穗莞深城际铁路高架车站振动实测与分析

蔡陈之，邓苏鹏，何旭辉，邹云峰，于可辉，吴业飞

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙410075；2.中南大学 轨道交通工程结构防灾减灾湖南省重点实验室，湖南 长沙410075；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉430063)

近年来，我国城市化发展迅速，城市区域不断扩大，城市之间的交通连接越来越重要，因此城市轨道交通获得了巨大的发展空间。在城际铁路的发展过程中，采用高架桥梁的城际线路得到了广泛应用。高架线路由于具有施工周期短、线路平顺性好、能克服软土膨胀土等不良条件的优点，在新建的铁路客运专线中所占的比例往往达到70%以上[1]。因此，伴随高架桥梁出现的高架车站在城际铁路线路上有着广应用。高架车站根据结构体系的不同，按照站台结构和桥梁结构是否为一个整体结构，可以区分为“站桥合一式”车站和“站桥分离式”车站[2]。“站桥分离式”车站的剖面如图1所示，采用高架车站，相比其他类型的车站具有显著的优势。由于高架车站第1层一般为架空层，所以城际列车的运行并不会对公路运输以及行人通过造成影响，为城市节省相应的占地空间，且其结构形式外形美观，便于乘客分流。但是采用高架车站同样会有一定的缺点，由于候车大厅等结构一般直接位于铁路线路的正下方，当列车通过时，车辆−轨道−轨道板−桥面的动力作用会使下部的站房结构产生明显的振动[3]。若振动过大，将会影响设施设备的正常使用，同时会降低工作人员的工作效率，也会给旅客带来不同程度的生理、心理影响。国内外研究者对列车引起的高架车站振动进行了一系列系统的研究。LIU等[1]对城际列车运行引起高架车站的环境振动进行了实地测量；YANG等[2]实测了列车以不同速度通过时“站桥合一式”车站的振动响应；冉汶民等[4-5]实测了城际列车通过时引起高架车站的振动和噪声，并建立了站房结构振动响应频域分析模型；XIN等[6]研究了钢轨打磨前后列车造成的振动响应对比；崔聪聪等[7]实测了地铁振动激励，采用ANSYS软件模拟了高架车站站房结构的振动；冯青松等[8]运用统计学方法对比振动测试数据的离散特性，分析了不同区域的振动特性；XIA等[9]研究了列车荷载作用下高架结构振动的产生机理，分析了不同类型高架桥的振动对环境的影响；孟庆成等[10]实测了高架车站候车厅的振动响应并建立模型对车站现有减振系统进行了优化设计。CUI等[11]构建了高架车站与轨道结构的耦合系统，并得到了动载作用下高架车站的振动响应和轨道结构的力学性能。方联民等[12]构建了动力模型，研究了列车制动时高架车站的振动响应。研究者对列车引起的高架车站振动进行了理论分析、数值模拟以及现场实测。但是，对于列车在进站、出站、越行3种情况下引起高架车站振动的差异，并没有进行详细的研究。本文实测了穗莞深城际铁路高架车站的振动响应，分析了高架车站在列车进站、出站、越行引起的振动差异的原因。

图1 高架车站剖面Fig.1 Section diagram of elevated station

1 实验概况及实验方案

1.1 车站概况和测点布置

穗莞深城轨道交通长安站位于广东省东莞市长安镇振安路路中，实景示意图如图2所示。长安站属于“站桥分离式”的线下桥式车站，站台结构与铁路桥梁结构两者分离。线下桥式车站是指站房主体位于桥体及线路正下方的高架车站[13]。车站站房共分3层；第1层为架空层，为市政道路的区域；第2层为设备管理用房及站厅层，包含候车大厅和办公室等车站的主要区域；第3层为站台，站台为侧式站台，轨道板采用无砟轨道板。

图2 长安站实景Fig.2 Chang-an intercity railway station

该城际铁路为双线客运专线，设计速度为140 km/h，正线线间距4.6 m。高架桥箱梁支撑于桥墩上，轨道梁采用30 m双线预应力混凝土简支梁。站台端里程由DK61+816.00到DK62+026.00，有效站台长度为210 m，横跨8个桥墩。站厅层底面距地面高度为8.19 m，站台层底面到地面高度为18.39 m，轨道高度位于站台层底面以下1.25 m处。

为了得到高架车站不同区域的振动水平，本次实验在站台层和站厅层分别布置了多个测点进行分析，测点加速度传感器均布置在各层的地面。在2楼的站厅层的候车区布置了5个测点A1到A5，布置示意图见图4。其中候车区域的A1测点位于双线路中心线正下方，A2测点距离双线中心线距离4.0 m，A3到A5测点距离双线中心线距离均为8.0 m，沿列车运行方向每3 m分布一个。每个测点均布置了2个或3个加速度传感器，可以得到测点的竖向振动加速度和水平振动加速度。

图3 测点布置示意图Fig.3 Schematic diagram layout of measuring points

图4 测点实际布置示意图Fig.4 Schematic diagram field layout of measuring points

在3楼的站台层同样布置了2个测点B1和B2，布置示意图见图4。B1测点距离双线路中心线距离8.2 m，与第2层的A3到A5测点到中心线的距离十分接近；B2测点距离中心线约13 m。在每个测点同样布置了2个加速度传感器，可以得到竖向和水平的振动加速度。

1.2 实验仪器

本实验振动加速度传感器采用941B型振动加速度传感器，941B型传感器灵敏度为0.3(V∙s2)/m，最大加速度量程为20 m/s2，分辨率为5×10−6m/s2；信号采集分析系统采用东方所INV3062V智能数据采集系统。各传感器和采集系统采集仪在实验前均经过标定，以保证采集信号的有效性。振动测试采样频率为1 024 Hz。

图5 941B型振动加速度传感器Fig.5 941B ultra-low frequency accelerometers

2 振动评价标准及方法

对于得到的振动加速度信号，先后进行时域分析、FFT频域分析以及1/3倍频程分析。评价振动大小采用加速度级，振动加速度级VAL定义如下：

式中：arms为振动加速度有效值，m/s2；aref为基准加速度，aref=10-6m/s2。arms按下式计算：

为了减少背景振动对观测数据的影响，采用如下方法消除背景振动的影响，

式中：VAL为去除背景振动后的加速度级；VALA为含背景振动的加速度级；VALB为背景振动的加速度级。本文选择垂向Z振级VLZ进行分析，并按人体Z记权因子计算振级[14]。

3 测试结果分析

3.1 时域分析

穗莞深城际铁路开行动车组为CRH6A型动车组，按8节编组。实测时，记录了车辆进站、出站以及越行时的速度平均值。

现场实测记录了多组无列车通过时的背景振动加速度水平，由于实验时无明显的干扰振源，地面上的各测点背景振动加速度时程有效值均在2×10−3m/s2之内，各个工况的详细实测信息见表1。

表1 不同工况下实测基本信息Table 1 Basic information of test

站台层的B1测点与候车大厅的A3-A5测点距离线路中心线的距离比较接近，所以分析上下2层车站振动时，主要选取这些测点的加速度数据进行比较。

由于进站出站振动持续时间长，选取一次进站出站过程，给出测点的振级时程如图6所示。由图6可以直观看出：列车进站出站时，引起持续振动加速度级(VAL)均在80～110 dB范围内，且站台层的振动要明显大于站厅层的振动，但振动随着到振源距离的增大，衰减现象比较明显。图7则给出了列车越行时各测点的时域曲线。可以看出列车越行时，整个时间段内振动加速度数值较大。

图6 列车进站出站时竖向振级时程(图中加速度方向均为竖向)Fig.6 Time histories of train arrival and departure(acceleration direction is vertical)

图7 列车越行时测点时域曲线(B1,B2,A3为测点号)Fig.7 Time histories comparison of train overtaking(B1,B2 and A3 are measuring points)

选取3个工况下典型数据进行对比分析，得到各测点竖向加速度和水平加速度峰值如表2和表3所示。从表2可以看出，距离轨道中心线相同时，站台层的竖向振动响应大于站厅层。列车越行经过时，列车速度平均值最大，因此振动加速度最大值和平均值要远大于出站进站的对应数值。这表明列车车速是影响振动加速度大小的主要因素。

对比表2和表3可以看出，测点的水平加速度值基本小于竖向加速度值。但在远离轨道中心线时，水平振动加速度会出现大于竖向振动加速度的情况，这表明水平振动加速度沿距离方向衰减并不明显，部分测点甚至出现放大现象。

表2 各测点竖向加速度峰值Table 2 Vertical acceleration peak of measuring points

表3 各测点水平加速度峰值Table 3 Horizontal acceleration peak of measuring points

3.2 频域分析

3.2.1 测点频域分析

对各测点进行频域分析，限于篇幅，只选取了进站时测点的频域曲线图(图8)。通过频域分析发现，列车荷载对楼板的振动响应基本一致，站台层和站厅层的各测点振动主频集中在0～100 Hz，各测点的频谱峰值均在50 Hz左右。由图8可以看出，竖向振动在25～100 Hz频率范围内，随着到振源距离的增大，衰减比较明显；但在0～25 Hz频率范围内，随着到振源距离的增大，衰减不明显，因此在距离列车中心线较远的测点，0～25 Hz频率占比，要大于靠近列车中心线的测点。对比站台层和站厅层的2个测点，可以得出同样的结论，即列车引起的振动传递到远处时，高频段的振动衰减要明显大于低频段的衰减值，因此对于距离振动源较远的测点，低频振动所占比例会有所增大。

图8 列车进站时测点频域曲线Fig.8 Spectrum of acceleration levels of train arrival

对于越行时的列车频域曲线，站台层和站厅层的各测点振动主频基本同样集中在0～100 Hz，测点的频谱峰值位于50～70 Hz之间。但在55 Hz左右的竖向振动加速度峰值，越行时的最大值为19.7 mm/s2，要远大于进站出站时的竖向振动加速度峰值3.39 mm/s2。这表明了越行时在峰值频段，竖向振动加速度峰值要远大于进站和出站的对应数值。

3.2.2 频域衰减传递规律分析

由上节可知，各频段范围的加速度变化具有一定的规律。由于测点55 Hz处均具有较高的振动加速度水平，图9给出了列车在不同运行状况时，在下层站厅层(候车大厅)，55 Hz的竖向振动加速度的沿轨道中心线距离的变化，数值选取了测点在该频率处的最大加速度值。

图9 55 Hz处振动加速度与距离关系Fig.9 Relationship between vertical acceleration levels at 55 Hz and distance

距离轨道中心线0～8 m范围内，峰值频率的振动加速度并不是随着距离的增加而减小。在距离中心8 m处，振动加速度达到最大值。由于高架车站的结构较为复杂，振动从轨道传递到下层的站厅层主要是通过墩台和柱结构。而8 m处位于结构墩台中心，因此振动从上层直接传递到该处，产生了较大的振动加速度，这一结论与数值模拟文献[12]中得到的结果有相似之处。

图10给出了在不同频段上，站厅层振动加速度沿轨道中心线距离的变化。选取了3个靠近频谱峰值的频率40，55和60 Hz，同时选取了一个低频频率10 Hz进行对比。由于越行时具有较大的振动加速度水平，因此选取了越行时的振动加速度数据进行对比。

图10 列车越行时不同频段加速度与距离关系Fig.10 Spectrum of measured acceleration levels of train overtaking

从图10可以看出，40，55和60 Hz的振动加速度，均在距离中心线8 m处有较大的数值，而10 Hz的振动加速度沿距离并没有明显变化。这也表明，在距离中心线8 m处，由于高架车站的较为复杂的振动传递，在振动传递结构(墩台)的中心处，振动在峰值频率附近出现了放大。

3.2.3 振动加速度级随距离变化分析

对站厅层和站台层测点各车次加速度有效值进行线性平均，按照式(1)计算振动加速级VAL，取VAL的最大值作为数据。得到的振动加速度级与距轨道中心线距离的关系，如图11所示。

图11 振动加速度级随距离的变化曲线Fig.11 Curves of vibration acceleration level changing with distance

越行时候车大厅的加速度级为83～87 dB，站台层为84～91 dB，越行时的加速度级明显大于进站出站时的加速度级。由下层站厅层加速度级距离轨道中心线的的变化可以看出，0～4 m的加速度级衰减比较明显，而4～8 m的加速度级在越行时增大，在进站和出站时减小。这一结果与3.2.2节得出的结论类似，同样表明了列车通过时高架车站站厅层的振动加速度级，并不是随着到轨道中心线距离的增加而衰减的，它与高架车站振动传递结构的布置位置有关，在振动传递结构中心附近具有最大的振动加速度级。

3.3 1/3倍频程分析

采用Z振级分析数据，得到各测点1/3倍频程分析结果。数据显示，B1测点越行、进站和出站时的最大振级分别为77.0，69.7和69.2 dB。B2测点越行、进站和出站分别为67.4，61.1和59.9 dB。A3测点越行、进站和出站分别为66.2，56.7和59.2 dB。数据表明列车越行时的振动要大于列车进站和出站的振动。

由于越行时的Z振级数据较大，因此选取了3个测点的越行数据进行对比，如图12所示。对比站台层上2个测点的Z振级数据，其振动峰值主要出现在6.3，40，50和63 Hz中心频率处，取该4项数据得到最大Z振级数据对比表(表4)。

图12 列车越行时测点Z振级Fig.12 One-third octave band spectral of train overtaking

表4 越行时各测点Z振级数据对比Table 4 Comparison of vibration levels of measuring points

由图12和表4可以看出，站台层的振动随着到振源距离的增大，各中心频率的振级都有所衰减，但衰减的程度有所不同。在站台层，6.3，40和63 Hz中心频率的峰值振动衰减不明显，但在站厅层的衰减比较大。而50 Hz中心频率的峰值振动在站台层和站厅层均有较大衰减。

对比站台层，站厅层在50 Hz中心频率的峰值振动，在进站、出站和越行时分别衰减了14.97，9.91和11.37 dB。整体上来看，候车大厅层各频段的竖向Z振级分布更为平缓，即候车大厅层的列车振动给人带来的不适感更小。但值得注意的是，列车越行时在10 Hz和12.5 Hz中心频率处振动增大，这是由于下层站厅结构在该频段产生了共振现象。

由于我国目前还没有专门针对高架车站的振动评价标准，以文献[15]中对铁路干线两侧30 m处的振动限值80 dB来看，进站和出站时，站台层和候车大厅地面实测振级均小于该值。但在列车越行时，站台层测点的最大振级(77.0 dB)十分接近临界的振动限值，需要注意。

4 结论

1)列车越行时，由于列车速度较快，产生的竖向振动加速度和水平振动加速度要远大于进站和出站时的振动加速度。

2)列车运行引起的车站振动主要频率集中在0～100 Hz范围内。在列车进站、出站、越行时，车站产生的振动峰值频率均位于50～70 Hz范围内，越行时竖向加速度具有最大值，对应峰值频率为55 Hz。

3)车站下层站厅层的振动加速度，并不是随着到轨道中心线距离的增加而衰减的，它的数值与高架车站振动传递结构(墩台和柱)的布置位置有关。

4)列车越行时，在站台和正下方的候车大厅的竖向Z振级分别达到了77.0 dB和66.2 dB；数值十分接近铁路干线两侧的振动限值，应对越行时出现的振动问题予以重视。

5)振动由站台层传递到站厅层时，在部分频段(6～12.5 Hz)会出现振动放大现象；且越行时的振动放大相比于列车进站出站更为明显。

6)列车引起的振动从轨道梁(振动源)传递到远处时，高频段的振动衰减要明显大于低频段的衰减值，因此，对于距离振动源较远的测点，低频振动所占的比例会有所增大。