雷曉燕，崔聰聰,張 凌

(1.華東交通大學 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，江西 南昌 330013；2.江西省交通設(shè)計研究院有限責任公司 地理信息研究中心，江西 南昌 330013)

大型綜合交通樞紐車站由高架層、軌道層與地下層組成，其中高架層為高鐵旅客候車層，軌道層通過高速列車，地下層通過地鐵，車站建筑處于非常復雜的振動條件下，建設(shè)這種現(xiàn)代化的大型綜合交通樞紐車站，我國近年才開始。國內(nèi)外對地鐵列車引起的環(huán)境振動研究大多采用數(shù)值模擬的方法[1]和現(xiàn)場試驗法[2]。文獻[3—4]通過現(xiàn)場實測的方法分析了地鐵列車與地鐵合建建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境振動特性。何衛(wèi)、謝偉平[5]對大跨度車站結(jié)構(gòu)精細化模型進行了研究。目前，地鐵列車引起地面建筑環(huán)境振動的研究已經(jīng)取得一定成果，但是關(guān)于大型綜合交通樞紐車站結(jié)構(gòu)自身的頻率響應(yīng)特性與現(xiàn)場實測研究仍然非常匱乏。

本文通過現(xiàn)場實測，研究在地鐵列車運行荷載的激勵下，鐵路樞紐車站站房結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)規(guī)律，評測地鐵列車運行對站房結(jié)構(gòu)的影響，研究成果對新建結(jié)構(gòu)的設(shè)計和振動預(yù)測、振動控制具有比較重要的參考價值。

1 站房結(jié)構(gòu)及振動測點布置

1.1 站房結(jié)構(gòu)

南昌西站站房結(jié)構(gòu)主體由下至上依次為地下層、軌道層、高架候車廳層、高架夾層，其剖面圖如圖1所示。站房主體建筑外墻南北進深385.5 m，東西寬133 m。候車廳層位于整個站房結(jié)構(gòu)的地上2層，地鐵換乘層位于整個站房結(jié)構(gòu)的地下1層，地鐵2號線位于整個站房結(jié)構(gòu)的地下2層，為南北走向，其隧道埋深為14 m，施工方法為明挖施工，軌道形式為普通整體道床，車輛為地鐵B型車。

圖1 站房結(jié)構(gòu)剖面圖

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

采用德國Head公司DATarec4 DIC24數(shù)據(jù)采集儀采集環(huán)境振動，采用941B型加速度傳感器采集振動加速度。采樣頻率均為800 Hz。

1.3 測點布置

為測試地鐵列車進出站引起站房結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，在地鐵站臺層、地鐵換乘層、高鐵候車廳樓板層(以下簡稱站臺層、換乘層、樓板層)進行振動測試。測試分為3個斷面,其位置見圖1。地鐵站臺層與換乘層的測點布置于斷面2，樓板層的測點布置于斷面1與斷面3，樓板層的測試區(qū)域1位于斷面1(地上2層)，樓板層的測試區(qū)域2位于斷面3，地鐵列車的停站區(qū)域位于斷面2與斷面3之間(地下2層)。地鐵列車在斷面1時勻速通過樞紐車站、在斷面3時制動進入樞紐車站。

樓板層區(qū)域1的測點均布置于25 m跨度的樓板處，測點詳圖如圖2(a)。測點由上到下的布設(shè)分別為測點4、測點3、測點2、測點1、測點3位于板的跨中，每個測點間距為7 m。樓板區(qū)域2的測點布置于樓板的軸線(B類)、樓板的跨中(A類)、不同樓板跨度的1/4(D類)處。樓板層測點B1，B2，B3，B4位于距離軌道不同距離處的框架軸線處。A1位于14 m×25 m跨度的樓板中央，A3位于14 m×18 m跨度的樓板中央，其余的A類測點均位于跨中板的軸線處。D1位于14 m×25 m跨度的樓板1/4處，D2位于14 m×18 m跨度的樓板1/4處。

換乘層測點H4，H3，H2(圖2(b))均布置于跨度為25 m的板，區(qū)別在于距離軌道中心線的不同位置，H1位于換乘層的混凝土框架柱。

圖2 測點布置

站臺層測點S1,S2,S3分別對應(yīng)換乘層測點H4，H3，H2，測點間距7 m，測點僅在高度方向存在差異，用于考慮振動響應(yīng)的豎向傳遞。

地鐵2號線的線路運行有上下行2個方向：上行方向是地鐵大廈到南路方向，簡稱地鐵大廈方向；下行方向是南路方向到地鐵大廈方向，簡稱南路方向。上下行的列車行駛對測點的振動影響較為一致。

2 站房結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)

2.1 峰值振動加速度

地鐵列車通過車站分為2種方式：單向列車通過；雙向列車同時通過。對不同結(jié)構(gòu)層測點的峰值振動加速度進行分析，研究不同地鐵列車進站方式時，各測點豎向(Z)、垂軌方向(Y)、順軌方向(X)的振動特性。對測得的多組峰值振動加速度比較可知，同一測點的振動加速度響應(yīng)較為一致，因此，選取10組測試數(shù)據(jù)取平均值，作為測點的峰值振動加速度。

2.1.1 樓板層測點的振動響應(yīng)

表1為樓板層測點的峰值振動加速度。

表1 樓板層峰值豎向振動加速度

由表1可以看出：地鐵對樓板測點的振動響應(yīng)雖然通過混凝土框架柱進行豎向傳遞，但是樓板跨中與樓板1/4處的振動響應(yīng)大于軸線處的振動響應(yīng)，振動響應(yīng)在距離軌道中心線30～48 m范圍的區(qū)域出現(xiàn)振動放大區(qū)，軸線處的振動放大效應(yīng)較大。

2.1.2 換乘層測點的振動響應(yīng)

換乘層各測點的峰值振動加速度如圖3所示。通過圖3可以看出：當列車進出站時，振動響應(yīng)雖然通過混凝土框架柱進行豎向傳遞，但是樓板跨中的振動響應(yīng)大于混凝土框架柱處的振動響應(yīng)，換乘層樓板處的豎向振動峰值加速度明顯大于其它2個方向，說明梁、樓板等構(gòu)件組成的換乘層具有較大水平、縱向剛度。

圖3 列車進出站時測點的振動響應(yīng)

2.1.3 站臺層測點的振動響應(yīng)

站臺層的峰值振動加速度如圖4所示。通過圖4可以看出：測點不同方向的衰減規(guī)律并不一致，順軌方向與垂軌方向的峰值振動加速度處于同一數(shù)量級，豎向峰值振動加速度隨著與軌道中心線距離的增大，振動響應(yīng)逐漸衰減，順軌方向與垂軌方向的振動加速度在跨中出現(xiàn)大幅度的下降，說明站臺跨中位置的水平、縱向剛度較大；當站臺層2個方向的列車同時通過車站時，其豎向振動響應(yīng)在站臺跨中出現(xiàn)峰值。

在地鐵列車不同行駛工況下，站臺層測點的豎向峰值振動加速度并不總是大于順軌方向與垂軌方向的峰值振動加速度。因此，結(jié)構(gòu)的水平、縱向穩(wěn)定性亦應(yīng)該受到重視。

圖4 列車不同方向通車時測點的振動響應(yīng)

2.1.4 樓板層測點的振動響應(yīng)

為了考慮地鐵列車振動響應(yīng)的豎向傳遞，本應(yīng)將樓板測點布置在斷面2，但是人行荷載與高鐵列車的振動響應(yīng)在本次測試中對樓板布點的影響較大，因此將測點布置于斷面3。由于地鐵列車在斷面1與斷面3進行制動進站與起動離站，因此可用其數(shù)據(jù)反映不同結(jié)構(gòu)層的豎向傳遞。

不同結(jié)構(gòu)層的振動響應(yīng)如圖5所示。由圖5可以看出，由地鐵列車引起的振動響應(yīng)在不同結(jié)構(gòu)層呈現(xiàn)指數(shù)形式的衰減，傳遞到候車廳樓板層的峰值振動加速度較小。

圖5 不同結(jié)構(gòu)層的振動響應(yīng)

2.2 站房結(jié)構(gòu)振動的時域

在地鐵列車荷載作用下，各測點的振動響應(yīng)信號呈現(xiàn)明顯的周期性和持續(xù)性，持續(xù)振動時間約為20 s。地鐵列車單向通過南昌西站時，站臺層測點S2的時域曲線如圖6(a)所示，當2個方向行駛的列車交疊測到時，站臺層測點S2的時域曲線如圖6(b)所示。由圖6可以直觀看出：測點的峰值振動加速度隨時間先增大再變小，并在較低的水平逐漸趨于平穩(wěn)，反映了振動的衰減趨勢；當2個方向行駛的地鐵列車對站臺層測點均有影響時，能夠明顯看出時域曲線振動響應(yīng)特性的疊加。

圖6 列車不同方向通車時測點的振動響應(yīng)

2.3 站房結(jié)構(gòu)振動的頻域

為了研究站房結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)層、不同測點的振動響應(yīng)特性，對地鐵列車單向通過南昌西站時樓板結(jié)構(gòu)層的頻域進行分析。

2.3.1 站房結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)層的振動響應(yīng)特性

站臺層測點S2的頻域曲線如圖7(a)所示、換乘層測點H3的頻域曲線如圖7(b)所示、樓板層區(qū)域1測點A1的頻域曲線如圖7(c)所示、樓板層區(qū)域2測點3的頻域曲線如圖7(d)所示。

由圖7可以看出：站房結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)層具有不同的振動響應(yīng)特性，地鐵列車經(jīng)過時，隨著距離振源高度的增大，地鐵對樓板的振動響應(yīng)由高頻逐漸向低頻衰減，站臺層的振動主頻集中在0～300 Hz，換乘層、候車廳樓板層的振動主頻主要集中在0～100 Hz，其中60 Hz頻率附近的振動隨距離振源高度的衰減最慢。通過對地鐵工況的對比分析，可以看出地鐵列車制動進站的頻域成份比地鐵列車勻速通過車站時更加豐富。

2.3.2 測點的典型頻譜特性

選擇候車廳樓板測點B1，B4，A1，A3，分析樓板層測點的振動特性。選擇站臺層跨中測點Z2，換乘層25 m跨度樓板的跨中測點H3，分析其三維方向振動特性。樓板測點、車站不同結(jié)構(gòu)層不同方向的振動特性頻譜分析如圖8所示。

圖7 不同結(jié)構(gòu)層測點的頻域曲線

通過圖8(a)、圖8(b)可以看出：不同跨度的樓板，測點的頻域分布規(guī)律基本一致。樓板的振動主頻主要集中在0～50 Hz，樓板的跨度越大，在0～10 Hz的低頻范圍內(nèi)振動幅值越大，測點距離振源越近，低頻范圍的幅值越大。因此，靠近振源的樓板應(yīng)該選取合適的樓板跨度。

通過圖8(c)、圖8(d)可以看出：站臺層順軌方向與垂軌方向的振動主頻較為一致。三向振動在0～400 Hz的頻率范圍內(nèi)均存在多處峰值，站臺層的豎向振動在100～200 Hz頻率范圍內(nèi)的幅值大于順軌方向與垂軌方向的振動幅值；地鐵的三向振動傳播至高鐵車站的換乘層時，車站振動響應(yīng)頻率向0～100 Hz移動，3個方向的頻域分布基本一致，但是換乘層的豎向振動在0～20 Hz低頻范圍內(nèi)的幅值大于順軌方向與垂軌方向的振動幅值。

圖8 車站結(jié)構(gòu)各層測點的典型頻域曲線

2.4 站房結(jié)構(gòu)振動的倍頻程

為了分析列車通過時，樓板振動水平在頻域上的分布，對響應(yīng)信號進行1/3倍頻程分析。

2.4.1 地鐵站臺層的倍頻程

地鐵站臺層距離振源較近，振動響應(yīng)復雜，既能測到單向列車通過車站時的振動響應(yīng)，亦能測到2個方向的列車同時通過車站(列車交疊)時的振動響應(yīng)。當?shù)罔F列車單向進站時，站臺層測點S1、測點S2、測點S3的1/3倍頻程曲線如圖9所示。當2個方向的列車同時通過車站(列車交疊)時，站臺邊界測點的振動響應(yīng)主頻及趨勢與單向列車通過時的響應(yīng)趨勢一致。站臺中部測點S2的1/3倍頻程曲線如圖10所示。

圖9 站臺層測點的1/3倍頻程曲線

圖10 站臺層測點S2的1/3倍頻程曲線

由圖9和圖10的1/3倍頻程曲線可以看出，當?shù)罔F列車單向進站時，站臺層不同方向的振動響應(yīng)主頻基本一致。站臺邊界測點的振動峰值主要出現(xiàn)在2.5，5，63與200 Hz，邊界測點隨著距離軌道中心線距離的增大，峰值點頻率的振動響應(yīng)衰減約8～12 db。站臺中部測點的振動峰值主要出現(xiàn)在2.5，5，16，63與200 Hz，在頻率為16 Hz的振動主頻下，豎向振動比順軌方向與垂軌方向的振動響應(yīng)高約30 dB。站臺層邊界測點順軌方向與垂軌方向的振動水平與豎向環(huán)境振動水平處于同一量級?？拷€路運行方向的測點S3在0～315 Hz的頻率范圍內(nèi)，其豎向振動響應(yīng)大于順軌方向與垂軌方向的振動響應(yīng)。隨著距離軌道中心線距離的增大，在部分頻率范圍內(nèi)，順軌方向與垂軌方向的振動響應(yīng)大于豎向振動響應(yīng)。

由于站臺層測點布置在列車一側(cè)的端部，當2個方向的列車同時通過車站時，經(jīng)過測點時速度偏小，引起的振動響應(yīng)整體偏小，站臺中部測點的豎向振動響應(yīng)較大且明顯大于其它2個方向的振動響應(yīng)。在0～8 Hz的低頻下，順軌方向與垂軌方向的振動響應(yīng)比單向行車時減少10～20 dB，其他振動主頻下振動響應(yīng)比單向行車時減少8～12 dB。

2.4.2 地鐵換乘層的倍頻程

地鐵列車以不同方向通過時，換乘層樓板測點的振動響應(yīng)主頻較為一致，因此以地鐵列車單向通過時，以測點H3(圖2(b))的振動響應(yīng)為例，其1/3倍頻程曲線如圖11所示，分析測點在不同方向的振動特性。

圖11 換乘層測點的1/3倍頻程曲線

由圖11可以看出:換乘層樓板測點在不同方向的振動主頻較為一致。在0～315 Hz的頻率范圍內(nèi)，順軌方向、垂軌方向的振動水平比豎向振動小0～20 dB，換乘層樓板的振動主頻主要集中在0～100 Hz，其振動在16，63，200 Hz出現(xiàn)振動峰值，換乘層的豎向振動在200 Hz的頻率下比站臺層的振動響應(yīng)減少約30 dB,說明地鐵的振動響應(yīng)隨著距離振源高度的增大，高頻成分逐漸衰減，振動主頻向低頻移動。

2.4.3 地鐵候車廳樓板層的倍頻程

選取候車廳層2塊不同跨度的樓板研究板的振動特性，當樓板跨度為25 m×14 m時，測點的振動響應(yīng)曲線如圖12(a)所示，當樓板跨度為18 m×14 m時，測點的振動響應(yīng)曲線如圖12(b)所示。

圖12 樓板層測點的1/3倍頻程曲線

由圖12可以看出:由于樓板測點D1，D2(圖2(a))為板跨度1/4的點，能夠反映板的振動特性，測點的振動響應(yīng)在頻率為2 Hz時出現(xiàn)小幅值的增大，說明對于大跨度的樓板，2 Hz為樓板豎向振動的敏感頻率。

地鐵列車的振動響應(yīng)傳至候車廳樓板層的振動主頻主要集中在0～100 Hz，但是不同跨度的樓板具有不同的振動特性。25 m×14 m跨度的樓板在頻率為6.3 Hz時，加速度振級出現(xiàn)第1次峰值。而18 m×14 m大跨度樓板在頻率為8 Hz時，加速度振級出現(xiàn)第1次峰值，相同工況下，24 m跨度的樓板比18 m跨度的樓板振動響應(yīng)大3～5 dB，說明板的跨度越大，結(jié)構(gòu)越柔。

2.4.4 不同結(jié)構(gòu)層的倍頻程

為了研究地鐵列車在不同結(jié)構(gòu)層的振動傳遞特性，選取振動響應(yīng)測點進行1/3倍頻程分析。結(jié)構(gòu)測點僅在高度上存在差異，對應(yīng)的振動響應(yīng)曲線如圖13所示。

圖13 不同結(jié)構(gòu)層測點的1/3倍頻程曲線

由圖13可以看出：由地鐵運行引起的振動響應(yīng)傳遞到候車廳樓板層后，其振動主頻主要集中在0～80 Hz。換乘層的振動峰值為16，63 Hz，候車廳樓板層的振動峰值為6.3，16，25，63 Hz。隨著距離振源高度的增大，振動峰值逐漸向低頻移動，在5～40 Hz的低頻范圍內(nèi)，換乘層、樓板層的振動響應(yīng)大于站臺層的振動響應(yīng)。

3 站房結(jié)構(gòu)振動水平評價

3.1 不同結(jié)構(gòu)層的振動響應(yīng)

為了分析不同結(jié)構(gòu)層測點的振動響應(yīng)，對其平均最大振級進行分析。當?shù)罔F2號線通過綜合交通樞紐車站時，不同結(jié)構(gòu)層測點的振動響應(yīng)見表2，候車層測點的振動響應(yīng)見表3，換乘層測點的振動響應(yīng)見表4；當?shù)罔F2號線以不同的方向通過綜合交通樞紐車站時，站臺層測點的振動響應(yīng)見表5。

表2 不同結(jié)構(gòu)層的平均最大振級

表3 候車層不同測點的平均最大振級

由表3可以看出：不同結(jié)構(gòu)層測點的加速度振級，隨著距離振源高度的增加，呈指數(shù)型減少。候車廳樓板層測點由測點B1到測點B3，振動水平傳播距離每增大12 m，加速度振級平均衰減2～4 dB，振動響應(yīng)在測點B4有所放大。

由表2、表4和表5可以看出：換乘層測點的豎向振動比順軌方向與垂軌方向的振動高約3～12 dB；站臺層不同位置的振動響應(yīng)有所差異，其順軌方向與垂軌方向的振動響應(yīng)較為一致，振動響應(yīng)較大，當列車單向進站時，在遠離軌道線路的站臺邊緣位置其振動水平比垂向振動水平高5～7 dB。當2個方向的列車同時通過車站時，不同測點的最大振級比單向通過列車時減少4～13 dB。

表4 換乘層不同測點的平均最大振級

表5 不同作用方式下不同站臺層測點的平均最大振級

3.2 振動水平評價

不同國家有不同的評價標準與振動限值，根據(jù)車站的結(jié)構(gòu)形式選擇美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會AISC-11鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計指南中,車站候車區(qū)的峰值加速度限值0.15 m·s-2作為評價指標。選擇幾組不同結(jié)構(gòu)層的數(shù)據(jù)，振動響應(yīng)見表6。

表6 不同評價指標的振動響應(yīng)

由地鐵列車引起的振動響應(yīng)，站臺層的振動響應(yīng)超過了AISC-11鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計指南的振動限值，隨著距離振源高度的增大，振動響應(yīng)迅速衰減，車站在其他結(jié)構(gòu)層的振動響應(yīng)均未超過振動限值。綜合交通樞紐車站處于復雜的振動激勵下，存在多種車致振動響應(yīng)，研究多種振源下的振動響應(yīng)，進而采取相應(yīng)的減振措施，對車站結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要的意義。

4 結(jié) 論

(1)地鐵對樓板測點的振動響應(yīng)雖然通過混凝土框架柱進行豎向傳遞，但是樓板跨中、樓板1/4處的振動響應(yīng)大于軸線處的振動響應(yīng)，在距離軌道中心線30～48 m范圍的區(qū)域出現(xiàn)振動放大區(qū)，軸線處的振動放大效應(yīng)較大。

(2)在地鐵列車不同的行駛工況下，站臺層測點的豎向的峰值加速度并不總是大于順軌方向與垂軌方向的峰值振動加速度。因此，車站結(jié)構(gòu)的橫向、縱向穩(wěn)定性亦應(yīng)該受到重視。換乘層的豎向振動加速度明顯大于其它2個方向，說明梁、柱、樓板等構(gòu)件組成的換乘層具有較大水平、縱向剛度。

(3)地鐵列車經(jīng)過南昌西站時，隨著距離振源高度的增大，地鐵對樓板的振動響應(yīng)由高頻逐漸向低頻衰減。站臺層的振動主頻集中在0～300 Hz，換乘層、候車廳樓板層的振動主頻主要集中在0～100 Hz。在5～40 Hz的低頻范圍內(nèi)，換乘層、候車廳樓板層的振動響應(yīng)大于站臺層的振動響應(yīng)。

(4)綜合交通樞紐車站的振動特性，與結(jié)構(gòu)自身的頻率響應(yīng)特性有關(guān)，本次測試在結(jié)構(gòu)的自振特性開展研究。地鐵列車的振動響應(yīng)傳至候車廳樓板層的振動主頻主要集中在0～100 Hz，但是不同跨度的樓板具有不同的振動特性。25 m×14 m跨度的樓板在頻率為6.3 Hz時，測點的豎向振動加速度振級出現(xiàn)第1次峰值；而18 m×14 m大跨度樓板在頻率為8.0 Hz時測點的豎向振動加速度振級出現(xiàn)第1次峰值，說明板的跨度越大，結(jié)構(gòu)越柔。