楊圣春

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010)

地鐵列車引起合建建筑振動(dòng)特性的試驗(yàn)研究

楊圣春

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010)

采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，從時(shí)域和頻域角度分析了地鐵列車通過時(shí)引起的與地鐵合建建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)特性。研究結(jié)果表明:在地鐵列車荷載作用下，合建建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值隨距振源距離的增大而減小，橫向振動(dòng)響應(yīng)幅值約為垂向振動(dòng)響應(yīng)幅值的0.8倍;合建建筑上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率分布特性基本上與地鐵線路結(jié)構(gòu)一致，主要集中在20～80 Hz;合建建筑結(jié)構(gòu)橫向環(huán)境振動(dòng)水平雖總體上較垂向環(huán)境振動(dòng)水平要小，但兩者處于同一水平，甚至在部分頻率范圍內(nèi)要比垂向環(huán)境振動(dòng)水平還要高，橫向環(huán)境振動(dòng)對人們工作和生活的干擾不能忽視。

地鐵列車 合建建筑 振動(dòng)特性 現(xiàn)場試驗(yàn)

隨著城市軌道交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，為了充分利用城市土地空間，將地鐵線路結(jié)構(gòu)(如車站、隧道等結(jié)構(gòu))與地上建筑合建綜合開發(fā)，逐漸成為地鐵建設(shè)和城市地下空間開發(fā)的趨勢。通常做法是將地鐵線路結(jié)構(gòu)與建筑基礎(chǔ)合二為一進(jìn)行整體性聯(lián)結(jié)，進(jìn)行同步設(shè)計(jì)、施工，不僅有利于降低項(xiàng)目建設(shè)成本，而且有利于項(xiàng)目的綜合商業(yè)開發(fā)。如上海市自然博物館與13號線共建工程［1］、上海虹橋高鐵車站工程［2］等項(xiàng)目均采用了合建結(jié)構(gòu)。在合建結(jié)構(gòu)中，由于地鐵線路與上部建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用剛性整體性聯(lián)結(jié)，兩者之間沒有采取任何措施對振動(dòng)進(jìn)行阻隔，地鐵運(yùn)行時(shí)引起的建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)和噪聲問題十分顯著，極有可能對建筑內(nèi)人們的工作和生活產(chǎn)生干擾［3］。國內(nèi)外對地鐵列車引起的環(huán)境振動(dòng)研究大多采用數(shù)值模擬的方法［4-8］和現(xiàn)場試驗(yàn)法［9-12］。數(shù)值計(jì)算方法通常采用二維平面模型和2.5維模型［6］，文獻(xiàn)［7］建立了有限元結(jié)合邊界元的二維和三維模型，文獻(xiàn)［8］采用三維數(shù)值計(jì)算模型分析了高速列車通過時(shí)引起的地面振動(dòng)加速度響應(yīng)特征，并研究了列車通過時(shí)所引起的振動(dòng)在三維空間的傳播特征。目前，地鐵列車引起地面建筑環(huán)境振動(dòng)的研究已經(jīng)取得一定成果，但是針對地鐵列車引起與線路合建建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)特性方面的試驗(yàn)研究非常匱乏。本文采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，從時(shí)域和頻域角度分析了地鐵列車引起的與地鐵線路合建建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)特性，研究成果為城市軌道交通減振降噪技術(shù)的研究和應(yīng)用提供技術(shù)參考和數(shù)據(jù)支持。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于上海虹橋綜合交通樞紐京滬高鐵虹橋站大樓內(nèi)，合建建筑結(jié)構(gòu)的橫向剖面圖如圖1所示。

選擇在地鐵站臺層中央及其正上方地鐵站廳層、高鐵站臺層和高鐵候車廳中央4個(gè)位置分別布置傳感器。采用環(huán)氧樹脂膠將傳感器與樓板穩(wěn)固連接。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

試驗(yàn)儀器主要包括動(dòng)態(tài)信號采集設(shè)備和超低頻振動(dòng)拾振器。動(dòng)態(tài)信號采集設(shè)備為INV3020D高性能24位采集系統(tǒng)，采樣頻率為400 Hz。振動(dòng)拾振器為941電磁式低頻振動(dòng)傳感器。試驗(yàn)時(shí)將拾取加速度信號的傳感器調(diào)整到加速度檔位，而將拾取速度信號的傳感器調(diào)整到小速度檔位，同步拾取列車經(jīng)過時(shí)各樓層的振動(dòng)響應(yīng)信號，每樓層布置傳感器數(shù)量為4只，本試驗(yàn)總共布置16只傳感器進(jìn)行同步測量，拾取垂直、橫向的振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度信號。

1.3 試驗(yàn)荷載

試驗(yàn)荷載為上海地鐵10號線列車經(jīng)過試驗(yàn)斷面時(shí)作用在鋼軌上的荷載，車輛類型為A型車，列車為6節(jié)編組形式。為保證列車荷載達(dá)到最大狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)間選擇在早晚出行高峰時(shí)段，分別為上午6:30～8:30和下午5:30～7:30，車速為55 km/h，共計(jì)測得27組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 環(huán)境振動(dòng)測點(diǎn)布置(單位:mm)

2 時(shí)域分析

地鐵站臺層(測點(diǎn)1，第8組試驗(yàn)數(shù)據(jù))的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線如圖2所示。對各測點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行時(shí)域幅值統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。振動(dòng)速度、振動(dòng)加速度測定周期為30 s。

圖2 列車經(jīng)過時(shí)站臺層振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線

表1 時(shí)域幅值統(tǒng)計(jì)

圖2表明，列車經(jīng)過時(shí)各測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程信號已無法辨認(rèn)出車輪經(jīng)過的具體時(shí)刻，但可分辨出列車到達(dá)、經(jīng)過和離開的過程。各測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信號呈現(xiàn)明顯的周期性和持續(xù)性，持續(xù)時(shí)間約為15 s。從表1可以看出，各測點(diǎn)垂向振動(dòng)加速度和速度幅值分別處于2.6×10－2～7.2×10－1m/s2和8.6×10－5～2.8×10－3m/s，橫向振動(dòng)加速度和速度幅值分別處于1.8×10－2～6.4×10－1m/s2和6.4×10－5～2.2× 10－3m/s。地鐵站臺層的振動(dòng)響應(yīng)最大，地鐵站廳層、高鐵站臺層和高鐵候車廳層依次減小，說明地鐵列車引起合建建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值隨距振源距離增大而減小。但相同測點(diǎn)處其橫向、垂向振動(dòng)響應(yīng)幅值同處一個(gè)數(shù)量級，橫向振動(dòng)響應(yīng)幅值約為垂向振動(dòng)響應(yīng)幅值的0.8倍。

3 頻譜分析

為了分析列車經(jīng)過時(shí)合建建筑結(jié)構(gòu)各測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)頻率分布特性，采用周期圖法對振動(dòng)時(shí)程響應(yīng)信號進(jìn)行頻譜分析(窗函數(shù)為矩形窗，分析點(diǎn)數(shù)為512)，得到相應(yīng)的振動(dòng)響應(yīng)頻譜曲線，然后求取平均值。各測點(diǎn)頻譜曲線如圖3至圖5所示。

圖3和圖4表明:列車經(jīng)過時(shí)，地鐵站臺層和站廳層不論是垂向振動(dòng)，還是橫向振動(dòng)，加速度響應(yīng)和速度振動(dòng)響應(yīng)的頻率分布特性基本一致。垂向振動(dòng)加速度響應(yīng)的頻率基本上分布在20～80 Hz，以35～55 Hz為主，在40 Hz處存在峰值;橫向振動(dòng)加速度響應(yīng)的頻率基本上分布在20～80 Hz，分布較為均勻，存在多個(gè)峰值。垂向振動(dòng)速度響應(yīng)的頻率基本上分布在20～60 Hz，在41 Hz處存在峰值;橫向振動(dòng)速度響應(yīng)的頻率基本上分布在20～80 Hz，存在多個(gè)峰值。

圖5表明，由于高鐵車站將自身柱板結(jié)構(gòu)與車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體剛性聯(lián)結(jié)成為合建結(jié)構(gòu)，兩者之間不存在任何阻隔作用。因此，無論振動(dòng)加速度響應(yīng)，還是振動(dòng)速度響應(yīng)，列車經(jīng)過時(shí)引起的地鐵站臺、站廳層的振動(dòng)響應(yīng)能輕易傳播至高鐵車站。高鐵車站垂向振動(dòng)響應(yīng)頻率分布特性基本上與地鐵車站一致，主要分布在35～60 Hz，在40 Hz處存在峰值;橫向振動(dòng)響應(yīng)也基本上分布在35～80 Hz，相當(dāng)比例的振動(dòng)響應(yīng)分布在60～80 Hz，在70 Hz處存在峰值。

圖3 地鐵站臺層振動(dòng)響應(yīng)頻率分布特性

圖4 地鐵站廳層振動(dòng)響應(yīng)頻率分布特性

圖5 高鐵站臺層振動(dòng)響應(yīng)頻率分布特性

4 振動(dòng)水平評價(jià)

為分析列車經(jīng)過時(shí)地面振動(dòng)水平在頻域上的分布特性，對各測點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)信號進(jìn)行1/3倍頻程分析得到相應(yīng)的振級頻譜曲線，然后求取平均值，各測點(diǎn)的1/3倍頻程振級頻譜曲線如圖6和圖7所示。

由圖6可以得出:

1)在列車荷載作用下，地鐵站臺層、地鐵站廳層、高鐵站臺層和高鐵候車廳層的垂向、橫向速度振動(dòng)水平分布趨勢基本一致。在10～60 Hz范圍內(nèi)，地鐵站臺層的垂向速度和橫向速度振動(dòng)水平分別處在97～110 dB和92～107 dB，地鐵站臺層的垂向速度振動(dòng)水平較橫向速度振動(dòng)水平約高出4.6 dB。地鐵站廳層的垂向速度和橫向速度振動(dòng)水平分別處在78～95 dB和64～91 dB，前者較后者的速度振動(dòng)水平平均高出約9.8 dB。

2)在35～80 Hz范圍內(nèi)，高鐵站臺層的垂向速度和橫向速度振動(dòng)水平分別處在72～90 dB和62～88 dB，高鐵站臺層的垂向速度振動(dòng)水平較橫向速度振動(dòng)水平平均高出約6.8 dB。在35～60 Hz范圍內(nèi)，高鐵候車廳層的垂向速度和橫向速度振動(dòng)水平分別處在60～85 dB和57～83 dB，垂直速度振動(dòng)水平較橫向速度振動(dòng)水平平均高出約2.8 dB。

圖7表明:在列車荷載作用下，地鐵站臺層和站廳層的垂向、橫向振動(dòng)加速度振動(dòng)水平分布趨勢基本一致。在10～100 Hz范圍內(nèi)，地鐵站臺層、站廳層、高鐵站臺層和高鐵候車廳層的垂向加速度振動(dòng)水平分別處在76～98 dB，55～83 dB，44～78 dB和22～72 dB，橫向加速度振動(dòng)水平分別處在68～95 dB，40～79 dB，34～74 dB和20～65 dB。地鐵站臺層、站廳層、高鐵站臺層和高鐵候車廳層的垂向加速度振動(dòng)水平分別比橫向加速度振動(dòng)水平高出約4.02，8.00，4.40和7.80 dB。說明在合建建筑結(jié)構(gòu)中，地鐵列車引起的橫向環(huán)境振動(dòng)水平雖然較垂向環(huán)境振動(dòng)水平要小，但兩者依舊處于同一水平，橫向環(huán)境振動(dòng)對人們工作和生活的干擾不能忽視。

圖6 振動(dòng)速度水平分布

圖7 振動(dòng)加速度水平分布

5 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)，得出以下結(jié)論:

1)地鐵列車引起合建建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值隨距振源距離增大而減小，橫向振動(dòng)響應(yīng)幅值約為垂向振動(dòng)響應(yīng)幅值的0.8倍。

2)由于合建建筑結(jié)構(gòu)將自身柱板結(jié)構(gòu)與車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體剛性聯(lián)結(jié)，兩者之間不存在任何阻隔作用，列車經(jīng)過時(shí)引起的地鐵線路結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)能輕易傳播至上部建筑結(jié)構(gòu)，上部建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率分布特性基本上與地鐵線路結(jié)構(gòu)一致。

3)地鐵列車引起的合建建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)頻率主要集中在20～80 Hz范圍內(nèi)，影響合建建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)的輪軌表面不平順波長范圍為0.02～0.50 m。

4)在合建建筑結(jié)構(gòu)中，地鐵列車引起的橫向環(huán)境振動(dòng)水平雖較垂向環(huán)境振動(dòng)水平要小，但兩者處于同一水平，橫向速度振動(dòng)水平在部分頻率范圍內(nèi)甚至要比垂向振動(dòng)水平要高。橫向環(huán)境振動(dòng)對人們工作和生活的干擾不能忽視。

合建結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性除了與荷載有關(guān)以外，還與結(jié)構(gòu)自身頻率響應(yīng)特性有關(guān)。因此，今后的研究應(yīng)在對合建建筑結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步自振分析的基礎(chǔ)上開展。

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Experimental study on vibration characteristics of complex building during metro train running

YANG Shengchun
(The School of Architecture＆Civil Engineering，Inner Mongolia University of Science＆Technology，Baotou Inner Mongolia 014010，China)

T hrough field test，this paper studied environmental vibration characteristics of building structure integrated with subway structure caused by subway train passing from two angles of time domain and frequency domain．T he results showed that vibration amplitude of integrated building structure decreases with the increase of vibration sources distance and transverse vibration response amplitude is about 0.8 times vertical vibration response amplitude under the subway train loading，vibration frequency distribution characteristics of integrated building superstructure is basically consistent with subway line structure，which is mainly in the range of 20 to 80 Hz，transverse environment vibration level of integrated building structure is lower than vertical environment vibration level on the whole and both are on the same level，transverse environment vibration level is higher than vertical environment vibration level in some special frequency range，and the influence of transverse vibration on people's life and work cannot be ignored．

Subway train;Integrated building;Vibration characteristics;Field test

U231;U451+．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．17

1003-1995(2015)03-0057-05

(責(zé)任審編趙其文)

2014-05-30;

2014-12-19

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金(2012MS0713)

楊圣春(1978—)，男，山東菏澤人，講師，碩士。