双层车辆段上盖建筑振动及结构噪声特性分析∗

农兴中， 罗信伟， 冯青松， 陈艳明， 余 超， 刘庆杰

（1.广州地铁设计研究院股份有限公司 广州，510010）

（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 南昌，330013）

引 言

我国正大力推动轨道交通发展［1］，地铁作为现代城市的重要交通工具之一，具有客流量大、安全、准时、方便及舒适等优点。目前，国内外仍是以地面单层车辆段为主。双层车辆段相比地面单层车辆段，进一步提高了土地的利用率，相同的面积可以停放更多列车，在土地紧张且列车众多的大城市更加适用。虽然双层式车辆段应用前景广阔，但地铁在其中运行时对环境振动产生的影响同样不容忽视［2-4］，其中既包括振动超标，也存在振动引发的二次结构噪声超标问题。与单层车辆段不同，地铁在2 层运行时，振动不经过土体衰减作用，直接由立柱上传至平台，从而对上盖建筑物内居民生活舒适度造成影响。

国内外已有关于地铁运行引起上盖建筑振动传播规律的现场测试及分析报道［5-8］。Liu［9］测试了某隧道不同测点的振动加速度，对位于振动敏感区建筑物内部的振动和二次结构噪声进行采集分析，研究了振源特性及其引发的地面振动传播规律。Zou等［10-11］通过对广州和深圳某车辆段咽喉区和试车线进行现场实测，分析了振动在地面和建筑物的传播规律，得知振动能量通过立柱上传至平台时，会导致某些频段范围内平台振动放大。冯青松等［12］以广州某地铁车辆段为研究对象，实测了试车线与库内线列车运行引起的地面振动加速度，并建立车辆段上盖建筑模型，分析双振源激励对上盖建筑物楼板振动的影响。陈艳明等［13］实测分析了下沉式车辆段地铁振动沿盖板的传播规律，并结合国内相关标准进行了评价。

上述研究主要分析地下线路或单层车辆段上盖建筑物的振动噪声问题，而对双层车辆段车致振动沿上盖建筑传播特性及其引发的二次结构噪声问题研究较少。为掌握地面双层车辆段咽喉区振动传播规律，笔者对深圳横岗双层车辆段咽喉区及其上盖建筑进行现场实测，通过对测试结果进行频谱分析与相关性分析，研究振动传播规律及其与建筑物内二次结构噪声之间的联系。研究结果可为地铁车辆段及上盖建筑减振降噪设计提供参考依据。

1 现场测试

该双层车辆段为典型双层车辆基地，上盖大平台（平台高为12.3 m），平台之上为架空层（层高为5.6 m），架空层之上为住宅。上盖结构类型为现浇钢筋混凝土框支剪力墙结构，总高度为13 层52 m，安全等级为二级，车辆段建筑与上盖物业之间无特殊减振结构。本次测试断面布置在振动情况最复杂的咽喉区（1 层为L63 道岔，2 层为L-13 股道），3#居民楼距离咽喉区位置最近，为振动和噪声敏感区域，其中咽喉区和上盖建筑测点布置如图1 所示。上盖建筑中的振动与噪声测点均布置在每层楼板中心位置，噪声测点距离地面1.2 m。测试期间保证门窗紧闭，防止空气噪声造成干扰，影响测试结果。本次测试共采集20 组列车出库时经过咽喉区的数据，并分别在1，2 层选取4 组测试结果良好的行车数据作为对比工况进行分析。

图1 测点布置图（单位：m）Fig.1 Schematic diagram of measuring points (unit:m)

测试采用的数据采集仪包括NI CRIO-9031 和SQuadriga III 测试 系 统、DIC24 和NI9181 便 携 式 数据采集仪。其中：NI CRIO-9031 用于车辆段内振动源强测试，并采用触发采样的方式进行监测；NI9181 便携式数据采集仪、SQuadriga III 和DIC24数据采集仪用于车辆段上盖建筑物内振动噪声测试。现场测点布置如图2 所示。

图2 现场测点布置图Fig.2 Field layout of measuring points

2 测试结果及分析

2.1 环境振动及噪声评价方法

2.1.1 振动评价方法

振动对于建筑物和人体的影响主要表现在振动能量方面，而加速度有效值是反映振动能量的重要指标。通常以振动加速度级分析振动传播规律，定义为

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

按规定的频率计权曲线对振动加速度级计权修正后得到的单值评价量，称为振动级VL。在对建筑物振动评价时，采用全身振动Z 计权因子对振动级进行修正，记为Z 振级VLZ。

2.1.2 噪声评价方法

为了描述人耳对声音强弱变化响应的特性，引入声压级的概念来表示声音的大小。声压级LP的表达式为

其中：pref=2×10-5Pa，为基准声压；prms为声压有效值。

由于声压级只反映声音强弱对人体的影响，为了使声音的客观度量和人耳主观感觉一致，采用A计权网络对声压级进行修正，记为A 声级LA。

2.2 振动源强特性

咽喉区1 层和2 层测点时频图分别如图3，4 所示。由图可知，由于道岔的冲击作用，咽喉区1 层测点主频带相较于2 层的主频带更宽。对于1 层轨枕测点，其主频段在50~500 Hz；2 层测点有较明显的主频段，轨枕主频集中在50~300 Hz 之间；承重柱主频集中在50~100 Hz 之间。其中，振动在轨枕传至承重柱时，1 层和2 层均在大于150 Hz 的高频区间下降迅速。

图3 咽喉区1 层测点时频图Fig.3 Time-frequency spectrum of the 1st floor of throat area

图4 咽喉区2 层测点时频图Fig.4 Time-frequency spectrum of the 2nd floor of throat area

咽喉区测点振动响应如表1所示。由表可知：1层轨枕垂向加速度峰值和振动加速度级均大于2 层；1 层承重柱垂向加速度峰值和振动加速度级均小于2 层。这主要是因为1 层轨道位于地下基础上，而2 层轨道直接位于混凝土板上，1 层轨枕的支承刚度远大于2 层，且轨枕振动的高频部分又被基础土层吸收一部分，导致1 层振动从轨枕传至承重柱衰减大于2 层。

表1 咽喉区测点振动响应Tab.1 Vibration response of measuring point

图5 为咽喉区测点1/3 倍频程图。由图可知：1 层轨枕振动加速度级全程都大于2 层轨枕；8~80 Hz 频段内，1 层承重柱振动加速度级大于2 层承重柱；80 Hz 以上频段，1 层承重柱振动加速度级小于2 层承重柱；2 层轨枕和2 层承重柱1/3 倍频程变化趋势一致，在12.5~80 Hz 频段内上升迅速，并在中心频率80 Hz 处达到峰值，然后略微下降再缓慢上升；1 层轨枕在50 Hz 以上频段呈上升趋势，而1 层承重柱呈下降趋势。

图5 咽喉区测点1/3 倍频程Fig.5 1/3 octave band spectrum of throat area

为了更直观地展现振动从轨枕至承重柱的传递损失，采用分频段传递损失比来分析其衰减情况。分频段传递损失比［14］可定义为

其中：ηi为轨枕-承重柱第i个1/3 倍频段的传递损失比；Ti为轨枕 第i个1/3 倍频段 振 动 加速 度 级；Bi为承重柱第i个1/3 倍频段振动加速度级。

轨枕-承重柱分频传递损失比如图6 所示，可以看出：1 层轨枕-承重柱振动加速度损失比始终大于2 层；1 层传递损失比最大为0.62，2 层传递损失比最大为0.55；在25~80 Hz 频段内，传递损失比达到最低水平；在80 Hz 以上频段，1 层损失比上升速度明显大于2 层，这说明1 层振动源强高频衰减速度要明显大于2 层。

图6 轨枕-承重柱分频传递损失比Fig.6 Transfer loss ratio of sleeper-column frequency division

由此可知，即使1 层轨枕处振动响应大于2 层轨枕，但在传播过程中由于高频段的能量迅速损耗，导致1 层承重柱的振动响应小于2 层。

2.3 振动及二次结构噪声传播规律

2.3.1 振动传播规律

为分析咽喉区1，2 层行车沿上盖建筑物的传播规律，测试记录列车分别通过车辆段1 层L63 道岔和2 层L-13（分别记为工况1 和工况2）时，3#各楼层测点的振动响应。

表2 为3#楼Z 振级统计表。由表可知，当列车经过咽喉区2 层L-13 股道时，各楼层Z 振级比经过1 层L63 道岔时的大2~8 dB。按照表2 各测点Z 振级数据，将其分为列车1 层通过和2 层通过2 种工况，上盖建筑各楼层Z 振级如图7 所示。除顶层外，各楼层Z 振级变化并不明显，顶层则出现了一定的振动放大现象。这可能是由于振动沿楼层传至顶层时，上部已无传递能量结构，这时入射波与反射波的叠加作用使得能量放大。

表2 3#楼Z 振级统计表Tab.2 Statistical table of Z vibration level of the 3rd building

图7 上盖建筑各楼层Z 振级Fig.7 Z vibration level of each measuring point of the over-track building

为进一步研究建筑结构对振动传递的影响，绘制咽喉区1，2 层行车时引起3#楼各层1/3 倍频程如图8 所示。由图可以看出，在50 Hz 范围内，各楼层1/3 倍频程中心频率对应的加速度级相差较小，其衰减主要出现在50 Hz 以上。其中：顶层在50 Hz 范围内加速度级大于其他各楼层，而在50 Hz 以上衰减迅速；各楼层加速度级在频率8 Hz 处存在峰值，这可能是由于测点所处楼板在该频段处有局部弯曲振动模态。

图8 各楼层振动1/3 倍频程Fig.8 1/3 octave band spectrums of each floor vibration

2.3.2 二次结构噪声传播规律

地铁经过时产生的振动通过土层传递到周围建筑物基础，引起建筑物振动，进而引发结构的二次结构噪声。人体能感知到的声音频率范围在20 Hz~20 kHz，在封闭空间内，室外高频空气噪声对室内声场影响不大，室内声音主要由列车运行时建筑物结构振动引发。基于此，分析了地铁列车经过咽喉区时周围建筑物内产生的二次结构噪声时频特性。

选取上盖建筑-1 层噪声测点，当列车分别经过咽喉区1 层和2 层时，上盖建筑-1 层二次结构噪声时频如图9 所示。相较于背景噪声，车致振动引发的二次结构噪声在40~60 Hz 出现明显的放大效应，预测这是建筑物中容易激发的噪声频段。

图9 上盖建筑-1 层二次结构噪声时频图Fig.9 Time-frequency spectrum of secondary noise on the1st floor underground of the over-track building

2.3.3 振动和二次结构噪声相关性分析

列车分别在车辆段1，2 层行车时，上盖建筑-1 层振动及二次结构噪声1/3 倍频程如图10 所示。不论是1 层行车还是2 层行车，-1 层振动加速度级和二次结构噪声声压级均在40 Hz 附近达到最大值，然后整体呈递减趋势。其中80 Hz 以上频段，1 层行车引起的振动及二次结构噪声响应均明显小于2 层行车，这是由于1 层行车时，80 Hz 以上高频能量经过土层大幅衰减。

分别计算出列车1 层运行和2 层运行时，上盖建筑物内各层测点振动总级值与二次结构噪声总级值，对其进行线性回归分析，得到振动与二次结构噪声相关性拟合曲线如图11 所示，拟合度分别为0.92和0.95，基本证明了二次结构噪声和车致上盖建筑物振动之间的相关性。

图11 振动与二次结构噪声相关性拟合曲线Fig.11 Fitting curve of correlation between vibration and secondary structure noise

进一步利用振动信号X(t)和噪声信号Y(t)的互功率谱SXY(ω)分析两信号间在不同频率点上的相关性，互功率谱密度函数定义如下

其中：RXY为互相关函数。

SXY(ω)越大，表明两信号的相应频率关联度越高；若SXY(ω)=0，表明其相应频率分量正交。

咽喉区1，2 层行车时，上盖建筑-1 层振动与二次结构噪声互谱分析见图12。在频率为40 Hz 附近，振动与二次结构噪声之间的相关性最大，即楼板振动辐射噪声对二次结构噪声贡献主要在40 Hz附近。

图12 振动与二次结构噪声互谱分析Fig.12 Cross spectrum analysis of vibration and secondary structure noise

2.4 单个频率段振动及噪声传播规律

为研究单个频率段振动与二次结构噪声沿上盖建筑的传播规律，选取1/3 倍频程中心频率分别为10，40，80 和125 Hz，绘制各测点振动与二次结构噪声随楼层的变化曲面，并将同频率不同测点振动加速度级/声压级用各异特征曲面连接，各中心频率处加速度级/声压级随楼层的变化如图13 所示。

图13 各中心频率处加速度级/声压级随楼层的变化Fig.13 Variation trend of acceleration level / sound pressure level at each center frequency with floor

由图13 可以看出：中心频率为10 Hz 时，振动加速度级随楼层增加而增大，而二次结构噪声声压级在顶层出现明显下降趋势；中心频率为80 和125 Hz 时，振动在高层变化趋势趋向稳定，而二次结构存在一定上升趋势，其中当中心频率为80 Hz时，在建筑物中层存在振动放大现象；中心频率为40 Hz 时，无论是1 层行车还是2 层行车，加速度级和声压级随楼层的变化趋势基本保持一致，即振动在中心频率为40 Hz 附近处对二次结构噪声的影响明显，而到高频处影响并不直接。由图10 可知，上盖建筑-1 层处振动与二次结构噪声在40 Hz 附近都达到了峰值，因此在未来考虑车辆段上盖建筑振动与二次结构噪声影响时，应重点关注1/3 倍频程中心频率40 Hz 处的响应。

2.5 振动及二次结构噪声评价

2.5.1 上盖建筑振动评价

由表2 可知，当列车通过咽喉区时，该栋楼的Z振级均小于GB 10070—1988 《城市区域环境振动标准》中居民、文教区夜间限值67 dB。由图8 可知，根据GB/T 5035—2018 《住宅建筑室内振动限值及测量方法标准》对上盖建筑振动进行评价，各测点均没有超过对应频段的1 级限值。

2.5.2 上盖建筑二次结构噪声评价

室内二次结构噪声评价量为等效连续A 声压级，评价标准为JGJ/T 170—2009 《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》，等效A 声压级限值取居住、商业混合区夜间限值38 dB（A）。当二次结构噪声测量值与相应背景噪声值的差值大于3 dB 时，应进行二次结构噪声修正，3#楼二次结构噪声声压级统计如表3 所示，在-1 层和顶层出现二次结构噪声值超标的情况。综上所述，利用Z 振级和分频振动加速度级作为指标对上盖建筑振动进行评价时，全部测点均没有超过相应的规范限值，但后期仍应采取相应的减振降噪措施，防止振动引发的建筑物二次结构噪声超标，同时应重点关注底层和顶层的二次结构噪声情况。

表3 3#楼二次结构噪声声压级统计表Tab.3 Statistical table of noise pressure level of secondary structure of the 3rd Building dB（A）

3 结 论

1） 道岔产生的冲击作用使得1 层轨枕振动加速度级全程都大于2 层轨枕；在8~80 Hz 频段内，1 层承重柱振动加速度级大于2 层承重柱；由于高频振动经过土体衰减迅速，在80 Hz 以上频段，1 层承重柱振动加速度级小于2 层承重柱。

2） 无 论 在1 层还是2 层 行 车，各楼层Z 振级变化并不明显，振动沿楼层传至顶层时，入射波与反射波的叠加作用使得顶层振动能量放大。

3） 在50 Hz 范围内，各楼 层1/3 倍 频 程 中心频率对应的振动加速度级相差较小，其衰减主要出现在50 Hz 以上。其中：顶层在50 Hz 范围以内加速度级大于其他各楼层，而在50 Hz 以上衰减迅速；各楼层加速度级在频率8 Hz 处有峰值，这可能是由于测点所处楼板在该频段处有局部弯曲振动模态。

4） 建筑物内二次结构噪声声压主频都在100 Hz 以下，峰值出现在40 Hz 附近，且建筑物中容易激发的声音频段预测在40~60 Hz。振动在1/3倍频程中心频率为40 Hz 附近处对二次结构噪声的影响最为显著，即楼板振动辐射噪声对二次结构噪声贡献主要在40 Hz 附近，该频段接近常见建筑物楼板的固有频率。

5） 各楼层无论是Z 振级还是分频振动加速度级均达到相应的规范要求，但是底层和顶层出现了二次结构噪声超标的现象，这为其他双层车辆段类似工况下上盖建筑物振动敏感区域的选取具有一定的参考价值。