地铁列车荷载激励下综合交通枢纽车站站房结构的振动响应

雷晓燕，崔聪聪,张 凌

(1.华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，江西 南昌 330013；2.江西省交通设计研究院有限责任公司 地理信息研究中心，江西 南昌 330013)

大型综合交通枢纽车站由高架层、轨道层与地下层组成，其中高架层为高铁旅客候车层，轨道层通过高速列车，地下层通过地铁，车站建筑处于非常复杂的振动条件下，建设这种现代化的大型综合交通枢纽车站，我国近年才开始。国内外对地铁列车引起的环境振动研究大多采用数值模拟的方法[1]和现场试验法[2]。文献[3—4]通过现场实测的方法分析了地铁列车与地铁合建建筑结构环境振动特性。何卫、谢伟平[5]对大跨度车站结构精细化模型进行了研究。目前，地铁列车引起地面建筑环境振动的研究已经取得一定成果，但是关于大型综合交通枢纽车站结构自身的频率响应特性与现场实测研究仍然非常匮乏。

本文通过现场实测，研究在地铁列车运行荷载的激励下，铁路枢纽车站站房结构的频率响应规律，评测地铁列车运行对站房结构的影响，研究成果对新建结构的设计和振动预测、振动控制具有比较重要的参考价值。

1 站房结构及振动测点布置

1.1 站房结构

南昌西站站房结构主体由下至上依次为地下层、轨道层、高架候车厅层、高架夹层，其剖面图如图1所示。站房主体建筑外墙南北进深385.5 m，东西宽133 m。候车厅层位于整个站房结构的地上2层，地铁换乘层位于整个站房结构的地下1层，地铁2号线位于整个站房结构的地下2层，为南北走向，其隧道埋深为14 m，施工方法为明挖施工，轨道形式为普通整体道床，车辆为地铁B型车。

图1 站房结构剖面图

1.2 数据采集设备

采用德国Head公司DATarec4 DIC24数据采集仪采集环境振动，采用941B型加速度传感器采集振动加速度。采样频率均为800 Hz。

1.3 测点布置

为测试地铁列车进出站引起站房结构的振动响应，在地铁站台层、地铁换乘层、高铁候车厅楼板层(以下简称站台层、换乘层、楼板层)进行振动测试。测试分为3个断面,其位置见图1。地铁站台层与换乘层的测点布置于断面2，楼板层的测点布置于断面1与断面3，楼板层的测试区域1位于断面1(地上2层)，楼板层的测试区域2位于断面3，地铁列车的停站区域位于断面2与断面3之间(地下2层)。地铁列车在断面1时匀速通过枢纽车站、在断面3时制动进入枢纽车站。

楼板层区域1的测点均布置于25 m跨度的楼板处，测点详图如图2(a)。测点由上到下的布设分别为测点4、测点3、测点2、测点1、测点3位于板的跨中，每个测点间距为7 m。楼板区域2的测点布置于楼板的轴线(B类)、楼板的跨中(A类)、不同楼板跨度的1/4(D类)处。楼板层测点B1，B2，B3，B4位于距离轨道不同距离处的框架轴线处。A1位于14 m×25 m跨度的楼板中央，A3位于14 m×18 m跨度的楼板中央，其余的A类测点均位于跨中板的轴线处。D1位于14 m×25 m跨度的楼板1/4处，D2位于14 m×18 m跨度的楼板1/4处。

换乘层测点H4，H3，H2(图2(b))均布置于跨度为25 m的板，区别在于距离轨道中心线的不同位置，H1位于换乘层的混凝土框架柱。

图2 测点布置

站台层测点S1,S2,S3分别对应换乘层测点H4，H3，H2，测点间距7 m，测点仅在高度方向存在差异，用于考虑振动响应的竖向传递。

地铁2号线的线路运行有上下行2个方向：上行方向是地铁大厦到南路方向，简称地铁大厦方向；下行方向是南路方向到地铁大厦方向，简称南路方向。上下行的列车行驶对测点的振动影响较为一致。

2 站房结构的振动响应

2.1 峰值振动加速度

地铁列车通过车站分为2种方式：单向列车通过；双向列车同时通过。对不同结构层测点的峰值振动加速度进行分析，研究不同地铁列车进站方式时，各测点竖向(Z)、垂轨方向(Y)、顺轨方向(X)的振动特性。对测得的多组峰值振动加速度比较可知，同一测点的振动加速度响应较为一致，因此，选取10组测试数据取平均值，作为测点的峰值振动加速度。

2.1.1 楼板层测点的振动响应

表1为楼板层测点的峰值振动加速度。

表1 楼板层峰值竖向振动加速度

由表1可以看出：地铁对楼板测点的振动响应虽然通过混凝土框架柱进行竖向传递，但是楼板跨中与楼板1/4处的振动响应大于轴线处的振动响应，振动响应在距离轨道中心线30～48 m范围的区域出现振动放大区，轴线处的振动放大效应较大。

2.1.2 换乘层测点的振动响应

换乘层各测点的峰值振动加速度如图3所示。通过图3可以看出：当列车进出站时，振动响应虽然通过混凝土框架柱进行竖向传递，但是楼板跨中的振动响应大于混凝土框架柱处的振动响应，换乘层楼板处的竖向振动峰值加速度明显大于其它2个方向，说明梁、楼板等构件组成的换乘层具有较大水平、纵向刚度。

图3 列车进出站时测点的振动响应

2.1.3 站台层测点的振动响应

站台层的峰值振动加速度如图4所示。通过图4可以看出：测点不同方向的衰减规律并不一致，顺轨方向与垂轨方向的峰值振动加速度处于同一数量级，竖向峰值振动加速度随着与轨道中心线距离的增大，振动响应逐渐衰减，顺轨方向与垂轨方向的振动加速度在跨中出现大幅度的下降，说明站台跨中位置的水平、纵向刚度较大；当站台层2个方向的列车同时通过车站时，其竖向振动响应在站台跨中出现峰值。

在地铁列车不同行驶工况下，站台层测点的竖向峰值振动加速度并不总是大于顺轨方向与垂轨方向的峰值振动加速度。因此，结构的水平、纵向稳定性亦应该受到重视。

图4 列车不同方向通车时测点的振动响应

2.1.4 楼板层测点的振动响应

为了考虑地铁列车振动响应的竖向传递，本应将楼板测点布置在断面2，但是人行荷载与高铁列车的振动响应在本次测试中对楼板布点的影响较大，因此将测点布置于断面3。由于地铁列车在断面1与断面3进行制动进站与起动离站，因此可用其数据反映不同结构层的竖向传递。

不同结构层的振动响应如图5所示。由图5可以看出，由地铁列车引起的振动响应在不同结构层呈现指数形式的衰减，传递到候车厅楼板层的峰值振动加速度较小。

图5 不同结构层的振动响应

2.2 站房结构振动的时域

在地铁列车荷载作用下，各测点的振动响应信号呈现明显的周期性和持续性，持续振动时间约为20 s。地铁列车单向通过南昌西站时，站台层测点S2的时域曲线如图6(a)所示，当2个方向行驶的列车交叠测到时，站台层测点S2的时域曲线如图6(b)所示。由图6可以直观看出：测点的峰值振动加速度随时间先增大再变小，并在较低的水平逐渐趋于平稳，反映了振动的衰减趋势；当2个方向行驶的地铁列车对站台层测点均有影响时，能够明显看出时域曲线振动响应特性的叠加。

图6 列车不同方向通车时测点的振动响应

2.3 站房结构振动的频域

为了研究站房结构不同结构层、不同测点的振动响应特性，对地铁列车单向通过南昌西站时楼板结构层的频域进行分析。

2.3.1 站房结构不同结构层的振动响应特性

站台层测点S2的频域曲线如图7(a)所示、换乘层测点H3的频域曲线如图7(b)所示、楼板层区域1测点A1的频域曲线如图7(c)所示、楼板层区域2测点3的频域曲线如图7(d)所示。

由图7可以看出：站房结构不同结构层具有不同的振动响应特性，地铁列车经过时，随着距离振源高度的增大，地铁对楼板的振动响应由高频逐渐向低频衰减，站台层的振动主频集中在0～300 Hz，换乘层、候车厅楼板层的振动主频主要集中在0～100 Hz，其中60 Hz频率附近的振动随距离振源高度的衰减最慢。通过对地铁工况的对比分析，可以看出地铁列车制动进站的频域成份比地铁列车匀速通过车站时更加丰富。

2.3.2 测点的典型频谱特性

选择候车厅楼板测点B1，B4，A1，A3，分析楼板层测点的振动特性。选择站台层跨中测点Z2，换乘层25 m跨度楼板的跨中测点H3，分析其三维方向振动特性。楼板测点、车站不同结构层不同方向的振动特性频谱分析如图8所示。

图7 不同结构层测点的频域曲线

通过图8(a)、图8(b)可以看出：不同跨度的楼板，测点的频域分布规律基本一致。楼板的振动主频主要集中在0～50 Hz，楼板的跨度越大，在0～10 Hz的低频范围内振动幅值越大，测点距离振源越近，低频范围的幅值越大。因此，靠近振源的楼板应该选取合适的楼板跨度。

通过图8(c)、图8(d)可以看出：站台层顺轨方向与垂轨方向的振动主频较为一致。三向振动在0～400 Hz的频率范围内均存在多处峰值，站台层的竖向振动在100～200 Hz频率范围内的幅值大于顺轨方向与垂轨方向的振动幅值；地铁的三向振动传播至高铁车站的换乘层时，车站振动响应频率向0～100 Hz移动，3个方向的频域分布基本一致，但是换乘层的竖向振动在0～20 Hz低频范围内的幅值大于顺轨方向与垂轨方向的振动幅值。

图8 车站结构各层测点的典型频域曲线

2.4 站房结构振动的倍频程

为了分析列车通过时，楼板振动水平在频域上的分布，对响应信号进行1/3倍频程分析。

2.4.1 地铁站台层的倍频程

地铁站台层距离振源较近，振动响应复杂，既能测到单向列车通过车站时的振动响应，亦能测到2个方向的列车同时通过车站(列车交叠)时的振动响应。当地铁列车单向进站时，站台层测点S1、测点S2、测点S3的1/3倍频程曲线如图9所示。当2个方向的列车同时通过车站(列车交叠)时，站台边界测点的振动响应主频及趋势与单向列车通过时的响应趋势一致。站台中部测点S2的1/3倍频程曲线如图10所示。

图9 站台层测点的1/3倍频程曲线

图10 站台层测点S2的1/3倍频程曲线

由图9和图10的1/3倍频程曲线可以看出，当地铁列车单向进站时，站台层不同方向的振动响应主频基本一致。站台边界测点的振动峰值主要出现在2.5，5，63与200 Hz，边界测点随着距离轨道中心线距离的增大，峰值点频率的振动响应衰减约8～12 db。站台中部测点的振动峰值主要出现在2.5，5，16，63与200 Hz，在频率为16 Hz的振动主频下，竖向振动比顺轨方向与垂轨方向的振动响应高约30 dB。站台层边界测点顺轨方向与垂轨方向的振动水平与竖向环境振动水平处于同一量级。靠近线路运行方向的测点S3在0～315 Hz的频率范围内，其竖向振动响应大于顺轨方向与垂轨方向的振动响应。随着距离轨道中心线距离的增大，在部分频率范围内，顺轨方向与垂轨方向的振动响应大于竖向振动响应。

由于站台层测点布置在列车一侧的端部，当2个方向的列车同时通过车站时，经过测点时速度偏小，引起的振动响应整体偏小，站台中部测点的竖向振动响应较大且明显大于其它2个方向的振动响应。在0～8 Hz的低频下，顺轨方向与垂轨方向的振动响应比单向行车时减少10～20 dB，其他振动主频下振动响应比单向行车时减少8～12 dB。

2.4.2 地铁换乘层的倍频程

地铁列车以不同方向通过时，换乘层楼板测点的振动响应主频较为一致，因此以地铁列车单向通过时，以测点H3(图2(b))的振动响应为例，其1/3倍频程曲线如图11所示，分析测点在不同方向的振动特性。

图11 换乘层测点的1/3倍频程曲线

由图11可以看出:换乘层楼板测点在不同方向的振动主频较为一致。在0～315 Hz的频率范围内，顺轨方向、垂轨方向的振动水平比竖向振动小0～20 dB，换乘层楼板的振动主频主要集中在0～100 Hz，其振动在16，63，200 Hz出现振动峰值，换乘层的竖向振动在200 Hz的频率下比站台层的振动响应减少约30 dB,说明地铁的振动响应随着距离振源高度的增大，高频成分逐渐衰减，振动主频向低频移动。

2.4.3 地铁候车厅楼板层的倍频程

选取候车厅层2块不同跨度的楼板研究板的振动特性，当楼板跨度为25 m×14 m时，测点的振动响应曲线如图12(a)所示，当楼板跨度为18 m×14 m时，测点的振动响应曲线如图12(b)所示。

图12 楼板层测点的1/3倍频程曲线

由图12可以看出:由于楼板测点D1，D2(图2(a))为板跨度1/4的点，能够反映板的振动特性，测点的振动响应在频率为2 Hz时出现小幅值的增大，说明对于大跨度的楼板，2 Hz为楼板竖向振动的敏感频率。

地铁列车的振动响应传至候车厅楼板层的振动主频主要集中在0～100 Hz，但是不同跨度的楼板具有不同的振动特性。25 m×14 m跨度的楼板在频率为6.3 Hz时，加速度振级出现第1次峰值。而18 m×14 m大跨度楼板在频率为8 Hz时，加速度振级出现第1次峰值，相同工况下，24 m跨度的楼板比18 m跨度的楼板振动响应大3～5 dB，说明板的跨度越大，结构越柔。

2.4.4 不同结构层的倍频程

为了研究地铁列车在不同结构层的振动传递特性，选取振动响应测点进行1/3倍频程分析。结构测点仅在高度上存在差异，对应的振动响应曲线如图13所示。

图13 不同结构层测点的1/3倍频程曲线

由图13可以看出：由地铁运行引起的振动响应传递到候车厅楼板层后，其振动主频主要集中在0～80 Hz。换乘层的振动峰值为16，63 Hz，候车厅楼板层的振动峰值为6.3，16，25，63 Hz。随着距离振源高度的增大，振动峰值逐渐向低频移动，在5～40 Hz的低频范围内，换乘层、楼板层的振动响应大于站台层的振动响应。

3 站房结构振动水平评价

3.1 不同结构层的振动响应

为了分析不同结构层测点的振动响应，对其平均最大振级进行分析。当地铁2号线通过综合交通枢纽车站时，不同结构层测点的振动响应见表2，候车层测点的振动响应见表3，换乘层测点的振动响应见表4；当地铁2号线以不同的方向通过综合交通枢纽车站时，站台层测点的振动响应见表5。

表2 不同结构层的平均最大振级

表3 候车层不同测点的平均最大振级

由表3可以看出：不同结构层测点的加速度振级，随着距离振源高度的增加，呈指数型减少。候车厅楼板层测点由测点B1到测点B3，振动水平传播距离每增大12 m，加速度振级平均衰减2～4 dB，振动响应在测点B4有所放大。

由表2、表4和表5可以看出：换乘层测点的竖向振动比顺轨方向与垂轨方向的振动高约3～12 dB；站台层不同位置的振动响应有所差异，其顺轨方向与垂轨方向的振动响应较为一致，振动响应较大，当列车单向进站时，在远离轨道线路的站台边缘位置其振动水平比垂向振动水平高5～7 dB。当2个方向的列车同时通过车站时，不同测点的最大振级比单向通过列车时减少4～13 dB。

表4 换乘层不同测点的平均最大振级

表5 不同作用方式下不同站台层测点的平均最大振级

3.2 振动水平评价

不同国家有不同的评价标准与振动限值，根据车站的结构形式选择美国钢结构协会AISC-11钢结构设计指南中,车站候车区的峰值加速度限值0.15 m·s-2作为评价指标。选择几组不同结构层的数据，振动响应见表6。

表6 不同评价指标的振动响应

由地铁列车引起的振动响应，站台层的振动响应超过了AISC-11钢结构设计指南的振动限值，随着距离振源高度的增大，振动响应迅速衰减，车站在其他结构层的振动响应均未超过振动限值。综合交通枢纽车站处于复杂的振动激励下，存在多种车致振动响应，研究多种振源下的振动响应，进而采取相应的减振措施，对车站结构的设计具有重要的意义。

4 结 论

(1)地铁对楼板测点的振动响应虽然通过混凝土框架柱进行竖向传递，但是楼板跨中、楼板1/4处的振动响应大于轴线处的振动响应，在距离轨道中心线30～48 m范围的区域出现振动放大区，轴线处的振动放大效应较大。

(2)在地铁列车不同的行驶工况下，站台层测点的竖向的峰值加速度并不总是大于顺轨方向与垂轨方向的峰值振动加速度。因此，车站结构的横向、纵向稳定性亦应该受到重视。换乘层的竖向振动加速度明显大于其它2个方向，说明梁、柱、楼板等构件组成的换乘层具有较大水平、纵向刚度。

(3)地铁列车经过南昌西站时，随着距离振源高度的增大，地铁对楼板的振动响应由高频逐渐向低频衰减。站台层的振动主频集中在0～300 Hz，换乘层、候车厅楼板层的振动主频主要集中在0～100 Hz。在5～40 Hz的低频范围内，换乘层、候车厅楼板层的振动响应大于站台层的振动响应。

(4)综合交通枢纽车站的振动特性，与结构自身的频率响应特性有关，本次测试在结构的自振特性开展研究。地铁列车的振动响应传至候车厅楼板层的振动主频主要集中在0～100 Hz，但是不同跨度的楼板具有不同的振动特性。25 m×14 m跨度的楼板在频率为6.3 Hz时，测点的竖向振动加速度振级出现第1次峰值；而18 m×14 m大跨度楼板在频率为8.0 Hz时测点的竖向振动加速度振级出现第1次峰值，说明板的跨度越大，结构越柔。