鄧紅梅

（四川省工業(yè)環(huán)境監(jiān)測研究院，成都 610046）

成灌快鐵橋墩處環(huán)境振動測試分析

鄧紅梅

（四川省工業(yè)環(huán)境監(jiān)測研究院，成都 610046）

為研究橋墩處的環(huán)境振動特性，采用現(xiàn)場實測的方法對成灌快速鐵路橋墩處環(huán)境振動進行測試。分析橋墩處環(huán)境振動的時程曲線、頻譜曲線數(shù)據(jù)，初步得出地面豎向環(huán)境振動特性，并采用回歸分析方法，擬合出豎向振動的衰減公式。結(jié)果表明：隨著距線路中心距離的增加，振動加速度逐漸減小，地面振動持續(xù)時間較短，約為6 s；環(huán)境振動在衰減過程中，近振源處的衰減速度大于遠振源處的衰減速度；環(huán)境振動的能量主要集中在10 Hz～63 Hz之間；橋墩處的豎向環(huán)境振動最大值符合指數(shù)衰減規(guī)律。

振動與波；成灌快鐵；橋墩；環(huán)境振動；測試分析

隨著城市的擴建，軌道交通發(fā)展迅速，快速鐵路已無法避免從城市中心穿過?？焖勹F路產(chǎn)生的環(huán)境振動對周邊市民影響的問題也越來越突出，國際上已將環(huán)境振動列為七大環(huán)境公害之一。

目前已有大量學(xué)者對軌道交通的環(huán)境振動特性進行了廣泛的研究。圣小珍等研究了車輛分別在輕型有砟軌道、重型有砟軌道和無砟軌道上以不同速度運行時的環(huán)境振動情況[1]。同濟大學(xué)蔣通等從現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬兩方面對上海明珠線高架軌道交通環(huán)境振動的發(fā)生機理、傳播規(guī)律等進行了研究[2]，建立了車-橋子結(jié)構(gòu)和框架-地基基礎(chǔ)子結(jié)構(gòu)分析模型及計算方法。北京交通大學(xué)陳建國等通過建立車-橋和墩-土兩個子系統(tǒng)模型，提出了高架軌道振動預(yù)測公式，并與北京地鐵5號線的實測結(jié)果和其他預(yù)測公式比較，證明了該預(yù)測公式具有較高的適用性和準(zhǔn)確度。賀玉龍等對京津城際鐵路橋墩處的環(huán)境振動進行測試[4]，分析了高架橋環(huán)境振動的衰減特性。

成灌快鐵是我國第一條投入運營的市域鐵路，采用了無砟軌道等先進技術(shù)，區(qū)別于常規(guī)軌道交通。張光明等研究了成灌快鐵路堤段的地面振動特性[5]。李懷龍等研究了CRTSⅢ型板式無砟軌道環(huán)境振動特點，對成灌快鐵某路基段地面振動進行了現(xiàn)場測試，分析了不同測點地面振動加速度時程特點、頻譜特征和豎向振級隨距離的衰減特性[6]。橋墩作為成灌快鐵的主要組成部分，目前對橋墩處的環(huán)境振動特性的研究還相對較少。本文對成灌快鐵橋墩處的地面豎向環(huán)境振動進行現(xiàn)場測試并進行分析，為進一步研究橋墩對環(huán)境振動的影響提供數(shù)據(jù)參考。

1 振動測試

1.1 成灌快鐵

成灌快鐵為雙線鐵路，正線長66 km，其中高架線路長42.6 km，約占全線的65%。橋梁段采用CRTSⅢ型板式無咋軌道，橋墩形狀主要有Y型橋墩、V型橋墩等[7]。成灌快鐵運行CRH1型動車組，列車每列八節(jié)編組，車長為213.5 m，軸重為16 t。

1.2 測試地點

測試地點選擇郫縣安德鎮(zhèn)全福村Y型橋墩和郫縣郫筒鎮(zhèn)景崗村V型橋墩。Y型橋墩高7.3 m，V型橋墩高3.5 m。測試段橋梁均為24 m雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，軌道為1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌。測點均為鄉(xiāng)村柏油路，場地平整且能準(zhǔn)確觀測到列車運行狀況。測試根據(jù)列車運行時間表提前安排測試時間。測試當(dāng)天天氣晴好，測試時無外界干擾，符合測試要求。

1.3 測點布置

Y型橋墩振級參數(shù)測點距橋墩中心處距離分別為0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m，其余參數(shù)各測點距橋墩中心處距離分別為2 m、15 m、31 m、50 m，內(nèi)外線間距為4.6 m，青城山至成都方向為內(nèi)線。該測點處共測試10組數(shù)據(jù)，列車速度約為194 km/h；V型橋墩振級參數(shù)測點距橋墩中心處距離分別為0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m，其余參數(shù)測點距線路中心線距離分別為0 m、15 m、35 m、50 m，內(nèi)外線間距為4.6 m，成都至青城山方向為內(nèi)線。該測點處共測試10組數(shù)據(jù)，列車速度約為148 km/h。墩橋墩形狀見圖1、圖2。兩處橋墩測試布點示意圖見圖3。

圖1 Y型橋墩

圖2 V型橋墩

1.4 測試儀器及測試參數(shù)

本次參照《鐵路環(huán)境振動測量》（TB/T 3152-2007）中的相關(guān)規(guī)定進行測量，儀器選用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV3062T型振動測試儀，該儀器為24位云智慧采集系統(tǒng)，具有4個24位高精度AD采集通道；拾振器型號為941 B型，頻率范圍為0.17 Hz～100 Hz。測試參數(shù)為各測點豎向時程曲線、頻譜曲線和振級。

圖3 測試示意圖

2 測試結(jié)果及分析

2.1 Y型橋墩測試結(jié)果及分析

（1）時程曲線分析

豎向加速度時程曲線反映了距橋墩不同距離處地面豎向振動加速度隨時間的變化。圖4、圖5分別為Y型墩內(nèi)線、外線各測點地面豎向加速度的時程曲線。

圖4 內(nèi)線時程曲線

圖5 外線時程曲線

由圖4、圖5可知，由列車引起的Y型墩內(nèi)、外線地面豎向振動持續(xù)時間約6 s，在2 m測點處，內(nèi)線的加速度范圍為-53.1 mm/s2～56.6 mm/s2，外線的加速度范圍為-103 mm/s2～77.9 mm/s2。在15 m測點處，內(nèi)線的加速度范圍為-28.5 mm/s2～35.6 mm/s2，外線的加速度范圍為-55.4 mm/s2～46.6 mm/s2，而在31 m和50 m測點處，振動已很微弱。

（2）頻譜曲線分析

頻譜曲線主要反映各測點處豎向振動加速度及振動頻率的分布情況。圖6、圖7分別為Y型墩內(nèi)、外線各測點的頻譜曲線。

圖6 內(nèi)線頻譜曲線

圖7 外線頻譜曲線

由圖6可知，內(nèi)線2 m測點處，振動主頻范圍為42 Hz～44 Hz、65 Hz～67 Hz、77 Hz～79 Hz，最優(yōu)頻率為78 Hz，加速度幅值為8.11 mm/s2；15 m測點處，振動主頻范圍為36 Hz～40 Hz、63 Hz～66 Hz、85 Hz～87 Hz，最優(yōu)頻率為37 Hz，加速度幅值為3.99 mm/s2；31 m測點處，振動主頻范圍為20 Hz～23 Hz、36 Hz～41 Hz，最優(yōu)頻率為37 Hz，加速度幅值為1.99 mm/s2；50 m測點處，振動主頻范圍為21 Hz～23 Hz，最優(yōu)頻率為22 Hz，加速度幅值為0.98 mm/s2。

該測點內(nèi)線2 m～15 m范圍內(nèi)，衰減距離為13 m，加速度衰減4.12 mm/s2；15 m～31 m范圍內(nèi)，衰減距離為16 m，加速度衰減2.00 mm/s2；31 m～50 m范圍內(nèi)，衰減距離為19 m，加速度衰減1.01 mm/s2，可見，隨著距離的增加，加速度衰減速度越來越小。

由圖7可知，外線2 m測點處，振動主頻范圍為12 Hz～25 Hz、33 Hz～45 Hz、50 Hz～62 Hz，最優(yōu)頻率為42 Hz，加速度幅值為15.5 mm/s2；15 m測點處，振動主頻范圍為12 Hz～25 Hz、39 Hz～41 Hz、53 Hz～57 Hz，最優(yōu)頻率為14 Hz，加速度幅值為8.74 mm/s2；31 m測點處，振動主頻范圍為13 Hz～25 Hz、39 Hz～41 Hz，最優(yōu)頻率為40 Hz，加速度幅值為3.17 mm/s2；50 m測點處，振動主頻范圍為18 Hz～23 Hz，最優(yōu)頻率為20 Hz，加速度幅值為2.35 mm/s2。

該測點2 m～15 m范圍內(nèi)，衰減距離為13 m，加速度衰減6.76 mm/s2；15 m～31 m范圍內(nèi)，衰減距離為16 m，加速度衰減5.57 mm/s2；31 m～50 m范圍內(nèi)，衰減距離為19 m，加速度衰減0.82 mm/s2，可見，隨著距離的增加，加速度衰減速度越來越小。

2.2 V型橋墩測試結(jié)果及分析

(1)時程曲線分析

圖8、圖9分別為V型墩內(nèi)、外線各測點地面豎向加速度時程曲線。

圖8 內(nèi)線時程曲線

圖9 外線時程曲線

由圖8、圖9可知，V型墩內(nèi)、外線振動持續(xù)時間為6 s，內(nèi)外線豎向振動加速度最大值均出現(xiàn)在振源處。在0m測點處，內(nèi)線的加速度范圍為-35.1mm/s2～32.5 mm/s2，外線的加速度范圍為-38.5 mm/s2～41.3 mm/s2。在15 m測點處，內(nèi)線的加速度范圍為-22.3 mm/s2～21.4 mm/s2，外線的加速度范圍為-15.2mm/s2～16.0 mm/s2，15 m后的振動已很微弱。

(2)頻譜曲線分析

圖10、圖11分別為V型墩內(nèi)線、外各測點的頻譜曲線。

圖10 內(nèi)線頻譜曲線

圖11 外線頻譜曲線

由圖10可知，內(nèi)線0 m測點處，振動主頻范圍為53 Hz～64 Hz、40 Hz～48 Hz，最優(yōu)頻率為62 Hz，加速度幅值為1.61 mm/s2；15 m測點處，振動主頻范圍為38 Hz～48 Hz、60 Hz～65 Hz，最優(yōu)頻率為47 Hz，加速度幅值為0.861 mm/s2；35 m測點處，振動主頻范圍為9 Hz～17 Hz，最優(yōu)頻率為16 Hz，加速度幅值為0.259 mm/s2；50 m測點處，振動主頻范圍為14 Hz～17 Hz，最優(yōu)頻率為15 Hz，加速度幅值為0.341 mm/s2。

由圖11可知，外線0 m測點處，振動主頻范圍為14 Hz～17 Hz、58 Hz～64 Hz，最優(yōu)頻率為61 Hz，加速度幅值為3.84 mm/s2；15 m測點處，振動主頻范圍為13 Hz～17 Hz、38 Hz～48 Hz，最優(yōu)頻率為16 Hz，加速度幅值為1.29 mm/s2；35 m測點處，振動主頻范圍為15 Hz～18 Hz，最優(yōu)頻率為16 Hz，加速度幅值為1.29 mm/s2；50 m測點處，振動主頻范圍為13 Hz～17 Hz，最優(yōu)頻率為16 Hz，加速度幅值為1.49 mm/s2。

根據(jù)該測點內(nèi)、外線加速度數(shù)據(jù)的變化可知，隨著距離的增加，振動加速度衰減速度越來越小。同時，近距離處以高頻振動為主，遠距離處以低頻振動為主，隨著距離的增加高頻振動衰減迅速，低頻振動衰減緩慢。至35 m處，振動能量主要集中在小于17 Hz的頻率范圍內(nèi)。

3 豎向振動回歸分析及預(yù)測

衰減公式在一定程度上反映了振動的衰減規(guī)律。為了解成灌快鐵環(huán)境振動的衰減特性，對兩種橋墩地面豎向?qū)崪y的振動最大值進行分析。根據(jù)橋墩附近振動實測結(jié)果，豎向振級y與距橋墩距離x的指數(shù)值接近于線性，對實測數(shù)據(jù)利用回歸方法進行擬合，得出成灌快速鐵路Y型橋墩和V型橋墩地面豎向Z振級統(tǒng)計回歸經(jīng)驗公式依次為：

其中x為測點距橋墩中心距離；

y為豎向振動加速度最大值。

將Y型橋墩實測值與經(jīng)驗公式預(yù)測值作圖比較，如圖12所示；將V型橋墩實測值與經(jīng)驗公式預(yù)測值作圖比較，如圖13所示；

圖12 Y型橋墩實測值與預(yù)測值

圖13 V型橋墩實測值與預(yù)測值

由圖12、圖13可知，在20 m范圍內(nèi)Y型墩豎向最大振級實測值與預(yù)測值最大差異值1.05 dB，在20 m范圍外豎向最大振級實測值與預(yù)測值最大差異值為2.36 dB。在20 m范圍內(nèi)V型墩豎向最大振級實測值與預(yù)測值最大差異值3.84 dB，在20 m范圍外豎向最大振級實測值與預(yù)測值最大差異值為6.20 dB。預(yù)測值相對實測值差異幅度為1.29%～8.76%，預(yù)測公式符合度較高，適合于成灌快速鐵路環(huán)境振動的預(yù)測。

4 結(jié)語

通過對成灌快鐵橋墩處地面豎向環(huán)境振動的分析，初步得出如下環(huán)境振動特性：

（1）隨著距離增加，振動加速度逐步減小，地面環(huán)境振動持續(xù)時間較短，約為6 s。

（2）環(huán)境振動在衰減過程中，近振源處的衰減速度大于遠振源處的衰減速度。

（3）環(huán)境振動的能量主要集中在10 Hz～63 Hz之間。

（4）橋墩處的豎向環(huán)境振動最大值符合指數(shù)衰減規(guī)律。

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[2]蔣通，張昕.高架軌道交通引起環(huán)境振動的實測與數(shù)值模擬[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，32(5)：565-569.

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[7]陳列.成灌鐵路橋梁設(shè)計[J].橋梁建設(shè)，2011(5)：59-63.

Measurement andAnalysis of Environmental Vibration in a Bridge Pier of Cheng-Guan High-speed Railway

DENG Hong-mei
(Sichuan Industry Environment Monitoring Research Institute,Chengdu 610046,China)

In-situ tests are conducted in a bridge pier ground of Cheng-Guan high-speed railway and the environmental vibration characteristic of the pier is preliminarily revealed.By using regression analysis and curve-fitting method,the attenuation formula of vertical vibration is obtained.The results show that the vibration acceleration decreases gradually with the increase of the distance from the center of the track,and the duration of ground vibration is about 6s.The decay rate of the environment vibration near the vibration source is greater than that far away from the vibration source.The energy of the environmental vibration is mainly concentrated on in 10 Hz-63 Hz frequency range.The maximum of the vertical vibration of the bridge pier decays in an exponential law.

vibration and wave;Cheng-Guan rapid railway;bridge pier;environmental vibration;measurement and analysis

X121

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.029

1006-1355(2017)03-0147-04+155

2016-09-06

鄧紅梅（1989－），女，四川省遂寧市人，碩士生，主要研究方向為水、氣、聲、振動等的環(huán)境監(jiān)測。E-mail:847768397@qq.com