劉堂輝 涂勤明 羅信偉 陳艷明 馮青松

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，510010，廣州；2.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，330013，南昌 ∥ 第一作者，高級(jí)設(shè)計(jì)師)

0 引言

為充分利用地鐵車(chē)輛段地面和地上空間，不少城市嘗試在地鐵車(chē)輛段上蓋進(jìn)行物業(yè)開(kāi)發(fā)。然而，地鐵車(chē)輛段上蓋物業(yè)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題不容忽視。地鐵檢修庫(kù)天車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)牛腿—柱子—車(chē)輛段平臺(tái)傳至上蓋建筑，從而引起上蓋建筑的振動(dòng)，進(jìn)而誘發(fā)二次結(jié)構(gòu)噪聲。若人長(zhǎng)期暴露在嚴(yán)重的振動(dòng)和低頻噪聲環(huán)境下，人體的心血管和神經(jīng)系統(tǒng)等生理功能可能會(huì)受到一定的損害。因此控制車(chē)輛段上蓋物業(yè)的振動(dòng)和噪聲成為上蓋物業(yè)是否開(kāi)發(fā)成功的關(guān)鍵。

隨著地鐵車(chē)輛段上蓋物業(yè)這類(lèi)工程的不斷發(fā)展，不少學(xué)者開(kāi)始關(guān)注這類(lèi)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題。文獻(xiàn)[1-3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了地鐵車(chē)輛段列車(chē)振動(dòng)源強(qiáng)特性，并且建立了基于車(chē)輛段上蓋物業(yè)振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)的精細(xì)化有限元模型。文獻(xiàn)[4]通過(guò)地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了沈陽(yáng)某地鐵車(chē)輛段上蓋雙子樓結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。文獻(xiàn)[5-8]對(duì)廣州和深圳的地鐵車(chē)輛段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了車(chē)輛段內(nèi)地鐵振動(dòng)在車(chē)輛段地面及上蓋建筑物內(nèi)的振動(dòng)傳播規(guī)律，并采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了建筑物內(nèi)輻射的結(jié)構(gòu)噪聲。文獻(xiàn)[9]提出了預(yù)測(cè)地鐵車(chē)輛段上蓋建筑振動(dòng)的阻抗模型，該模型計(jì)算效率較高，適用于車(chē)輛段建設(shè)初期的初步預(yù)測(cè)評(píng)估。文獻(xiàn)[10]提出了屏障減振措施，對(duì)比分析了屏障不同寬度、深度及填充材料的減振效果。文獻(xiàn)[11-12]對(duì)某高架車(chē)輛段上蓋七層住宅樓振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)和理論分析，理論模型采用二維車(chē)輛-軌道耦合模型和三維車(chē)輛段結(jié)構(gòu)有限元模型，并采用動(dòng)力剛度法預(yù)測(cè)了上蓋建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。文獻(xiàn)[13]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和三維有限元模型分析了試車(chē)線和檢修線雙振源作用下車(chē)輛段上蓋建筑物的振動(dòng)特性。文獻(xiàn)[14]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了某下沉式雙層地鐵車(chē)輛段咽喉區(qū)的振動(dòng)源強(qiáng)特性及振動(dòng)在車(chē)輛段平臺(tái)的傳播規(guī)律。

上述研究更多關(guān)注地鐵列車(chē)運(yùn)行引起的車(chē)輛段及上蓋建筑物的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，對(duì)天車(chē)運(yùn)行引起車(chē)輛段的振動(dòng)問(wèn)題研究還較少。地鐵車(chē)輛檢修過(guò)程中需要使用天車(chē)，天車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)同樣不可忽視。與地鐵列車(chē)運(yùn)行引起車(chē)輛段上蓋物業(yè)振動(dòng)不同，天車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞路徑為軌道—牛腿—柱子—車(chē)輛段平臺(tái)—上蓋建筑物，振動(dòng)能量不經(jīng)過(guò)土體的衰減直接傳至上蓋建筑物?；诖?，本文結(jié)合廣州某地鐵車(chē)輛段，通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段對(duì)天車(chē)運(yùn)行引起的振動(dòng)源強(qiáng)和上蓋建筑物振動(dòng)進(jìn)行研究，掌握天車(chē)的振動(dòng)源強(qiáng)特性及其在車(chē)輛內(nèi)的振動(dòng)傳播特征及規(guī)律，以期為地鐵車(chē)輛段減振設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 工程概況

廣州某地鐵車(chē)輛段主要由運(yùn)用庫(kù)、調(diào)機(jī)及工程車(chē)庫(kù)、聯(lián)合檢修庫(kù)、試車(chē)線構(gòu)成，其中天車(chē)主要在聯(lián)合檢修庫(kù)。車(chē)輛段上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)包括住宅、商業(yè)、休閑娛樂(lè)、幼兒園、學(xué)校等。住宅共61棟，其中54#樓—61#樓位于聯(lián)合檢修庫(kù)上方。本文試驗(yàn)斷面正上方為57#樓，該棟樓為疊墅，共3層，測(cè)試期間主體結(jié)構(gòu)已完工。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)工況

聯(lián)合檢修庫(kù)天車(chē)振動(dòng)源強(qiáng)共布置2個(gè)斷面：斷面一為天車(chē)軌道無(wú)縫斷面，編號(hào)為L(zhǎng)31-1；斷面二為天車(chē)軌道接縫斷面，編號(hào)為L(zhǎng)31-2。兩個(gè)斷面間隔一個(gè)柱間距。分別在兩個(gè)斷面的牛腿處布置振動(dòng)傳感器。此外，在聯(lián)合檢修庫(kù)上蓋57#樓內(nèi)1層和3層樓板中央和柱腳布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。

本次試驗(yàn)分為2種工況：工況1以最大載重量5 t運(yùn)行，共運(yùn)行10次；工況2以空載運(yùn)行，共運(yùn)行5次。2種工況下的天車(chē)運(yùn)行速度約為4 km/h，天車(chē)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行如圖1所示。

圖1 廣州某地鐵車(chē)輛段聯(lián)合檢修庫(kù)天車(chē)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)

1.3 測(cè)試儀器

本次測(cè)試采集儀采用德國(guó)Head公司SQuadriga III測(cè)試系統(tǒng)，源強(qiáng)處振動(dòng)傳感器采用PCB352振動(dòng)加速度傳感器，上蓋建筑物內(nèi)采用941B型振動(dòng)加速度傳感器。源強(qiáng)處和上蓋建筑物內(nèi)振動(dòng)采樣頻率為500 Hz。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 振動(dòng)源強(qiáng)分析

聯(lián)合檢修庫(kù)在各工況下源強(qiáng)處振動(dòng)加速度響應(yīng)如表1所示，兩斷面牛腿處振動(dòng)時(shí)頻域分析如圖2～3所示?？梢钥闯?，各測(cè)次振動(dòng)加速度級(jí)離散性較小，測(cè)試結(jié)果比較理想。當(dāng)天車(chē)以最大載重量在聯(lián)合檢修庫(kù)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，無(wú)縫處和鋼軌接縫處牛腿的振動(dòng)加速度級(jí)均值分別為94.3 dB和97.6 dB。當(dāng)天車(chē)空載在聯(lián)合檢修庫(kù)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，無(wú)縫處和鋼軌接縫處牛腿的振動(dòng)加速度級(jí)均值分別為96.2 dB和99.2 dB。接縫處振動(dòng)加速度明顯較大

表1 廣州某地鐵車(chē)輛段聯(lián)合檢修庫(kù)源強(qiáng)振動(dòng)加速度級(jí) 單位：dB

圖2 廣州某地鐵車(chē)輛段聯(lián)合檢修庫(kù)斷面L31-1牛腿不同工況下的振動(dòng)時(shí)頻域響應(yīng)圖

圖3 廣州某地鐵車(chē)輛段聯(lián)合檢修庫(kù)斷面L31-2牛腿不同工況下的振動(dòng)時(shí)頻域響應(yīng)圖

于無(wú)縫處，兩者相差有3～4 dB。建議車(chē)輛段內(nèi)天車(chē)軌道使用無(wú)縫鋼軌，從而達(dá)到減小振動(dòng)源強(qiáng)的目的。與天車(chē)以最大載重量工況運(yùn)行相比，同一速度(4 km/h)下天車(chē)空載運(yùn)行引起的振動(dòng)源強(qiáng)響應(yīng)比滿載工況還大，兩者相差1～2 dB。天車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，牛腿處振動(dòng)頻率分布較為分散，其中卓越頻率分布在100～150 Hz頻段。

2.2 上蓋建筑物振動(dòng)分析

車(chē)輛段上蓋建筑物室內(nèi)振動(dòng)評(píng)價(jià)量為Z振級(jí)(見(jiàn)表2)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 50355—2018《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]。聯(lián)合檢修庫(kù)天車(chē)運(yùn)行誘發(fā)建筑物振動(dòng)響應(yīng)如表3所示?？梢钥闯觯燔?chē)以滿載在聯(lián)合檢修庫(kù)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，上蓋建筑物1層和3層樓板中央Z振級(jí)均值分別達(dá)到81.2 dB和84.9 dB，超過(guò)規(guī)范二級(jí)限值3～6 dB，這可能由于吊車(chē)振動(dòng)直接通過(guò)牛腿—柱子—上蓋平臺(tái)傳至上蓋建筑物，振動(dòng)能量不經(jīng)過(guò)土體的衰減直接傳至上蓋建筑物，而混凝土結(jié)構(gòu)阻抗較小，從而造成吊車(chē)運(yùn)行引起上蓋建筑物的振動(dòng)響應(yīng)較大。因此,在車(chē)輛段設(shè)計(jì)過(guò)程中,除了關(guān)注列車(chē)引起振動(dòng)外，還需重點(diǎn)關(guān)注天車(chē)運(yùn)行誘發(fā)上蓋物業(yè)的振動(dòng)。由于柱腳處受到梁和柱的約束作用，因此柱腳處的振動(dòng)小于樓板中央的振動(dòng)，兩者相差10～15 dB左右。吊車(chē)運(yùn)行引起上蓋建筑物振動(dòng)從1層傳至3層時(shí)，柱腳和板中振動(dòng)均有所放大。

表2 標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50355—2018中規(guī)定的住宅建筑室內(nèi)Z振級(jí)限值 單位：dB

表3 廣州某地鐵車(chē)輛段聯(lián)合檢修庫(kù)天車(chē)誘發(fā)上蓋物業(yè)57#樓Z振級(jí) 單位：dB

天車(chē)運(yùn)行誘發(fā)上蓋建筑物樓板中央和柱腳的1/3倍頻如圖4～5所示。從圖中可以看出，建筑內(nèi)1層板中振動(dòng)峰值發(fā)生在31.5 Hz，3層板中振動(dòng)峰值發(fā)生在25.0 Hz，這可能與樓板構(gòu)造有關(guān)，3層樓板厚度小于1層樓板，導(dǎo)致3層樓板剛度小于1層樓板，使得3層樓板的振動(dòng)峰值頻率小于一層樓板。天車(chē)以滿載和空載兩種工況運(yùn)行時(shí)，板中和柱腳振動(dòng)在6.0～12.5 Hz頻段有一定差異，在該頻率范圍，天車(chē)以滿載工況運(yùn)行引起上蓋建筑的振動(dòng)大于空載的工況，而在其它頻率范圍則相差不大。

圖4 廣州某地鐵車(chē)輛段聯(lián)合檢修庫(kù)天車(chē)誘發(fā)上蓋物業(yè)57#樓樓板中央測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程圖

圖5 廣州某地鐵車(chē)輛段聯(lián)合檢修庫(kù)天車(chē)誘發(fā)上蓋物業(yè)57#樓柱腳測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程圖

2.3 振動(dòng)傳遞分析

天車(chē)運(yùn)行引起振動(dòng)在牛腿-上蓋建筑物傳遞1/3倍頻如圖6所示。從圖中可以看出：振動(dòng)從上蓋建筑物內(nèi)1層柱腳向3層柱腳傳遞過(guò)程中，在3 Hz以?xún)?nèi)和80 Hz以上頻率范圍會(huì)有一定衰減，而在30～60 Hz頻段則會(huì)有一定的放大，在5～20 Hz頻段基本沒(méi)有變化。在分析頻率范圍內(nèi)，1層和3層柱腳振動(dòng)相比振源牛腿處有明顯衰減；在50 Hz以上，頻率越高衰減越大；在200 Hz處衰減最大，達(dá)到30～40 dB。

圖6 廣州某地鐵車(chē)輛段聯(lián)合檢修庫(kù)天車(chē)運(yùn)行振動(dòng)傳遞1/3倍頻圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)天車(chē)運(yùn)行引起地鐵車(chē)輛段上蓋建筑物振動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，基于試驗(yàn)結(jié)果分析了天車(chē)振動(dòng)源強(qiáng)、上蓋建筑物振動(dòng)特性和振動(dòng)傳遞規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1) 天車(chē)在車(chē)輛段運(yùn)行時(shí)，接縫處牛腿振動(dòng)加速度明顯較大于無(wú)縫處，兩者相差3～4 dB。建議車(chē)輛段內(nèi)天車(chē)軌道使用無(wú)縫鋼軌，以達(dá)到減小振動(dòng)源強(qiáng)的目的。

2) 天車(chē)振動(dòng)能量通過(guò)阻抗較小的混凝土結(jié)構(gòu)直接傳至上蓋建筑物，從而造成吊車(chē)運(yùn)行引起上蓋建筑物的振動(dòng)響應(yīng)較大。因此，在車(chē)輛段設(shè)計(jì)過(guò)程中，除關(guān)注列車(chē)引起振動(dòng)外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注天車(chē)運(yùn)行誘發(fā)上蓋物業(yè)的振動(dòng)。

3) 天車(chē)以滿載和空載兩種工況運(yùn)行時(shí)，上蓋建筑物內(nèi)樓板中央和柱腳振動(dòng)在6.0～12.5 Hz頻段有一定差異，在該頻率范圍，天車(chē)以滿載工況運(yùn)行引起上蓋建筑的振動(dòng)大于空載工況，而在其它頻率范圍則相差不大。

4) 天車(chē)引起的振動(dòng)從上蓋建筑物1層柱腳向3層柱腳傳遞時(shí)，Z振級(jí)出現(xiàn)一定的增大。在小于3 Hz以?xún)?nèi)和大于80 Hz頻率范圍會(huì)有一定衰減，而在30～60 Hz頻段則會(huì)出現(xiàn)一定的放大，在5～20 Hz頻段基本沒(méi)有變化。