行評價要更加嚴(yán)格；通過分析圖26和27還發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合評價比單一評價下的煩惱度結(jié)果更高。

為了進一步驗證該模型的合理性，將煩惱度模型的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T170—2009[23]中振動和二次噪聲限值得到的評價結(jié)果（超過標(biāo)準(zhǔn)限值取值為1，未超過標(biāo)準(zhǔn)限值取值為0）進行對比，如圖28所示。可以看出0.6的煩惱閾值下的煩惱度模型評價結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T170—2009[23]的評價結(jié)果基本吻合，可體現(xiàn)該模型的準(zhǔn)確性，但相比標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T170—2009^[23] ，該模型還能更加細化地描述出煩惱的超標(biāo)程度，以便針對超標(biāo)量采取相對應(yīng)的措施。

6 結(jié)論及展望

6.1結(jié)論

本文依托四公里車輛段項目，結(jié)合現(xiàn)場實測和數(shù)值仿真，研究了車輛段及上蓋建筑的振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲特性，采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進行環(huán)境評價，并使用煩惱度指標(biāo)對上蓋建筑室內(nèi)人體舒適度進行分析和評價。得到以下主要結(jié)論：

（1）車輛段各區(qū)域在列車運行下的振動穩(wěn)定性存在差異，表現(xiàn)為庫內(nèi)區(qū)最穩(wěn)定，上蓋區(qū)穩(wěn)定性最差，咽喉區(qū)次之。處于不穩(wěn)定的振動環(huán)境下可能對人的感受和設(shè)備的運行或測量精度造成不同程度的影響。

（2）車輛段列車運行引發(fā)的上蓋建筑振動在上蓋建筑不同區(qū)域的振動量雖然不同，但均屬于微振動范疇；從頻域上看，振動主頻主要分布在 12.5～ 20Hz 的低頻段；從傳遞規(guī)律來看，振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲隨樓層增加存在衰減現(xiàn)象，但住宅樓頂部存在放大現(xiàn)象。

（3）車輛段地鐵運行時上蓋各建筑振動均滿足標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T170—2009[23]限值要求，但二次結(jié)構(gòu)噪聲出現(xiàn)超標(biāo)情況，最大超標(biāo)量達4.9dB（A），表明建筑的二次結(jié)構(gòu)噪聲比振動更易超標(biāo)，在進行環(huán)境評價時要著重考慮二次噪聲的影響。

（4）相同條件下，二次結(jié)構(gòu)噪聲比振動更易引起人體煩惱，且在夜間更加突出，在振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲聯(lián)合作用下人體更容易出現(xiàn)煩惱等級超標(biāo)的情況，建議在進行環(huán)境評價時，可考慮結(jié)合人體舒適度進行綜合評價，使整個評價工作更加全面且貼合實際。

6.2展望

（1）考慮本文僅對建筑樓各樓層的振動、二次結(jié)構(gòu)噪聲和煩惱度進行研究，可能因樓層位置不同導(dǎo)致結(jié)果存在差異性，后續(xù)工作可針對不同樓板位置的振動、二次結(jié)構(gòu)噪聲和煩惱度的分布情況進行更加細致化的分析。

（2從文中的評價結(jié)果可以看出二次結(jié)構(gòu)噪聲和煩惱度存在超標(biāo)的現(xiàn)象，后續(xù)考慮展開針對超標(biāo)量采取合理減振降噪措施的研究工作。

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第一作者：陳兆瑋（1988一），男，博士，教授。 E-mail：chenzhaowei_cq@163.com

通信作者：李松松（1997一），男，碩士研究生。 E-mail：samson353@163.com