南昌地铁4号线列车运行对南昌西站站房结构的振动影响*

崔聪聪 雷晓燕张 凌

（1.江西省交通设计研究院有限责任公司，330052，南昌；2.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，330013，南昌∥第一作者，助理工程师）

大型综合交通枢纽车站大多由高架层、高架夹层、站台层与地下层等组成。我国近年才开始建设这种现代化的大型综合交通枢纽，国外亦少见。枢纽车站的地下层同时穿过多条地铁线，使车站建筑处于非常复杂的振动环境中。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，但是地铁列车对综合交通枢纽车站的振动特性研究仍十分匮乏。国内外对地铁列车运行所引起的环境振动研究大多采用数值模拟的方法［1-3］和现场试验法［4］。文献［5-6］通过现场实测的方法分析了地铁列车运行对与地铁合建的建筑结构环境振动特性的影响。文献［7］对大跨度车站结构精细化模型进行了研究。

南昌西站是南昌市的大型综合交通枢纽，主体由下到上依次为地下层、轨道层、高架层、高架夹层。铁路南昌西站候车厅位于地上二层，地铁2号线、4号线从地下层下方穿越。为研究在地铁4号线列车行驶激励下枢纽车站的振动响应，应用有限元软件Ansys，建立了南昌西站模型。通过分析在不同隧道埋深、不同列车行驶速度下南昌西站站房结构的振动响应，得到地铁列车行驶激励下站房结构的振动响应规律，进而评测地铁列车运行对站房结构的影响。

1 综合枢纽车站——南昌西站的计算模型

铁路南昌西站候车厅层位于整个站房结构地上二层，标高约8.5 m。南昌西站东西方向的柱网间距为 18.0 m，18.0 m，18.0 m，25.0 m，18.0 m，18.0 m，18.0 m；南北方向的柱网间距为22.0 m，30.0 m，51.5 m，53.0 m，42.0 m，42.0 m，53.0 m，51.5 m，30.0 m，22.0 m。地铁2号线隧道埋深14 m，以南北方向运行通过南昌西站；地铁4号线隧道埋深19.3 m，以东西方向通过南昌西站。线路布置图见图1。

图1 南昌西站线路布置示意图

南昌西站是新型客运枢纽站，设有铁路南昌西站，同时通行2条地铁线路。利用ANSYS软件建立南昌西站土体-地铁隧道-站房结构整体模型。利用无砟轨道双层梁模型［8］对地铁4号线轮轨力进行数值模拟，对整体模型施加地铁列车行驶激励，计算分析地铁列车以120 km/h的速度通过南昌西站时，距离地铁轨道中心不同地面点的振动响应。振动响应峰值加速度见表1。通过距离地铁轨道中心线不同地面点的振动响应可以看出列车通过时振动加速度的变化情况：隧道壁的振动加速度幅值大于地面；地面振动加速度值随着与地铁线路中心线距离的增加而减少；如果以峰值加速度作为考量，距离地铁轨道中心线24～36 m、60～72 m的地面区域呈现振动放大。

选取隧道壁、距离隧道轨道中心线0 m的地面响应点，以及距离隧道轨道中心线24 m的地面关键点，对这3个点进行频谱曲线分析（见图2）。

从隧道壁关键点到距离轨道中心线24 m处的地面点，振动加速度主频逐渐向20 Hz移动，说明高频振动会随着距离增加而逐渐衰减，而低频振动衰减缓慢。数值模拟的振动变化规律与实测情况相符，可以确认此加载方法的正确性。

表1 120 km/h速度下不同观测点的振动响应

图2 不同响应点的频谱曲线

2 时域与峰值加速度分析

2.1 隧道埋深相同、列车速度不同时站房结构振动响应

南昌地铁4号线隧道埋深19.3 m。分别计算南昌西站站房结构在列车以60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h不同速度下的振动响应。

2.1.1 关键点的布设

（1）楼板层关键点：选取18 m长的楼板跨中位置，距离轨道中心线 0 m、12 m、24 m、36 m、48 m 的关键响应点，标为L1、L2、L3、L4、L5（见图3 b））；

（2）商业夹层关键点：选取上述楼板关键点正上方对应的点,作为商业夹层关键点，标为 S1、S2、S3、S4、S5（见图3 c））。

2.1.2 关键点的振动响应

地铁4号线列车以不同的速度通过南昌西站时，不同结构层的峰值加速度见表2。

通过相应的时域响应曲线可知：不同结点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；在相同的速度下，不同结构层的时域响应曲线总体趋势较为一致；同一结构层的时域响应曲线在不同速度下的变化趋势较为一致，速度越大，越早出现振动峰值。由于4号线的轨道中心线距离南昌西站站层关键点水平距离有35 m，所以对上部结构的振动响应较小。随着与轨道中心线间距离的增大，楼板关键点的峰值振动加速度迅速减少。

2.2 隧道埋深不同、列车速度相同时站房结构振动响应

2.2.1 关键点的布设

选取不同结构层的关键点分析振动响应：关键点V1位于南部楼板25 m跨中处，与轨道4号线垂直距离72 m；关键点V2位于距离轨道中心线0 m、楼板跨度为25 m的跨中处；关键点V3位于大跨度商业夹层距离轨道中心线0 m、楼板跨度为25 m的跨中处；关键点V4位于轨道层，距离轨道中心线0 m。关键点布设见图3，关键点V2、V3、V4仅在高度上有差异。

2.2.2 关键点的振动响应

4号线列车以120 km/h通过时，4号线在14.0 m、16.0 m和实际的19.3 m等3种不同埋深下，不同结构层关键点的振动响应见表3。由表3可知，通过计算南昌西站不同结构层关键点的振动响应峰值加速度，4号线采用不同的埋深，上部结构层的振动响应较小，主要是因为土体差异和距离关键点不同的影响。

图3 楼板层关键点的布设

表2 同一埋深、不同列车速度下各关键点的振动响应m/s2

表3 120 km/h速度下隧道不同埋深关键点的振动响应m/s2

当4号线隧道埋深19.3 m、以120 km/h速度通过南昌西站时：① 分析 V1、V2、V3、V4不同方向的加速度见表4，可以看出竖向峰值加速度与横向、纵向的峰值加速度相差一个量级，说明土体对横向、纵向的加速度影响较大。②对于不同结构层的框架柱关键点 A、B、C、D、E（具体位置见图 3 b）），分析其竖向峰值加速度见表5，可以看出：地铁层的振动通过框架柱向上传递至高架层；随着距轨道中心线距离的增大，振动响应迅速减少。

表4 各关键点不同方向的振动响应m/s2

3 站房结构频域分析

地铁4号线以隧道实际埋深19.3 m通过枢纽站房时，在地铁行驶激励下可对站房结构不同节点的加速度时程进行快速傅里叶（FFT）变换，得到不同结点的加速度功率谱。

由加速度功率谱可知，地铁引起的结构层振动主频在0～60 Hz范围内，同一关键点在不同速度、不同隧道埋深下的频谱特性较为一致。其中：0～40 Hz附近的振动随距离衰减最慢，合建建筑结构上部结构的振动频率分布特性基本上一致，楼板层的频率分布主要集中在0～60 Hz范围内；商业夹层的频率分布主要集中在0～40 Hz范围内。这说明随着高度的增大，结构层的高频成分衰减较快。

通过楼板关键点在不同埋深处的频谱曲线可以看出，随着距隧道振源距离的增大，楼板的振动主频向低频移动。通过关键点在不同方向的频谱幅值可以看出，竖向振动响应幅值大于横向、纵向的振动响应幅值，3个方向的振动主频较为一致。

表5 不同结构层框架柱关键点的峰值加速度 m/s2

4 振动水平评价

4号线以120 km/h的速度通过南昌西站时，各关键点在不同隧道埋深下的竖向最大Z振级见表6。由表6可知：随着隧道埋深的增加，最大Z振级逐渐减弱；同一车速下，埋深每增加2 m，不同结构层Z振级衰减2～4 dB。

表6 不同隧道埋深下不同关键点的最大Z振级dB

当地铁4号线隧道埋深为19.3 m时，列车以不同速度通过南昌西站，各关键点的竖向最大Z振级如表7所示。由表7可知：车速每增加20 km/h，不同结构层Z振级增大1～3 dB。

表7 关键点的竖向最大Z振级dB

地铁4号线在隧道埋深19.3m时，列车以120km/h的速度通过南昌西站时，不同结构层的关键点V2、V3、V4在不同方向的振动响应见图 4 a）、4 b）、4 c）。

图4 不同关键点的1/3倍频程曲线

通过图4的3个1/3倍频程曲线可以看出，南昌西路结构在分析频率范围内的竖向振动响应大于横向、纵向振动响应，竖向比横向、纵向高9～12 dB。关键点出现最大加速度振级的频率随着结构高度的增大逐渐向低频移动，楼板层出现最大振级对应的频率接近12 Hz，轨道层接近31 Hz，商业夹层接近9 Hz。

5 结语

（1）如果以峰值加速度作为考量，则振动放大区域出现在地面24～36 m及60～72 m处。随着距振动源距离的增大，高频振动会随着距离增加而逐渐衰减，而低频振动衰减缓慢。

（2）地铁4号线通过南昌西站时，土体对横向、纵向的加速度影响较大。楼板层的竖向峰值加速度与横向、纵向的峰值加速度相差一个量级，地铁层的振动通过框架柱向上传递至高架层。

（3）南昌地铁引起的结构层振动主频为0～60 Hz，其中20 Hz和40 Hz附近的振动随距离衰减最慢。随着高度的增大，结构层的高频成分衰减较快。

（4）在地铁列车行驶激励下站房结构的Z振级随着隧道埋深的增加逐渐减弱；同一车速下，埋深每增加2 m，不同结构层的Z振级衰减2～4 dB；同一埋深下，车速每增加20 km/h，不同结构层的Z振级增大1～3 dB。

（5）通过模型仿真研究了南昌西站这一大型综合交通枢纽车站在地铁荷载作用下，不同结构层关键点的振动响应特性。但由于结构模型较大，节点数量众多，且为了节约计算时间，仅讨论了列车在较高运行速度（120 km/h）的情况。因此，结构模型的精细化仍需完善，振动特性有待进一步深入研究。