“桥建合一”型地铁高架车站振动与结构噪声测试研究

谢伟平，杨友志，李伟

(1.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉430000；2.金华市金义东轨道交通有限公司，浙江 金华321000)

随着城市化进程的加快，城市用地逐渐紧张，合理规划资源是城市健康发展的必然要求。高架车站作为人流量相对集中的场所，具有较大的商业开发潜质，可以有效缓解城市用地的压力。然而，高架车站的轨行区直接穿过站房，受振动和噪声影响较为严重。针对高架车站的车致振动和噪声问题，国内外学者通常采用现场实测和数值模拟的方法进行研究。冉汶民等[1−2]在频域上进行数值计算研究了高架车站的振动响应规律；李小珍等[3]现场测试了某高架车站的振动传播规律，研究结果表明：竖向振动比水平向大，且振动持时更长。以上研究对象均为“桥建分离”型高架车站，由于“桥建分离”和“桥建合一”型高架车站的振动传递路径存在较大差异，前者轨道梁与站房结构相互独立，振动传递路径为轨道梁−桥墩−基础−站房；后者轨道梁直接刚接在站房结构框架梁上，振动传递路径为轨道梁−站房。因此，“桥建分离”型高架车站的研究成果不能直接应用于“桥建合一”型高架车站。“桥建合一”型高架车站方面，王国波等[4−7]采用有限元分析方法对铁路高架站的振动衰减规律进行了研究；杨娜等[8−9]现场实测了铁路高架车站的振动和噪声响应，给出了不同区域振动和噪声的优势频段和衰减规律。以上研究均为“桥建合一”型铁路高架站，由于铁路高架站和地铁高架站的振源和结构动力特性存在一定差异，因此铁路高架站的研究成果不完全适用于地铁高架站。“桥建合一”型地铁高架车站方面，刘枫[10]采用能量统计法对站厅层噪声进行分析，并研究了材料阻尼比、弹性模量和密度等对噪声的影响；李冬冬等[11−12]采用ansys对高架车站进行瞬态分析，研究了车速和载客量等因素对站房内振动的影响。以上均采用数值模拟方法进行研究，“桥建合一”型地铁高架车站的振动与结构噪声测试研究相对缺乏。为了研究“桥建合一”型地铁高架车站的振动和结构噪声响应规律，本文选择某典型“桥建合一”型地铁高架车站进行现场实测，并基于测试结果对不同功能区进行了舒适度评价。

1 测试概况

现场实测选择某典型“桥建合一”地铁高架车站，如图1～2所示。站房共有3层，分别为地面层、站厅层和站台层，轨行区两侧为悬挑结构。站房纵向全长142.8 m，最大跨度12 m；横向全长23 m，最大跨度为8 m；地面层层高为8 m，站厅层层高为7.2 m。轨行区采用一般减振措施，主要由60 kg/m钢轨、普通弹性扣件和长轨枕整体道床组成。

图1 高架车站剖面图Fig.1 Elevated station profile

测试采用丹麦B&K 3050-B-060型土木工程振动与噪声测试系统，设备参数见表1，传感器和测试照片见图3。

图3 传感器和测试照片Fig.3 Sensors and test photos

表1 设备参数Table 1 Parameter of apparatus

图2 高架车站立面图Fig.2 Elevation of the elevated station

站厅层设3个振动传感器，分别为柱底(1号)、楼板中心(2号)和悬挑端部(3号)；休息室设1个振动传感器和2个噪声传感器，振动传感器布置在楼板中心处(4号)，噪声传感器分别布置在楼板中心处(5号)和距墙面垂直距离1 m处(6号)，均垂直于楼板高1.2 m；站台层设3个振动传感器，分别为近轨侧柱顶(7号)、楼板中心(8号)和悬挑端部(9号)；具体测点位置见图1～2。振动传感器测量量为铅垂向加速度，采样频率为500 Hz；噪声传感器分别测量楼顶板方向(5号)和墙体方向(6号)的声压数据，采样频率为14 200 Hz；测试工况为列车上行进站、上行出站、下行进站和下行出站，每组工况各测5趟车。

2 振动分析

2.1 楼板自振频率分析

为了得到站房内楼板的一阶竖弯频率，选择典型楼板进行自振频率分析，其中站厅层典型楼板厚度为0.15 m，纵向跨度为10.4 m，横向跨度为7 m，站台层典型楼板厚度为0.15 m，纵向跨度为5.87 m，横向跨度为5.1 m。根据楼板的振型特点，在楼板中心处施加冲击荷载，分析得到站厅层楼板的一阶竖弯频率为28.91 Hz，站台层楼板的一阶竖弯频率为31.25 Hz，频谱图如图4。

图4 楼板自由衰减频谱图Fig.4 Free attenuation spectrum diagram of floor slab

2.2 时程分析

为了得到列车到发站时站房内的振动响应规律，分别实测了柱顶/底、楼板中心和悬挑端部的振动。列车通过测试断面的速度关系：上行进站＞下行出站＞下行进站＞上行出站；列车停靠点与测试断面的距离关系：上行进站=下行出站＜上行出站=下行进站。图5(a)为列车到发站时站厅层楼板中心处的加速度时程图；图5(b)为列车上行进站时站台层的加速度时程图；图5(c)为列车上行进站时站厅层的加速度时程图；表2为列车上行进站时站台层和站厅层不同位置的加速度峰值平均值。分析可得以下结论:

图5 时程图Fig.5 Schedule chart

表2 加速度峰值Table 2 peak of acceleration m/s2

1)由图5(a)可知，列车上行进站时测试区振动最大，故列车车速越快，振动传播距离越短，激起的结构振动越大；

2)由图5(b)和表2可知，列车上行进站时站台层加速度峰值大小关系为：楼板中心＞柱顶＞悬挑端部；由图5(b)和表3可知，列车上行进站时站厅层加速度峰值大小关系为：楼板中心>悬挑端部＞柱底。故列车到发站时，楼板中心处为振动敏感区；

3)“桥建合一”地铁高架车站受车致振动影响更为严重，列车上行进站时，站厅层的峰值加速度为0.127～0.350 m/s2，是“桥建分离”型高架车站实测峰值加速度0.055 m/s2的2～6倍[1]。

2.3 频域分析

为了进一步研究站房内的振动衰减规律，分别对站台层和站厅层进行了频谱分析，图6(a)～6(c)为列车上行进站时站台层近轨侧柱顶、楼板中心处和悬挑端部的加速度频谱图；图6(d)～6(f)为列车上行进站时站厅层柱底、楼板中心处和悬挑端部的加速度频谱图；图7为列车到发站时站厅层楼板中心的1/3倍频程加速度级；图8为列车上行进站时站台层、站厅层和休息室楼板中心的1/3倍频程加速度级。分析可得以下结论：

1)由图6(a)～6(f)可知，楼板的振动优势频段为10～60 Hz，振动经柱顶/柱底传递到楼板中心时，10～60 Hz的振动被放大，并在楼板一阶竖弯频率附近出现共振，60 Hz以上的振动衰减较为明显；

2)对比图6(a)～6(c)和图6(d)～6(f)可知，振动经柱顶/底传递到悬挑远端时，站厅层悬挑端的优势频段为10～60 Hz，站台层悬挑端的优势频段为20～50 Hz。这一现象可能是站台层悬挑端部受雨棚立柱约束作用的影响。

图6 频谱图Fig.6 Power spectrum

3)由图7可知，列车到发站时，站厅层楼板中心处的加速度级变化趋势基本一致，大小关系为：上行进站＞下行出站＞下行进站＞上行出站；由图8可知，列车上行进站时，站台层加速度级在1～200 Hz中心频率上的加速度级均大于站厅层，最大差值为38.7 dB。

图7 站厅层楼板加速度级Fig.7 Acceleration level of floor slab of station hall

图8 列车上行进站Fig.8 Train goes up to the station

2.4 振动舒适度评价

目前，国内对车致振动的评价量主要采用国标GB10070−88规定的最大Z振级，该标准主要适用于评价列车通过对周边环境的振动影响，未对地铁高架车站这类建筑进行振动限值规定。因此，本文参考国外标准ISO 10137—2007[14]进行振动舒适度评价。

ISO 10137—2007规定了舒适度评价的2种方法：1)当加速度峰值与计权均方根加速度比值小于6时，评价指标为计权均方根加速度，评价限值为振动基本曲线与倍乘因子的乘积，计权系数采用Wd；2)当其比值大于6时，评价指标为4次方振动计量值。

城市轨道交通高架车站属于人流量较大的公共建筑，服务对象主要为乘客和车站工作人员。前者主要活动场所为站台层，虽然人口基数大，但在车站的停留时间较短，对车站振动的忍受阈值较高，故不对站台层进行舒适度评价；后者主要活动场所为站厅层和休息室，需要长期在车站办公和休息，受车站振动影响较大，故需要对站厅层和休息室进行舒适度评价。考虑到人在工作和休息时对振动的敏感程度不同，本文根据不同区域的功能特点，参考ISO 10137—2007规定的基准曲线(本文取0.005 m/s2)和不同场所倍乘因子的取值，给出了站房内不同区域的振动舒适度评价限值，如表3。

表3 舒适度评价限值Table 3 Comfort evaluation limit m/s2

表4 为列车到发站时不同测点的计权均方根加速度，分析结果可知：列车上行进站时，区域Ⅰ不符合舒适度标准。

表4 振动舒适度评价Table 4 Evaluation of vibration comfort m/s2

为了进一步研究列车到发站时站房的振动舒适度水平，给出了计权时间为1 s的计权加速度均方根时程曲线。由图9可知，列车上行进站时，区域Ⅰ～Ⅱ均会出现舒适度超标时段，其中区域Ⅰ超标持时达6.277 s，占列车通过时间的42%；区域Ⅱ超标持时达5.426 s，占列车通过时间的36%。

图9 计权均方根加速度Fig.9 Acceleration at the root of mean square

3 结构噪声分析

3.1 时域分析

为了得到列车到发站时休息室内(区域Ⅱ)的结构噪声规律，现场实测了门窗紧闭状态下休息室内的声压数据。图10为不同到发站工况下5号测点的声压时程曲线；图11为不同到发站工况下6号测点的声压时程曲线。由图10～11可知，与楼板振动规律相同，不同到发站工况下站房内结构噪声的大小关系为：上行进站＞下行出站＞下行进站＞上行出站。

图10 休息室声压Fig.10 Sound pressure in the lounge

图11 休息室声压频谱Fig.11 Spectrum of sound pressure in the lounge

3.2 频谱分析

为了进一步分析列车到发站时休息室的结构噪声规律，对声压数据进行了频谱分析，图11为列车上行进站时5号测点和6号测点的声压频谱图，图12为列车到发站时5号和6号测点的A计权分频声压级曲线。由图11可知，与站厅层楼板振动频谱图类似，休息室内结构噪声的优势频段为10～60 Hz，分析可知：门窗紧闭条件下，室内结构噪声与结构振动的相关性较大。由图12可知，不同到发站工况下，休息室内结构噪声大小为：上行进站＞下行出站＞下行进站＞上行出站。

图12 A计权分频声压级Fig.12 Lounge A on frequency division sound pressure level

3.3 结构噪声评价

为了评价休息室内结构噪声对员工休息的影响程度，采用城市轨道交通行业标准JGJT 170—2009[15]规定的等效连续A声级作为结构噪声的评价量，选择标准中定义的2类区域(居住、商业混合区)作为评价依据。由表5可知，列车上行进站、下行进站和下行出站时站厅层休息室的结构噪声均不满足规范要求的限值，超标量最高为21.02 dB。

表5 结构噪声评价Table 5 Structural noise evaluation dB(A)

4 结论

1)地铁“桥建合一”高架车站受车致振动和结构噪声影响比“桥建分离”高架车站严重，前者站厅层峰值加速度是后者的2～6倍。

2)楼板的振动优势频段为10～60 Hz，相比于柱顶/底，楼板10～60 Hz的振动被放大，并在楼板一阶竖弯频率附近出现共振；受雨棚立柱的约束作用，站台层悬挑端部的振动放大程度弱于站厅层。

3)对站厅层不同功能区进行振动舒适度评价时，站厅层(区域Ⅰ)不满足舒适度要求，同时各功能区均出现振动超标时段，站厅层(区域Ⅰ)超标时段占列车通过时段的42%，休息室(区域Ⅱ)占36%。

4)相比于振动影响，地铁“桥建合一”高架车站的结构噪声超标更为严重，最高可达21.02 dB；频谱分析可知，休息室内的声压频谱图与站房内楼板加速度频谱图趋势一致，优势频段均为10～60 Hz，因此可通过局部楼板减振来达到降噪效果。