地鐵誘發(fā)的環(huán)境振動及振源減振效應(yīng)的實測與分析*

盛　濤， 張善莉， 單伽鉦， 施衛(wèi)星

（1.寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院 寧波，315211） （2.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所 上海，200092）（3.Faculty of Engineering，National University of Singapore，Singapore，119077）

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地鐵誘發(fā)的環(huán)境振動及振源減振效應(yīng)的實測與分析*

盛濤1，2， 張善莉2，3， 單伽鉦2， 施衛(wèi)星2

（1.寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院 寧波，315211） （2.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所 上海，200092）（3.Faculty of Engineering，National University of Singapore，Singapore，119077）

以上海市某地鐵線路鄰近的六層砌體結(jié)構(gòu)居民建筑為例，通過現(xiàn)場實測，分析了地鐵誘發(fā)的三向環(huán)境振動對室內(nèi)舒適度的影響程度及主要影響因素；分別在更換了高彈性扣件和降低了列車行駛速度之后，再次對三個正交方向的室內(nèi)舒適度進(jìn)行了實測。結(jié)果表明：（1）地鐵環(huán)境振動主要引起室內(nèi)樓板的豎向振動，其振級與樓板豎向自振頻率直接相關(guān)，且沿樓層往上逐層減小，頂層樓面相對于首層可減小約5 dB；（2）樓板的水平向振動主要受整體結(jié)構(gòu)高階振型的影響，在某些特定樓層可能出現(xiàn)舒適度超標(biāo)；（3）更換高彈性扣件能明顯減小室內(nèi)樓板的豎向振級，在峰值處可減小約10 dB，但也明顯放大了其縱向振級，對橫向振動的控制效果不明顯；（4）降低列車行駛速度對三個正交方向的室內(nèi)舒適度均具有明顯的提升效果，豎向振級在峰值處減小約8 dB，橫向和縱向振級最大減小約30 dB，可用于某些環(huán)境振動敏感區(qū)域進(jìn)行振動控制。

地鐵；環(huán)境振動；舒適度；振源減振；現(xiàn)場實測

引 言

城市軌道交通可以很大程度的減小交通擁堵及大氣污染等問題，已成為我國“十二五”時期的重點(diǎn)投資和發(fā)展戰(zhàn)略之一。隨著各大、中型城市的地鐵線路逐漸進(jìn)入建設(shè)和運(yùn)營階段，由此引發(fā)一系列環(huán)境振動問題，在一些特殊區(qū)段對建筑物的室內(nèi)舒適度產(chǎn)生了很大影響，已引起社會各界的廣泛關(guān)注［1-3］。例如：北京地鐵6號線途徑的朝陽區(qū)定福家園小區(qū)、廣州地鐵6號線途徑的黃花崗附近小區(qū)、上海地鐵的10號線和11號線交匯的紅莊小區(qū)等，居民對地鐵線路所引起的室內(nèi)振動的反響均非常強(qiáng)烈［4］。

為了減小該類環(huán)境振動的影響，傳統(tǒng)的振動控制方法主要包括振源減振、傳播途徑減振及建筑物被動減振與隔振三種類型［5-8］。由于受到實際條件的限制，以往關(guān)于振源減振方法的實測及研究多注重振源與自由場地的振動控制效應(yīng)［9-11］，而很少與鄰近建筑室內(nèi)的舒適度直接關(guān)聯(lián)，且測試過程多局限于豎向，往往忽略了水平向振動的影響，難以對此類環(huán)境振動的影響程度作出全面的評估。

筆者以上海市某地鐵線路和鄰近的多層砌體結(jié)構(gòu)民建筑為例，通過現(xiàn)場實測首先分析了未采取任何減振措施時，地鐵隧道誘發(fā)的三向環(huán)境振動對室內(nèi)舒適度的影響程度及主要的影響因素。在更換了高彈性扣件和降低了列車行駛速度之后，分別對室內(nèi)的三向舒適度再次進(jìn)行了實測，比較分析了兩種振源減振方法的有效性?，F(xiàn)場測試和分析的結(jié)果對地鐵環(huán)境振動及其控制措施的開發(fā)具有參考價值。

1 實測場地概況

筆者測試場地位于上海市浦東新區(qū)的某地鐵車站附近，地鐵隧道與鄰近自由場地及6層居民建筑的位置關(guān)系如圖1所示。其中，自由場地的面積約為30×45 m2；6層居民建筑采用砌體結(jié)構(gòu)，層高2.6 m，底層采用架空樓板，總建筑面積約為1 728 m2；隧道的埋置深度為8～12 m，平均每3 min通過一趟上行或下行列車。根據(jù)現(xiàn)場的勘察結(jié)果，深度50 m范圍內(nèi)的土層主要包括粘性土及淤泥質(zhì)土，其中淤泥質(zhì)土為連續(xù)分布，其厚度約為13 m，與隧道底部基本平齊。整個覆蓋土層的平均剪切波速為125 m/s，為典型的軟土場地條件。

圖1　地鐵環(huán)境振動的實測場地圖Fig.1 Measuring site of subway-induced environmental vibrations

自由場地、6層居民建筑及樓板振動測試的現(xiàn)場照片如圖2所示。由于該居民建筑緊臨上海市二級公路，測試數(shù)據(jù)中可能混有路面交通引起的環(huán)境振動影響，在數(shù)據(jù)處理和分析時根據(jù)Morlet小波變換原理結(jié)合其頻譜特性對其影響作了消除［4］。另外，在對樓板的三向振動進(jìn)行測試時，為了排除架空裝修層的影響，直接將傳感器布置在了混凝土樓面上（圖2（c））。

圖2　自由場地和6層居民樓現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Photos of the open field and the six-story residential

2 建筑物室內(nèi)舒適度實測與分析

2.1測試及分析方法

應(yīng)用12個可測頻率范圍0.05～500 Hz、靈敏度為49.67 V/g的Lance LC0132T，以及6個可測頻率范圍0.03～200 Hz、靈敏度16.89 V/g的KD12000L壓電式傳感器，結(jié)合SVSA動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀對6個樓層的三向振動加速度時程進(jìn)行測試，采樣頻率設(shè)置為200 Hz。為了確定環(huán)境振動對室內(nèi)舒適度的主要影響因素，另在室外的自由場地處布置一個測點(diǎn)，以分析土層振動與樓板振動的頻譜和幅值區(qū)別。

以往實測結(jié)果表明，地鐵環(huán)境振動表現(xiàn)出較強(qiáng)的非平穩(wěn)特性，因此首先結(jié)合Morlet小波時-頻譜和功率譜［12］及對樓板振動進(jìn)行分析；然后按照ISO2631：Part I和Part II舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)［13-14］及國內(nèi)的JGJ/T 170-2009地鐵環(huán)境振動評價標(biāo)準(zhǔn)［15］，作出10趟列車通過時的1/3倍頻程分頻振級平均值后，與舒適度限值進(jìn)行比較。

2.2測試結(jié)果及分析

作出室外自由場地和室內(nèi)1層樓面板的豎向振動加速度時程、功率譜及小波時-頻譜如圖3所示。另作出10趟列車通過時，第1，2，6層樓面的1/3倍頻程分頻振級平均值及隨樓層的變化情況，如圖4所示。

由圖3的測試結(jié)果可知：a.室外自由場地的環(huán)境振動能量主要集中于20～80 Hz，呈沖擊振動和寬頻振動特性；b.室內(nèi)1層樓面的豎向振動的頻率成分相對單一，主要位于39 Hz處，也呈現(xiàn)出沖擊振動特性；c.室外自由場地處環(huán)境振動的功率譜峰值為0.004（m/s2/Hz），而室內(nèi)1層樓面的功率譜峰值為0.2（m/s2/Hz）。

結(jié)合該建筑的抗震性能鑒定報告，首層樓面板的豎向自振頻率約為39 Hz。根據(jù)上述實測結(jié)論可知，地鐵環(huán)境振動在由墻體傳遞至室內(nèi)樓板后，引發(fā)了強(qiáng)烈的樓板平面外振動，因此樓板的豎向自振頻率是影響室內(nèi)舒適度的主要因素。由此可知，在減小地鐵環(huán)境振動對鄰近建筑室內(nèi)舒適度的影響時，應(yīng)盡量使得環(huán)境振動頻率區(qū)間遠(yuǎn)離樓板的豎向自振頻率。

圖3　室外自由場地和室內(nèi)1層樓面的豎向振動加速度時程、功率譜及小波時-頻譜Fig.3 Vertical accelerations，PSD and wavelet time-history spectrum of the vibration on open field and the 1stfloorslab

圖4　1，2，6層樓面的分頻振級平均值和沿樓層的變化趨勢Fig.4 Average frequency vibration levels on the 1st，2nd，6thfloorslabs，and the variation tendency with floor

由圖4（a）～（c）的分頻振級測試結(jié)果可知，地鐵引起該建筑物的室內(nèi)豎向振級嚴(yán)重超出了舒適度標(biāo)準(zhǔn)限值，室內(nèi)振感強(qiáng)烈。水平向振動則相對較小，但仍有超標(biāo)的可能性（如2層和6層樓面的橫向振動），應(yīng)引起注意。圖4（d）～（e）的實測結(jié)果表明：a.豎向振級沿樓層往上逐層減小，6層樓面相對于1層樓面減小了約5 dB；b.地鐵激勵下建筑結(jié)構(gòu)的水平向振動以高階振型為主，在一些特定樓層存在舒適度超標(biāo)的可能性，如第3層和第6層的縱向、第2層的橫向振級。因此，在一些敏感地段還應(yīng)采取輔助措施以減小水平向地鐵環(huán)境振動對建筑物的影響。

3 更換扣件的減振效應(yīng)實測與分析

3.1扣件減振原理

扣件是鋼軌與軌枕的聯(lián)接零件，是保證軌道結(jié)構(gòu)整體彈性和穩(wěn)定性的措施。扣件系統(tǒng)可以看作是扣件彈簧Kf和軌下墊層彈簧Kp的并聯(lián)，其計算簡圖如圖5（a）所示，因此其豎向剛度Kfv約為Kf和Kp之和。

目前，我國軌道交通系統(tǒng)中應(yīng)用的減振型扣件主要分為兩類，一種是Kfv值約為17～50 k N/mm的一般彈性扣件；另一種是Kfv值約為10～17 k N/ mm或更小的高彈性扣件?？奂到y(tǒng)的形狀復(fù)雜性決定了其較難應(yīng)用材料力學(xué)的方法計算其豎向剛度，一般應(yīng)用實驗方法進(jìn)行測試［16］。

3.2測試方法

為了分析由英國PANDROL公司研發(fā)的Vanguard高彈性扣件對室內(nèi)舒適度的提升效果（扣件的構(gòu)造細(xì)節(jié)如圖5（b）所示），在位于上述6層居民建筑正下方的地鐵隧道內(nèi)，沿線1 km處應(yīng)用該類高彈性扣件代替不具有減振性能的扣件后，對室內(nèi)舒適度再次進(jìn)行測試?，F(xiàn)場更換扣件后的照片如圖5（c）所示。

圖5　軌道扣件系統(tǒng)的計算簡圖及vanguard高彈性扣件Fig.5 Track fastening system and vanguard high elastic fastener

本次測試所用的儀器與第2節(jié)相同。為簡化分析，僅在首層樓面布置一個測點(diǎn)，同時測量三個正交方向的振動加速度時程。

3.3實測結(jié)果及分析

某趟列車通過時的樓板豎向振動加速度時程、功率譜及小波時-頻譜如圖6（a）所示。按國內(nèi)外舒適度相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［13-15］作出10趟列車通過時，更換扣件前后的1/3倍頻程分頻振級平均值，如圖6（b）～（d）所示。

比較圖6（a）和圖3（b）的測試結(jié)果可知，更換高彈性扣件后，樓板的豎向振動能量在時間軸上更為集中，功率譜則僅為更換扣件前的1/4。

圖6（b）的豎向振級實測結(jié)果表明，高彈性扣件對室內(nèi)豎向舒適度具有明顯的提升效應(yīng)，1～80 Hz范圍內(nèi)各頻率處的振級均有所減小，在39 Hz處減小了約10 dB。

圖6（c）的橫向測試結(jié)果表明，除了在50 Hz處出現(xiàn)了約8 dB的放大現(xiàn)象外，其他頻率處的振級與更換扣件前基本相似，因此更換高彈性扣件對室內(nèi)橫向振級的控制效果不明顯。圖6（d）的縱向測試結(jié)果則表明，高彈性扣件對室內(nèi)的縱向振級有明顯的負(fù)面效應(yīng)，導(dǎo)致所有頻率處的振級平均增加了約10 d B，最大增幅約15 d B。這與高彈性扣件使得鋼軌的彎曲變形更為明顯、進(jìn)而增加車輪沿鋼軌的縱向爬行力有較大關(guān)系，在實際工程應(yīng)用時應(yīng)引起重視。

圖6　1層樓面的豎向振動時-頻特性及三向振動的分頻振級均值Fig.6 Time-history spectrum of the vertical vibration and the orthogonal average frequency vibration levels on the 1stfloorslab

4 降低列車行駛速度的減振效應(yīng)實測與分析

4.1降速的振動控制原理與測試方法

行駛狀態(tài)的列車作用于軌道上的力大體可以分為豎直力、橫向水平力和縱向水平力三種，其大小均與列車行駛速度直接或間接相關(guān)［16］。為了分析列車行駛速度對鄰近建筑室內(nèi)舒適度的影響，將列車行駛速度的平均值由之前的60 km/h降低為36 km/h后，再次對室內(nèi)舒適度進(jìn)行實測。測點(diǎn)的布置位置、測試方向及所用設(shè)備、儀器等，均與更換扣件后的實測過程相同。

4.2實測結(jié)果及分析

某趟列車通過時的樓板豎向振動加速度時程、功率譜及小波時-頻譜如圖7（a）所示。按舒適度相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［13-15］作出10趟列車通過時，降速前后的1/3倍頻程分頻振級平均值，如圖7（b）～（d）所示。

比較圖7（a）、圖6（a）和圖3（b）的測試結(jié)果可知，降低列車行駛速度后，樓板的豎向振動能量不僅在時間軸區(qū)域上更分散、且功率譜更小，這對于以1 s為計權(quán)時間的評價體系而言［12-14］，對舒適度的提升更為有利。

圖7（c）～（d）的測試結(jié)果表明，降低列車行駛速度對室內(nèi)樓板在三個正交方向的舒適度均具有明顯的提升效果，其中豎向振級在樓板自振頻率處（39 Hz）減小了約8 d B；橫向及縱向振級在各頻率處最大減小了約30 d B，平均減小了約8 dB。

需要說明的是，在結(jié)合應(yīng)用了高彈性扣件和降低列車行駛速度兩種方法之后，室內(nèi)舒適度雖有了較大幅度的提升，使得豎向1/3倍頻程分頻振級最大減小了約18 dB，但對于文中所述的實例而言，樓板的豎向舒適度仍超出標(biāo)準(zhǔn)約6 d B，因此還需結(jié)合其他方法進(jìn)一步提升室內(nèi)舒適度，以滿足JGJ/ T170-2009規(guī)范的限值要求［15］。

圖7　1層樓面的豎向振動時-頻特性及三向振動分頻振級均值Fig.7 Time-history spectrum of the vertical vibration and the orthogonal average frequency vibration levels on the 1stfloorslab

5 結(jié) 論

1）地鐵環(huán)境振動主要引起室內(nèi)樓板的豎向振動，其與樓板的豎向自振頻率直接相關(guān)，且沿樓層往上逐層減小，本例中的6層樓面相對于1層樓面減小了約5 d B。

2）樓板的水平向振動主要受整體結(jié)構(gòu)高階振型的影響，在某些特定樓層有出現(xiàn)水平向舒適度超標(biāo)的可能性。因此在部分敏感地段，還應(yīng)控制地鐵水平向環(huán)境振動對室內(nèi)舒適度的影響。

3）更換高彈性扣件能明顯減小室內(nèi)樓板的豎向振級，在峰值處可減小約10 dB，但也明顯放大了其縱向振級，對橫向振動的控制效果不明顯。

4）降低列車速度對三個正交方向的室內(nèi)舒適度均具有明顯的提升效果，豎向振級在峰值處減小約8 dB，橫向和縱向振級最大減小約30 dB，可用于某些環(huán)境振動敏感區(qū)域進(jìn)行振動控制。

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X593；TU352.1

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.02.000

盛濤，男，1984年9月生，博士、講師。主要研究方向為地鐵環(huán)境振動控制及地震工程。曾發(fā)表《擬合核電廠設(shè)計反應(yīng)譜及峰值位移的地震動調(diào)整方法》（《核動力工程》2012年第33卷第1期）等論文。

E-mail：south-west@126.com

簡介：單伽鉦，男，1986年5月生，博士、助理研究員。主要研究方向為地鐵環(huán)境振動控制及建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。曾發(fā)表《Structural damage diagnosis using interstory drift based acceleration feedback with test validation》（《Journal of Engineering Mechanics》2013，Vol.139，No.9）等論文。

E-mail：08jzshan@#edu.cn

*國家自然科學(xué)基金資助項目（51408324），上海市建交委“十一五”重大科研項目計劃資助項目（重科2010-002）

2014-03-10；

2014-06-03