地铁车辆段咽喉区临近建筑物的振动响应特性分析*

2021-07-21邬玉斌宋瑞祥吴雅南刘必灯

城市轨道交通研究 2021年7期

邬玉斌宋瑞祥何蕾吴雅南刘必灯

(北京市劳动保护科学研究所， 100054，北京∥第一作者，研究员)

地铁车辆段咽喉区具有轨缝多道岔多、曲率半径小等特点，是车辆段振动噪声影响最为严重的区域，也是车辆段上盖物业开发工程振动控制的重点和难点。部分学者对车辆段咽喉区地铁列车通过产生的振动源强及其正上方车辆段平台和上盖建筑的振动响应开展了一些测试研究工作[1-4]，但关于咽喉区线路临近地区建筑物的振动影响研究还未见有报道。由于建筑基础条件、振动传播路径等方面存在差异，咽喉区上盖建筑物的振动响应必然有别于临近地区建筑物振动响应的特征。

另外，地铁车辆段咽喉区多为地面线，列车运行产生的振波在岩土中的传播过程、频率特征及对建筑结构的作用机理也不完全同于地铁正线和其他地下线路[5-11]，因此有必要对车辆段咽喉区临近地区建筑物的振动响应特征进行研究，为车辆段物业开发的振动控制提供参考依据。

1 测试方案

1.1 测试对象

本文以某地铁车辆段咽喉区临近的新建建筑物为研究对象进行测试分析。该建筑物与车辆段咽喉区线路的最小距离约为31 m，咽喉区线路的设计车速为25 km/h，列车采用6节编组B型车。该建筑物为地下2层、地上18层的框架剪力墙结构，建筑基底埋深为9 m，采用筏板基础，建筑物沿线路方向长为105 m，如图1所示。

图1 地铁咽喉区线路与测试建筑物的位置示意图

1.2 测试方案

本次测试仪器包括：①INV3018C 8通道24位高精度采集仪，其最高采样频率为51.2 kHz，动态范围为0～110 dB；②Bruel&Kjaer8344型加速度传感器；③DASP数据采集及分析软件。

如图2所示，建筑物的西侧为减振垫碎石道床地面线，东侧为地面线转为地下线的U型槽整体道床过渡段。布设3个场地土测点，其中：测点1和测点2对应减振垫碎石道床地面线；测点3对应U型槽整体道床线路。此外，针对源强特点在建筑物的东、西两端4个房间的中心点处布设振动测点，其中：房间1和房间3的几何形状相似；房间2和房间4的几何形状相似。

图2 测点布置图

本次研究共开展了3次测试：第1次为建筑物修至12层时，对3个场地土测点及4个房间的1层楼板进行同步测试；第2次为建筑物主体结构完成、室内未砌筑隔墙时，对不同楼层的房间1和房间2进行振动测试；第3次为建筑物的1～8层砌筑隔墙完成、其余楼层尚未砌筑隔墙时，对房间1(1层、4层、12层、16层)和房间2(1层、4层、6层、12层、16层、18层)进行有无隔墙的对比测试。

1.3 评价量

地铁列车运行产生的振动以竖向振动为主，因此本文仅对竖向加速度进行测试分析，并以全频段振动加速度级作为评价量。振动加速度级的计算公式为：

(1)

(2)

式中：

L——振动加速度级，dB；

a——振动加速度有效值，m/s2；

a0——基准加速度，a0取10-6m/s2；

a(t)——加速度时程；

T——加速度持续时间，s。

2 实测数据分析

2.1 对场地土的振动测试

振动测试时停止了其他干扰振源，并进行了背景环境振动测试。如图3所示，地面背景环境振动实测加速度峰值仅约0.000 4 m/s2，说明测试条件良好、外界振动干扰非常小。

图3 背景振动加速度时程图

对场地土的3个测点和建筑物第1层4个房间的楼板中心点进行同步地铁列车振动测试。图4为场地土测点实测得到的典型地铁列车振动加速度时程曲线。由图4可知，由于列车运行速度较慢，其振动影响的持续时间较长，约为32 s。

如图5所示，3个测点的振动加速度频谱特性存在较大差异：测点1和测点2靠近减振垫碎石道床地面线，其低频振动相对显著，主要振动频率集中在10～20 Hz，最大振动峰值约为12 Hz。由于测点1靠近道岔，其振动影响大于测点2；测点3的高频振动成分更多，主要振动频率集中在50～70 Hz之间，最大振动峰值约为63 Hz。

a) 测点1

b) 测点2

c) 测点3

图5 场地土3个测点的振动加速度频谱

图6为场地土3个测点的振动加速度级时程曲线，可以看出：测点3的振动最大，测点1的振动其次，测点2的振动最小。这是因为测点3对应的线路无轨道减振措施，而测点1和测点2对应的线路采用了减振垫+碎石道床的减振措施。测点1、测点2、测点3的振动加速度级峰值分别为82.0 dB、78.2 dB和84.3 dB。

2.2 对建筑物1层楼板的振动测试

图7为测试建筑物1层楼板的振动加速度级时程曲线图。如图7 a)所示，位于建筑物西侧的房间1和房间2的振动响应相差不大，其实测振动加速度级最大值分别为79.8 dB和78.7 dB。相比室外场地土测点1的实测数据，房间1和房间2的振动加速度级最大值分别衰减了2.2 dB和3.5 dB；如图7 b)所示，位于建筑物东侧的房间3和房间4的振动差异明显，房间4振动明显小于房间3，两者的振动加速度级最大值相差4.3 dB。相比室外场地土测点3实测数据，房间3和房间4的振动加速度级最大值分别衰减了6.3 dB和10.7 dB。

图6 场地土3个测点的振动加速度级时程曲线

a) 建筑物西侧

b) 建筑物东侧

由此可知，测试建筑物东侧场地的土振动实测值大于西侧的土振动实测值，但西侧房间室内的振动大于东侧房间室内的振动，这说明低频列车振动荷载对西侧室内楼板的激励作用更为显著。

图8为测试建筑物1层楼板的室内振动加速度频谱图。从图8可以看出，4个房间在10～12 Hz均存在振动波峰，这与图5的场地土振动波峰相接近。此外，房间1在38 Hz存在1个非常明显的振动波峰;房间2振动频率范围较广、存在多个频率波峰，房间2楼板振动主频为22 Hz左右，这说明即使在相同荷载作用下，不同房间的振动响应也可能存在较大差异。

图8 测试建筑物1层楼板的实测加速度频谱

本文对房间1和房间2的1楼楼板进行了模态分析。这2个房间的楼板厚度均为0.11 m，房间1的尺寸为6.3 m(长)×8.2 m(宽)，房间2的尺寸为7.6 m(长)×4.7 m(宽)。楼板材料参数均按C25混凝土参数取值。由于楼板由剪力墙或断面尺寸较大的梁构件分割而成，楼板四周边界采用全约束固定。如图9所示，房间1和房间2的楼板第1阶固有频率分别为38 Hz和22 Hz，楼板振动响应的实测频率峰值与楼板固有频率的计算结果较为接近。

a) 房间1(38 Hz)

由于房间2的固有频率相对较低，且同地铁列车振源主频接近，所以虽然房间2距离地铁线路较远，但其振动响应与房间1相比并无较大衰减。建筑物东侧的振源主频较高，且大于房间3和房间4楼板的第1阶自振频率，地铁列车激振源强主频和楼板自振频率无共振现象，因房间4与地铁线路的距离较远，其振动小于房间3的振动。房间3和房间4的振动频率集中在50～80 Hz，这与东侧地铁列车振源频谱特征相吻合。由此可知：建筑物楼板振动响应受到楼板自振特性及源强频率特性的共同影响，在进行结构设计时应尽量避免地铁列车振动荷载与建筑楼板的共振作用。

2.3 振动随楼层的分布规律测试

为了解地铁列车振动影响随楼层的分布规律，在主体结构完成、尚未砌筑隔墙时，对不同楼层所对应的房间1和房间2的进行现场振动测试。如图10所示，楼板振动随楼层的递增呈波动性变化，在相同列车荷载作用下，2个房间的振动变化规律有所不同：房间1的振动最大值出现在第4层，房间2的振动最大值出现在第12层；在1～10层房间1的振动大于房间2的振动，在11层及以上房间2的振动大于房间1的振动。

图10 测试建筑物各楼层内房间1和房间2的振动加速度级

图11给出了10 Hz、35 Hz、60 Hz、80 Hz 4个频率下振动加速度级随楼层的变化情况。从图11可以看出：①房间1在 10 Hz和35 Hz下的振动较大，在35 Hz下振动随楼层升高而增大，在10 Hz下振动随楼层升高呈衰减趋势；在60 Hz和80 Hz高频下房间1的振动相对较小，仅随楼层小幅度波动变化。②房间2的低频振动较为显著，10 Hz下的振动最大，且随楼层升高线性增大;房间2在35 Hz下振动随楼层呈波动性衰减，60 Hz和80 Hz高频下的振动随楼层变化不大。

a) 房间1

b) 房间2

2.4 隔墙对楼板振动的影响测试

建筑物室内增设隔墙后会改变楼板的自振频率特性，进而影响室内楼板的地铁列车振动响应特征和分布规律。为此，对房间1和房间2在有隔墙振(1～8层)和无隔墙(9～18层)2种情况进行了对比测试，测试现场如图12所示。

a) 无隔墙的楼层

实测结果表明：隔墙可降低楼板的振动加速度级。对于有隔墙的1层和4层，房间1实测得到的振动加速度级分别为69.8 dB和68.9 dB，2个楼层的振动加速度级平均值为69.4 dB；对于无隔墙的12层和16层，房间1实测得到的振动加速度级分别为74.3 dB和76.2 dB，2个楼层的振动加速度级平均值为75.3 dB。由此可计算得到，增设隔墙后楼板振动的平均减小量为5.9 dB。

房间2的测试结果如下：对于有隔墙的1层、4层和6层，房间2实测得到的振动加速度级分别为70.7 dB、69 dB和69.3 dB，3个楼层的振动加速度级平均值为69.7 dB；对于无隔墙的12层、16层和18层，房间2实测得到的振动加速度级分别为82.6 dB、79.2 dB和78.7 dB，3个楼层的振动加速度级平均值为80.2 dB。由此可计算得到，增设隔墙后楼板振动的平均减小量为10.5 dB。

图13为房间1、房间2的振动加速度1/3倍频程谱。如图13所示，隔墙能够改变楼板的振动频谱特征。砌筑隔墙后，房间1的楼板振动峰值从砌筑隔墙前的31.5 Hz提高至50.0 Hz，房间2的楼板振动峰值则由砌筑隔墙前20.0 Hz增加至25.0 Hz，这说明隔墙增加后提高了楼板固有频率，避开了地铁列车的振动主频，从而降低了地铁列车振动对模板的影响。