重載鐵路引起地面振動(dòng)的試驗(yàn)與分析

孟 鑫，劉鵬輝，姚京川，王 巍，董振升，尹 京

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

重載鐵路引起地面振動(dòng)的試驗(yàn)與分析

孟 鑫，劉鵬輝，姚京川，王 巍，董振升，尹 京

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

對(duì)重載鐵路沿線在貨物列車通過(guò)時(shí)引起的地面振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試了距離鐵路7.5 m、15 m、30 m、60m、90 m處的地面橫向和垂向振動(dòng)速度，分析了振動(dòng)速度的幅值和頻率特性，得到貨物列車引起地面振動(dòng)的振源特性、傳播特性以及軸重、列車速度與振動(dòng)的關(guān)系。分析表明：貨物列車引起的地面振動(dòng)在5 Hz～10 Hz的范圍內(nèi)峰值明顯；隨著距離的增加，高頻成分的衰減比低頻更快。地面峰值振動(dòng)速度(PPV)隨著距離的增加呈冪函數(shù)衰減，在7.5 m～15 m距離內(nèi)振動(dòng)峰值衰減顯著。在7.5 m處橫向和垂向峰值振動(dòng)速度數(shù)值接近；在15 m及更遠(yuǎn)距離處，橫向振動(dòng)速度衰減比垂向振動(dòng)速度快。地面橫向、垂向峰值振動(dòng)速度（PPV）隨行車速度、列車軸重提高呈增大趨勢(shì)。

振動(dòng)與波；重載鐵路；地面振動(dòng)；軸重；峰值振動(dòng)速度

隨著我國(guó)鐵路產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益擴(kuò)大，重載鐵路貨物列車軸重及牽引質(zhì)量不斷提高，由列車引發(fā)的地面振動(dòng)明顯增大，由于鐵路振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、循環(huán)次數(shù)多、振動(dòng)頻率低、影響范圍廣等特點(diǎn)，所帶來(lái)的振動(dòng)問(wèn)題日益突出[1,2]。近年來(lái)，由貨物列車引起的振動(dòng)對(duì)沿線建筑物結(jié)構(gòu)的影響引起了人們的普遍關(guān)注。鐵路列車對(duì)軌道的沖擊作用產(chǎn)生振動(dòng)，通過(guò)路基、橋梁墩臺(tái)等傳遞到周圍地層，進(jìn)而激勵(lì)地面建筑物產(chǎn)生振動(dòng)。鐵路引起的振動(dòng)作用時(shí)間長(zhǎng)且反復(fù)發(fā)生，這樣的小幅振動(dòng)的反復(fù)作用同樣會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成損害。

質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和振動(dòng)頻率與建筑物破壞有著密切的關(guān)系，能直接反映振動(dòng)能量大小，在建筑物的振動(dòng)評(píng)價(jià)中起著重要作用[1]。在國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3，4]中大多按照不同建筑物分類，采用與振動(dòng)頻率相關(guān)的不同方向的峰值振動(dòng)速度PPV（Particle Peak Velocity）作為限值。PPV是振動(dòng)速度時(shí)域波形的絕對(duì)值的最大值，能較好的反映建筑物所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力。

鐵路引起的地面振動(dòng)是個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行研究是最直觀也是最可靠的方法，得到的數(shù)據(jù)真實(shí)，具有說(shuō)服力。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者[5-7]針對(duì)鐵路引起的振動(dòng)進(jìn)行了大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，但測(cè)試參數(shù)多為振動(dòng)加速度，用以評(píng)價(jià)振動(dòng)對(duì)生活環(huán)境及人體健康的影響，而以振動(dòng)速度PPV為測(cè)試參數(shù)、以重載鐵路為測(cè)試對(duì)象的試驗(yàn)研究較少。雖然實(shí)測(cè)加速度信號(hào)與速度信號(hào)之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互轉(zhuǎn)化，但由此會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)誤差。對(duì)重載鐵路引起的地面振動(dòng)速度及其傳播特性進(jìn)行研究，可為今后鐵路沿線建筑物規(guī)劃及振動(dòng)危害防治提供指導(dǎo)，有較大的實(shí)際意義。

本文采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，在重載鐵路沿線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在線路狀況基本不變、行駛列車固定的情況下，對(duì)重載鐵路引起的地面振動(dòng)速度PPV進(jìn)行研究。測(cè)試了距離鐵路不同位置處的地面橫向和垂向振動(dòng)速度，分析了振動(dòng)速度的幅值和頻率特性，得到重載列車引起地面振動(dòng)的振源特性、傳播特性以及軸重和列車速度與振動(dòng)的關(guān)系。

1 試驗(yàn)概況

某煤炭專用重載鐵路正線全長(zhǎng)170 km，I級(jí)電氣化鐵路，單線，有砟軌道，無(wú)縫線路，鋼軌為60 kg/ m。至2012年底煤炭運(yùn)輸總量約為3.79億噸，運(yùn)輸采用主要車型為C 62、C 64、C 70、C 80。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)為高原地貌，土質(zhì)從上層依次為粉細(xì)砂、細(xì)砂加卵礫石、砂巖。鐵路軌枕下方道砟厚度約為40 cm～50 cm，測(cè)試平面為道砟下方的路基面，測(cè)試區(qū)域較為平坦、開闊，可視為均勻土體。

地面測(cè)點(diǎn)按照垂直于線路方向、在距外側(cè)鋼軌7.5 m、15 m、30 m、60 m、90 m處布置，各測(cè)點(diǎn)位于同一直線上。每個(gè)測(cè)點(diǎn)放置橫向、垂向振動(dòng)傳感器各一個(gè)，橫向傳感器垂直于線路方向。振動(dòng)傳感器與抗混迭濾波放大器匹配使用，試驗(yàn)采用的測(cè)試系統(tǒng)的通頻帶、量程、分辨率、抗干擾、率定等方面性能滿足測(cè)試要求。

選擇的速度傳感器為兼顧量程、分辨率等因素，采用通頻帶為2 Hz～100 Hz的檔位進(jìn)行測(cè)試，與ISO 4866：1990[8]中的交通振動(dòng)典型頻率范圍1 Hz～100 Hz略有差別。通過(guò)對(duì)比傳感器幅頻特性曲線，在1 Hz～2 Hz區(qū)段并不存在較大的變化；另外由實(shí)測(cè)可知，鐵路振動(dòng)在1 Hz～2 Hz區(qū)段內(nèi)振動(dòng)量值微小，選用的傳感器通頻帶的差別對(duì)測(cè)試結(jié)果基本無(wú)影響。

試驗(yàn)期間，共測(cè)試列車15趟，其中包括試驗(yàn)貨列（固定編組的空重混編車）、運(yùn)營(yíng)貨列（以C 62、C 80為主的空車和重車），經(jīng)過(guò)測(cè)試區(qū)域時(shí)列車速度范圍為30.2 km/h～79.7 km/h。

其中，試驗(yàn)貨列的編組為：DF4機(jī)車+6-C 80 B重+5-C 70重+6-C 80 BH空+5-C 70空+4-C 62 BK重+1-C62AK重+1-C 62 AB空+2-C 62 B空+2-C 62 AK空+DF4機(jī)車。

試驗(yàn)貨列的編組中包括C 80、C 70、C 62貨車，此三種車型目前是中國(guó)鐵路常用的貨車類型，重車軸重約為25 t、23 t、21 t，空車軸重約為5.00 t、5.95 t、5.68 t，將三種車型進(jìn)行空重混編。試驗(yàn)貨列的牽引機(jī)車固定、編組明確、軸重固定、兼顧空重，在線路狀況基本不變、行駛列車固定的條件，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)更為典型、具有代表性，更有分析、研究的價(jià)值。試驗(yàn)貨列通過(guò)試驗(yàn)區(qū)域的速度為40 km/h～80 km/h，本文中也以試驗(yàn)貨列的實(shí)測(cè)結(jié)果作為分析重點(diǎn)。

對(duì)振動(dòng)時(shí)域波形進(jìn)行分析時(shí)，首先對(duì)測(cè)試波形預(yù)檢，去掉奇異項(xiàng)，修正零線飄移、趨勢(shì)等誤差，確認(rèn)非失真的波形。讀取峰值振動(dòng)速度PPV時(shí)，取單峰值的最大絕對(duì)值。頻率分析主要采用傅里葉幅值譜和1/3倍頻程譜分析，二者均可描述不同頻率下振動(dòng)物理量的大小。幅值譜給出的是較為精確的具體某一頻率下的振動(dòng)量。1/3倍頻程譜縱坐標(biāo)是有效值，可以反映該頻段的振動(dòng)能量，是一種能量譜，通常1/3倍頻程曲線橫坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)[9]。頻率分析時(shí)，對(duì)參數(shù)設(shè)置、波形截取等進(jìn)行統(tǒng)一。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 振動(dòng)速度頻域分析

試驗(yàn)貨列經(jīng)過(guò)測(cè)試區(qū)域時(shí)，對(duì)地面測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，為清晰展示，僅給出了7.5 m、30 m處橫向、垂向振動(dòng)速度幅值譜，見(jiàn)圖1—圖2。

在距離外軌7.5 m、15 m處，垂向振動(dòng)速度呈寬頻特征，以5 Hz～20 Hz和50 Hz～100 Hz的頻率成分為主；在30 m及更遠(yuǎn)區(qū)域，垂向振動(dòng)速度以5 Hz～20 Hz的頻率成分為主，其中5 Hz～10 Hz的頻率成分在各測(cè)點(diǎn)處始終顯著，高頻成分?jǐn)?shù)值較小。

橫向振動(dòng)速度主頻分布與垂向基本相似，但幅值譜峰值大小有明顯區(qū)別，在7.5 m處橫向振動(dòng)高頻成分大于低頻。橫向振動(dòng)主要是由于軌道水平不平順引起的，車輛蛇行運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)不明顯。

圖1 試驗(yàn)貨列經(jīng)過(guò)時(shí)橫向振動(dòng)速度幅值譜圖

圖2 試驗(yàn)貨列經(jīng)過(guò)時(shí)垂向振動(dòng)速度幅值譜圖

試驗(yàn)貨列通過(guò)時(shí)，對(duì)地面測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析，各中心頻率下振動(dòng)速度隨距離衰減見(jiàn)圖3與圖4。頻譜分析可知，地面振動(dòng)速度橫向、垂向高于20 Hz的高頻成分衰減比低頻更快。

圖3 試驗(yàn)貨列經(jīng)過(guò)時(shí)橫向振動(dòng)速度1/3倍頻程頻譜圖

圖4 試驗(yàn)貨列經(jīng)過(guò)時(shí)垂向振動(dòng)速度1/3倍頻程頻譜圖

鐵路運(yùn)營(yíng)引起的地面振動(dòng)頻率較寬，且具有一些特征頻率[10]。當(dāng)列車以固定速度通過(guò)時(shí)，由于其軸重荷載的規(guī)則性排列，會(huì)產(chǎn)生周期性的動(dòng)力作用，列車的垂向加載頻率主要取決于列車速度v（km/h）和軸距d（m），加載頻率f=v/（3.6·d），貨物列車軸距分布見(jiàn)圖5所示。試驗(yàn)貨列的編組中包含C 80、C 70、C 62三類貨車，采用C 80 BH、C 70、C 62 AK軸距，計(jì)算貨物列車垂向加載頻率見(jiàn)表1。

圖5 貨物列車軸距示意圖

表1 貨物列車40 km/h～80 km/h垂向加載頻率計(jì)算值

對(duì)比貨物列車加載頻率計(jì)算值可知，貨物列車引起的垂向振動(dòng)速度主要是由于轉(zhuǎn)向架內(nèi)軸距、轉(zhuǎn)向架間軸距和軌道高低不平順引起的，軌枕間距、車輛內(nèi)軸距、車輛間軸距的效應(yīng)不明顯。

2.2 振動(dòng)速度隨距離的衰減

試驗(yàn)期間測(cè)試的所有試驗(yàn)貨列、運(yùn)營(yíng)貨列以不同速度經(jīng)過(guò)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度PPV匯總見(jiàn)表2。由實(shí)測(cè)數(shù)值可知：各測(cè)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度PPV隨距離的增加而減小，在7.5 m～15 m區(qū)域內(nèi)振動(dòng)峰值衰減最為顯著，衰減幅值約為0.8 mm/s～2.0 mm/s；在15 m及更遠(yuǎn)區(qū)域，振動(dòng)速度衰減放緩，在90 m測(cè)點(diǎn)處達(dá)到最小值。在30 m處振動(dòng)速度基本小于0.3 mm/s，在90 m處基本小于0.1 mm/s。

在7.5 m處橫向、垂向峰值振動(dòng)速度接近，在15 m及更遠(yuǎn)距離處垂向振動(dòng)速度均明顯大于橫向，表明橫向振動(dòng)速度衰減比垂向振動(dòng)速度快。

在線路狀況基本不變、行駛列車固定的情況下，研究地面振動(dòng)與距離衰減關(guān)系。為消除振動(dòng)測(cè)試中的車輛類型的隨機(jī)干擾，僅選取牽引機(jī)車固定、編組明確、軸重固定的試驗(yàn)貨列測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

將各測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)、對(duì)數(shù)和冪回歸處理后表明，冪回歸的結(jié)果與實(shí)際狀況吻合較好。將試驗(yàn)貨列速度接近的車次數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，然后再進(jìn)行冪回歸處理，得到試驗(yàn)貨列45 km/h、60 km/h、80 km/h下的振動(dòng)速度峰值PPV隨距離衰減曲線，見(jiàn)圖6—圖7。其它列車的實(shí)測(cè)結(jié)果也存在同樣的冪函數(shù)衰減規(guī)律。

表2 不同距離處峰值振動(dòng)速度匯總表

圖6 橫向峰值振動(dòng)速度PPV與距離衰減關(guān)系圖

圖7 垂向峰值振動(dòng)速度PPV與距離衰減關(guān)系圖

2.3 振動(dòng)速度與列車速度的關(guān)系

在線路狀況基本不變、行駛列車固定的情況下，對(duì)試驗(yàn)貨列不同速度下，各測(cè)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度PPV的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究地面振動(dòng)速度與列車速度的關(guān)系。列車速度范圍為46.2 km/h～79.7 km/h。

各測(cè)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度與列車速度關(guān)系見(jiàn)圖8—圖9。在距離外軌7.5 m、15 m處，橫向、垂向峰值振動(dòng)速度隨行車速度的提高而增大的趨勢(shì)較為明顯。將7.5 m、15 m處振動(dòng)速度進(jìn)行線性回歸處理，得到振動(dòng)速度峰值PPV與行車速度的擬合函數(shù)。

圖8 試驗(yàn)貨列經(jīng)過(guò)時(shí)橫向峰值振動(dòng)速度與行車速度關(guān)系圖

圖9 試驗(yàn)貨列經(jīng)過(guò)時(shí)垂向峰值振動(dòng)速度與行車速度關(guān)系圖

對(duì)試驗(yàn)貨列不同速度下，距離外軌7.5 m處振動(dòng)速度進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析。從整體來(lái)看，各中心頻率下橫向、垂向振動(dòng)速度以80 km/h通過(guò)的試驗(yàn)貨列引起的振動(dòng)最大，58 km/h次之，46 km/h最小，但在個(gè)別頻率下列車低速引起的振動(dòng)大于高速。

2.4 振動(dòng)速度與軸重的關(guān)系

選取運(yùn)營(yíng)貨列中的C 80空車（軸重約5 t）、重車（軸重約25 t）測(cè)試數(shù)據(jù)，剔除機(jī)車產(chǎn)生的影響，速度分別為45.7 km/h、41.9 km/h，分析不同軸重條件下引起的地面振動(dòng)速度的特性，實(shí)測(cè)數(shù)值匯總見(jiàn)表3。

表3 不同軸重列車作用下峰值振動(dòng)速度匯總表

由實(shí)測(cè)可知，橫向、垂向峰值振動(dòng)速度隨軸重增大而提高，垂向振動(dòng)提高幅度大于橫向。由于軸重增加引起距離外軌7.5 m、15 m處地面峰值振動(dòng)速度PPV增大1.2～1.5倍，距離外軌30 m、60 m、90 m處地面峰值振動(dòng)速度PPV增大1.2～2.3倍。

不同軸重列車作用下，對(duì)距離鐵路不同距離處各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析，如圖10—圖11所示。在中心頻率1 Hz～20 Hz區(qū)段，地面各測(cè)點(diǎn)處橫向、垂向振動(dòng)速度差異較大，重車引起振動(dòng)速度幅值明顯大于空車；在中心頻率20 Hz～80 Hz區(qū)段，地面各測(cè)點(diǎn)處橫向、垂向振動(dòng)速度差異較小。

圖10 各測(cè)點(diǎn)橫向振動(dòng)速度1/3倍頻程頻譜圖

圖11 各測(cè)點(diǎn)垂向振動(dòng)速度1/3倍頻程頻譜圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)典型重載鐵路貨物列車通過(guò)時(shí)引起的地面振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，主要結(jié)論如下：

（1）重載鐵路貨物列車引起的地面振動(dòng)在距離外軌7.5 m、15 m處呈寬頻特征，振動(dòng)速度以5 Hz～20 Hz和50 Hz～100 Hz的頻率成分為主，在30 m以上距離，垂向振動(dòng)速度以5 Hz～20 Hz的頻率成分為主。其中5 Hz～10 Hz的頻率成分在各測(cè)點(diǎn)處始終顯著。橫向、垂向高頻成分的衰減比低頻更快；

（2）重載鐵路貨物列車引起的地面峰值振動(dòng)速度PPV隨著距離的增加呈冪函數(shù)衰減，在7.5 m～15 m距離內(nèi)振動(dòng)峰值衰減顯著，在15 m及更遠(yuǎn)區(qū)域，振動(dòng)速度衰減趨緩，在7.5 m處橫向和垂向峰值振動(dòng)速度接近，在15 m及更遠(yuǎn)距離處橫向振動(dòng)速度衰減比垂向振動(dòng)速度快；

（3）重載鐵路貨物列車引起的地面橫向、垂向峰值振動(dòng)速度PPV隨行車速度、列車軸重提高呈增大趨勢(shì)。

[1]夏禾.交通環(huán)境振動(dòng)工程[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]夏禾，曹艷梅.軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，1(1)：44-51.

[3]GB 50868-2013.建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2013.

[4]DIN 4150-3.Structural vibration,Part 3.Effects of vibration on structures[S].1999.

[5]賀玉龍，周青，楊立中.350 km/h高速鐵路高架橋環(huán)境振動(dòng)的測(cè)試分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012，32(1)：170-173.

[6]夏禾，張楠，曹艷梅.列車對(duì)周圍地面及建筑物振動(dòng)影響的試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2004，26(4)：93-98.

[7]馮牧，雷曉燕.列車引發(fā)建筑物振動(dòng)試驗(yàn)及數(shù)值隔振研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2009，29(5)：80-86.

[8]ISO 4866:1990,Mechanical vibration and shock-Vibration of buildings-Guidelines for the measurement of vibrations and evaluation of their effects on buildings[S].1990.

[9]劉維寧，馬蒙.地鐵列車振動(dòng)環(huán)境影響的預(yù)測(cè)、評(píng)估與控制[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[10]徐建.建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)理解與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

Testing andAnalysis of Ground Vibration Induced by Heavy-haul Railway Operation

MENG Xin,LIU Peng-hui,YAO Jing-chuan, WANG Wei,DONG Zhen-sheng,YIN Jing
(Railway Construction Institute,ChinaAcademy of Railway Science,Beijing 100081,China)

Field test of ground vibration induced by heavy-haul railway operation was conducted.The transverse and vertical velocities of ground vibration at the distance of 7.5 m,15 m,30 m,60 m,90 m away from the rail were measured respectively.The amplitude and frequency characteristics of the vibration velocity were analyzed,and the vibration source characteristics,propagation characteristics and attenuation laws of the ground vibration induced by the heavy-haul train were obtained.The relation among the axle load,velocity of the train and the vibration was derived.Results show that the vibration components caused by the train have obvious peaks at each measuring point in 5-10 Hz frequency range.With the distance from the rail to the measurement point increasing,high frequency components of transverse and vertical velocities decay faster than the low frequency components.The Peak Particle Velocity(PPV)of the ground decays as a power law.At the distances of 7.5-15 m,the PPV decays significantly.At the distance of 7.5 m,the PPV values of transverse and vertical vibrations are close to each other.At the distances beyond 15 m，The PPV of the transverse velocity decays faster than that of the vertical velocity.Vibration velocity increases as the train speed and axle load increasing.

vibration and wave;heavy-haul railway;ground vibration;axle load;peak particle velocity(PPV)

TB53；TB123

：A

：：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.020

1006-1355(2015)01-0099-05

2014－06－24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51378500）；中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013G004-A-2）

孟鑫（1982－），男，山東濟(jì)寧人，助理研究員，工學(xué)碩士，主要研究方向：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、環(huán)境振動(dòng)預(yù)測(cè)評(píng)估。E-mail:sdjxmx@sina.com