地铁运营对周围建筑振动实测研究

黄 良 基

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

地铁运营对周围建筑振动实测研究

黄 良 基

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

为解决轨道交通引起的环境振动问题，借助现代振动测试手段，以某市地铁运营线路为背景，对地铁运营引起的建筑内部振动进行了实测评价，结论可为相关课题的研究提供参考。

轨道交通，环境振动，实测分析

1 概述

环境振动问题并不是一个新问题，它一直贯穿着人类的历史进程。而随着城市轨道交通的普遍发展，环境振动问题才逐渐进入人们的视野，引起各界学者的关注。伴随着轨道交通的发展和人们对生活质量要求的提高，轨道交通运行时引发的振动与噪声污染问题引起了社会的高度关注，国际上已经把振动列为七大环境公害之一，主要表现为：1)对人生活、工作甚至健康的影响；2)振动对周围建筑，特别是历史性建筑的影响；3)振动对精密仪器和装置的影响[1]。最近几年来，由于城市轨道交通网的迅速发展，轨道交通引起的扰民事件时有发生。同时，轨道交通运行对沿线特殊建筑的影响情况也时有出现。因此，对地铁引发的振动对周围建筑影响的分析研究是非常有必要的。本文结合某市地铁站附近某住宅楼的现场实测，进行了地铁运营引起的环境振动实测分析。

2 测试方案及测试仪器介绍

在进行地铁运营引起的环境振动现场测试前，应该确定一套合理的振动测试方案，包括振动测量仪器、测量条件及测量位置的选择。振动测量的内容包括位移、速度和加速度三种振动量。在轨道交通振动测试中，由于列车激振荷载存在高频分量，目前大多采用加速度传感器。现场实测获得环境振动强度的方法通常有两种[2]：一是直接利用环境振动分析计进行现场实测，直接读取振级数据；二是记录加速度、速度或位移信号，然后再通过分析处理获取振级等信息。本文采用的是第二种方法。测量时列车应处于正常运行状态，应避免足以影响振动测量值的其他环境因素，如剧烈的温度梯度变化、强电磁场、强风、地震或其他非轨道交通列车运行引起的振动干扰。振动测试传感线布置在地铁运营线路周围的建筑物室内，每层布置一个测点，共布置6个测点。

3 振动分析评价的基本理论

分析中用到的基本理论有傅里叶变换的理论、1/3倍频谱理论和振级计算理论[3]，具体如下。

3.1 离散傅里叶变换(DFT)

列车运行所引起的振动是随机的，但它可以认为是一个具有零均值的各态历经的平稳高斯过程。因此，现场测试所得的振动时程曲线可以视为许多不同频率的正弦波叠加的结果，即可以用傅里叶级数的形式表示。由于实际采样信号是离散的并且采样信号的样本长度是有限的，在对数字振动信号进行傅里叶变换时需要采用傅里叶变换的离散算法，即离散傅里叶变换(DFT)。其表达式为：

(1)

(2)

3.2 1/3倍频程谱理论

1/3倍频程谱是一种频域分析方法，它具有谱线少、频带宽的特点。1/3倍频程谱常用于声学、人体振动、机械振动等测试分析以及频带范围宽的随机振动测试分析。倍频程谱是由一系列频率点以及对应这些频率点附近频带内信号的平均幅值(有效值)所构成。这些频率点称为中心频率fc,中心频率附近的频带处于下限频率fl与上限频率fu之间。对于环境振动，一般常以1/3倍频程谱进行评价。中心频率及其上下限频率之间的关系见下式：

(3)

3.3 振级计算理论

首先计算计权均方根(r.m.s)加速度aw，也称为计权加速度有效值，单位为m/s2，计算公式如下[4]：

(4)

其中，aw(t)为计权加速度时程；T为测量时间长度，s。根据下式计算振级：

(5)

其中，a0为加速度标准值，10-6m/s2。

4 测试数据的分析与处理

对各测点进行测量，测得其加速度振动信号，由于篇幅关系，此处仅给出楼内典型测点的测试及分析结果，由于z向振动明显大于x，y向，对人体和建筑影响较大的也是z向振动。因此，本次分析仅针对铅垂z向(竖向)。典型测点的时域波形图、功率谱图和1/3倍频图，见图1。

从以上测试及分析结果可以看出，地铁引起的建筑物振动的中心频率主要集中在40Hz～50Hz范围内，1/3倍频程图中表现为倍频程谱线较为平滑，表明振动在由轨道经土层传播至建筑的过程，高频成分较低频成分衰减快；测点位置不同，振动最大值对应的中心频率分布也有所不同，但差别不是很大。可以认为，建筑内部底层振动主要受大地振动影响，而高层则主要受楼房结构振动影响。

5 建筑物楼层内部振动规律分析

为了讨论地铁运营引起的建筑物内部楼层振动情况，根据振级计算理论，分别计算结构上测得的加速度时程信号的振级，得到振级沿楼层的分布图。

从图2中可以看出，振级沿楼层没有明显的增大或减小的趋势，大多数楼层振动水平较1层小，但仍存在放大的情况(如2层)。由于振级随楼层的变化还关系到结构类型，层高等因素，有待进一步讨论。

6 结语

本文针对某市地铁运营线路地铁站附近某住宅楼，由于地铁运营引起的振动进行了现场测试，对振动信号分析和总结，可以得到如下结论：

1)地铁引起的建筑物振动的中心频率主要集中在40Hz～50Hz范围内，振动在由轨道经土层传播至建筑的过程，高频成分较低频成分衰减快；

2)振级沿楼层没有明显的增大或减小的趋势，由于振级沿楼层的分布关系到结构类型，层高等因素，有待进一步讨论；根据测点频谱统计分析可知，建筑内部底层振动主要受大地振动影响，而高层则主要受楼房结构振动影响；

3)本文测试工况有限，选取的建筑比较单一，今后需要更多工况的测试才能得出经验性规律总结。

[1] 夏 禾，曹艳梅.轨道交通引起的环境振动问题[J].铁道科学与工程学报,2004,1(1):44-51.

[2] 徐 建.建筑振动工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3] 张 昕.引起环境振动的实测和理论分析研究[D].上海:同济大学博士学位论文,2002.

[4] 蒋 通.环境振动实测和分析中考虑多级振源影响的振级评价方法[J].城市轨道交通研究,2010(5):26-29.

Study on the building vibration caused by subway using vibration measurement

Huang Liangji

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to solve the environmental vibration caused by the rail traffic, with the help of modern vibration testing means, selecting a city subway lines in operation as the background, the structural internal vibration caused by the subway operation were measured and evaluated. The results can provide a useful reference for research on the analogous subject.

railway transport, environmental vibration, measurement and analysis

2015-01-14

黄良基(1993- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)09-0135-03

U231.92

A