高速鐵路周邊建筑物環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

王祥秋　張火軍　謝文璽

摘要：

對(duì)高速鐵路列車引起的周邊建筑物與地面環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，利用頻譜分析方法研究高速列車引起的周邊地面與建筑物環(huán)境振動(dòng)特性，結(jié)合城市鐵路振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高鐵環(huán)境振動(dòng)影響進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：時(shí)速270 km/h的高速列車產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)頻率主要集中在25～60 Hz范圍內(nèi)；建筑物垂直振動(dòng)大于水平振動(dòng)，建筑物鉛垂Z振級(jí)最高可達(dá)70.62 dB，建筑物二次振動(dòng)具有明顯的高度放大效應(yīng)，建筑物頂層鉛垂Z振級(jí)約為室內(nèi)地面的1.094倍；周邊地面振動(dòng)明顯大于建筑物振動(dòng)，但兩者表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，周邊地面分頻振級(jí)最高可達(dá)92.0 dB，而建筑物分頻振級(jí)最大值僅為80 dB；高速鐵路環(huán)境噪聲值高達(dá)92.8 dB，超過(guò)城市環(huán)境噪聲重度污染標(biāo)準(zhǔn)。高速鐵路產(chǎn)生的環(huán)境噪聲污染遠(yuǎn)大于環(huán)境振動(dòng)影響，須采取相應(yīng)的隔聲降噪措施，以重點(diǎn)控制高速鐵路環(huán)境噪聲污染。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；環(huán)境振動(dòng)；頻譜分析

中圖分類號(hào)：U213.313

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2018）03001607

Abstract：

The insitu test was carried out for the environmental vibration response of the surrounding buildings and the ground caused by high speed railway trains， the spectrum analysis method was used to study vibration characteristics of the surrounding buildings and ground. The environmental vibration levels of high speed railway was analyzed and evaluated in combination with the vibration control standard of urban railway. The results of study show that the environmental vibration frequency caused by the 270 km/h highspeed trains is mainly concentrated on the range of 25～60 Hz.The vertical vibration of building is larger than the horizontal vibration， the maximum of Zlevel of vertical vibration is 70.62 dB. The second vibration in the building has a obvious height amplification effect， the maximum Zlevel of vertical vibration on the top floor of the building is about 1.094 times of that on the first layer. The ground vibration is obviously larger than that of the surrounding buildings， but the similar changing law is shown between the ground and the building， the maximum of vibration level of division frequency on the ground can up to 92 dB， but the maximum of vibration level of division frequency on the buildings can only up to 80 dB. The environmental noise of high speed railway is up to 92.8 dB， more than the severe pollution standards of city environmental noise. Environmental noise pollution caused by high speed railway is greater than the impact of environmental vibration， the corresponding noise reduction and sound insulation measures should be adopted to effectively control the level of environmental noise.

Keywords：

high speed railway； insitu test；environmental vibration；spectrum analysis

中國(guó)高速鐵路發(fā)展速度與應(yīng)用技術(shù)水平已處于世界領(lǐng)先地位，相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者針對(duì)普通鐵路或地鐵振動(dòng)問(wèn)題開(kāi)展過(guò)較為深入的研究，積累了較豐富的研究工作經(jīng)驗(yàn)[13]，但針對(duì)高速鐵路（時(shí)速達(dá)到250 km以上）環(huán)境振動(dòng)影響特性，特別是基于高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成果對(duì)城區(qū)周邊建筑物環(huán)境影響的研究還比較少。

瑞典和比利時(shí)鐵路部門[45]，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)著重分析了列車高速行駛對(duì)鐵路振動(dòng)的影響，并觀測(cè)到高速列車以臨界速度行駛時(shí)引起的軌道和大地強(qiáng)振動(dòng)現(xiàn)象。美國(guó)聯(lián)邦鐵路運(yùn)輸部門[6]綜合考慮鐵路環(huán)境振動(dòng)源、振動(dòng)傳播路徑和被振動(dòng)體等各方面影響因素，提出了高速鐵路噪聲和振動(dòng)預(yù)測(cè)評(píng)估方法。Connolly等[78]、Marshall等[9]通過(guò)對(duì)德國(guó)柏林以及橫跨歐洲7國(guó)的高速鐵路環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析，基于頻譜分析獲得了高速鐵路環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)特性。Okamoto 等[10]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出時(shí)速350與250 km/h高速鐵路的環(huán)境振動(dòng)頻率主要集中在40和25 Hz左右的結(jié)論。高廣運(yùn)等[11]對(duì)秦沈客運(yùn)專線、馬利衡等[12]對(duì)滬寧高速鐵路，賀玉龍等[13]、張光明等[14]、馬莉等[15]、鄭亞瑋等[16]對(duì)京津城際鐵路、武廣高速鐵路等的環(huán)境振動(dòng)做了探索性研究工作，取得了一定的研究成果。但目前針對(duì)高速鐵路環(huán)境振動(dòng)對(duì)周邊建筑物影響的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究與理論研究還比較少，尚須進(jìn)一步深入開(kāi)展相關(guān)研究。為此，以武廣高速鐵路位于廣州市區(qū)某沿線建筑物為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析高速鐵路誘發(fā)周邊地面及建筑物環(huán)境的振動(dòng)特性。

1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1測(cè)試地點(diǎn)概況

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試地點(diǎn)位于廣州市區(qū)金沙洲隧道往廣州南站方向的出口處，被測(cè)建筑物為3層框架結(jié)構(gòu)住宅樓，建筑物平面如圖1所示。被測(cè)建筑物屬現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，墻體厚度200 mm，采用高強(qiáng)混凝土管樁基礎(chǔ)，建筑物平面尺寸為11.66 m×11.63 m，建筑高度14.05 m，房屋結(jié)構(gòu)狀況良好，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫；建筑物室外地坪為水泥硬化地面，建筑物外墻至高速鐵路軌道邊緣直線距離約為18.2 m，測(cè)試段高速鐵路線路底部采用整體式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，建筑物與高速鐵路線路之間用一道混凝土圍墻和一道安全鐵絲網(wǎng)分隔。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件確定測(cè)點(diǎn)的具體布設(shè)方案如圖1所示，其中：J1～J4號(hào)測(cè)點(diǎn)分別布置于建筑物室內(nèi)1層地面以及2層、3層與頂層平面開(kāi)間尺寸最大房間的正中央，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)3個(gè)傳感器，分別沿高鐵線路行進(jìn)方向（y方向）、垂直于高鐵線路行進(jìn)方向（x方向）以及垂直于樓面方向（z方向）；D1～D3號(hào)測(cè)點(diǎn)布置于建筑物與高速鐵路之間的水泥地面上，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)2個(gè)傳感器，分別垂直于高鐵線路行進(jìn)方向（x方向）和垂直于地面水平方向（z方向）布設(shè)，埋設(shè)過(guò)程中采用牙膏作為傳感器與地面之間的耦合劑，測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果證明，其耦合效果良好。

1.2測(cè)試儀器與設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用DH5922N型動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，拾振器選用專門用于環(huán)境微振動(dòng)測(cè)試的DH610H磁電式三向多功能傳感器，該類傳感器采用無(wú)源閉環(huán)伺服技術(shù)，具有良好的超低頻特性。測(cè)試之前，確保建筑物室外地面所有傳感器與動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)良好連接，并將全部傳感器調(diào)試至加速度檔；測(cè)試采用連續(xù)采樣方式，同步采集建筑物以及地面7個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，采樣頻率為1 000 Hz；加速度傳感器現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)及測(cè)試試驗(yàn)情況如圖2所示。

2時(shí)頻特征分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)共采集了10趟高速列車振動(dòng)信號(hào)（加速度統(tǒng)計(jì)信息如表1所示），通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，各次列車通過(guò)測(cè)試區(qū)間所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)具有很高的相似性。僅選取其中一趟列車的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析研究高速列車環(huán)境振動(dòng)特性，該趟列車由廣州南站開(kāi)往武漢，運(yùn)行速度v=265.8 km/h，車輛型號(hào)為CRH3型，編組為8節(jié)車廂，平均軸距125 m，通過(guò)分析得到建筑物與地面各測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程曲線及對(duì)應(yīng)的頻域能量譜密度如圖3～圖4所示。

由圖3、圖4可知，高速鐵路列車運(yùn)行所產(chǎn)生的地面環(huán)境振動(dòng)加速度最大幅值約為0.74～1.71 cm/s2，相對(duì)于地鐵列車環(huán)境振動(dòng)有較大幅度提高，其環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律表現(xiàn)為地面振動(dòng)隨離開(kāi)高速鐵路線路水平距離的增大逐步衰減；當(dāng)高速列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)波到達(dá)鄰近建筑物之后，由此產(chǎn)生的建筑物二級(jí)振動(dòng)則由建筑物首層向頂層逐步放大，具有明顯的放大效應(yīng)。與此同時(shí)，由建筑物各樓層頻域能量分布圖可知，高速列車誘發(fā)周邊建筑物二次振動(dòng)以豎直振動(dòng)為主，各樓層豎直振動(dòng)（z方向）能量隨建筑高度的增加（即由底層向頂層）逐步增大，且能量分布由低頻（40～50 Hz）向高頻（80～90 Hz）擴(kuò)展，而水平振動(dòng)（x方向）放大效應(yīng)不明顯。

為了進(jìn)一步分析建筑物與地面二次振動(dòng)能量傳播規(guī)律，根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—1988），采用鉛垂Z振級(jí)描述高速鐵路環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)特性，由測(cè)試數(shù)據(jù)可得建筑物與地面各測(cè)點(diǎn)鉛垂Z振級(jí)如表2、表3所示，由表列數(shù)據(jù)可繪制環(huán)境振動(dòng)Z振級(jí)變化趨勢(shì)，如圖5所示。

由表2、表3及圖5可知，高速列車運(yùn)行誘發(fā)周邊地面與建筑物二次振動(dòng)鉛垂Z振級(jí)最大值分別可達(dá)83.18、70.62 dB，周邊地面Z振級(jí)隨距離高鐵軌道邊線距離的增大呈冪函數(shù)衰減，最大衰減系數(shù)可達(dá)0.776。全部10趟高速列車通行引起的周邊環(huán)境振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，周邊建筑物二次振動(dòng)隨建筑物高度增大呈線增長(zhǎng)關(guān)系，對(duì)于被測(cè)3層建筑物，頂層鉛垂Z振級(jí)約為室內(nèi)地面鉛垂Z振級(jí)的1094。這可能與建筑物二次振動(dòng)效應(yīng)隨樓層高度的增大受建筑物地基基礎(chǔ)約束作用降低，以及振動(dòng)波隨著樓層的增加反射與疊加效應(yīng)更明顯等因素有關(guān)。除此之外，二次振級(jí)的放大效應(yīng)也取決于建筑物與地基基礎(chǔ)整體剛度與自振頻率，當(dāng)環(huán)境振動(dòng)頻率與建筑結(jié)構(gòu)體系自振頻率一致時(shí)，其放大效應(yīng)愈明顯。因此，在研究高速列車運(yùn)營(yíng)誘發(fā)建筑物二次振動(dòng)影響時(shí)，應(yīng)更多關(guān)注建筑物屋頂?shù)恼駝?dòng)安全與穩(wěn)定性。

圖5環(huán)境振動(dòng)Z振級(jí)變化曲線

Fig.5Zvibration level of environmental vibration[]

3分頻振級(jí)分析

為了定量分析高速鐵路列車誘發(fā)的周邊環(huán)境與建筑物三向振動(dòng)與分頻振級(jí)響應(yīng)特性，依據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—1988），借鑒城市地鐵列車運(yùn)行對(duì)周邊環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法，采用振動(dòng)加速度級(jí)作為高速鐵路列車運(yùn)行對(duì)周邊建筑物環(huán)境振動(dòng)影響的衡量標(biāo)準(zhǔn)，具體振動(dòng)加速度級(jí)VL（dB）可按式（1）計(jì)算。

VL=20lg（am/a0）（1）

式中：am為振動(dòng)加速度有效值，m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度，取為10-6 m/s2。振動(dòng)加速度有效值am可基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)1/3倍頻程分析獲得，具體可利用Matlab軟件編制分析程序進(jìn)行計(jì)算。

通過(guò)對(duì)建筑物及周邊地面各測(cè)點(diǎn)x、y、z 3個(gè)方向加速度時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，可得高速鐵路列車運(yùn)行誘發(fā)的周邊地面與建筑物二次振動(dòng)1/3倍頻程振級(jí)頻譜曲線（如圖6所示）。

由圖6可知：在高速列車振動(dòng)荷載作用下，周邊建筑物二次振動(dòng)分頻振動(dòng)級(jí)在建筑物首層至3層垂直與水平向表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即在0～20 Hz范圍內(nèi)，垂直與水平向振動(dòng)加速度級(jí)基本相等，約為35～65 dB；隨著振動(dòng)頻率不斷增大，兩者之間的振動(dòng)加速度級(jí)差逐步增大，最大差值約為10～32 dB?？傮w而言，高速列車振動(dòng)誘發(fā)的建筑物二次振動(dòng)以垂直方向?yàn)橹鳌⑺椒较驗(yàn)檩o，且垂直方向與水平方向振級(jí)均在建筑物頂層達(dá)到最大值80和78 dB。

高速列車運(yùn)行誘發(fā)建筑物二次振動(dòng)在建筑物同一樓層沿水平面不同方向的振級(jí)變化規(guī)律也不一樣，即在0～50 Hz范圍內(nèi)，垂直于高鐵線路行進(jìn)方向的水平振動(dòng)加速度級(jí)與沿高鐵線路行進(jìn)方向的水平振動(dòng)加速度級(jí)基本相等，而當(dāng)頻率大于50 Hz時(shí)，則以垂直于高鐵線路行進(jìn)方向的振動(dòng)為主。

高速列車運(yùn)行誘發(fā)周邊地面二次振動(dòng)在不同測(cè)點(diǎn)處呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，垂直方向地面振動(dòng)大于水平方向地面振動(dòng)，地面垂直方向分頻振級(jí)最大值出現(xiàn)在地面2號(hào)測(cè)點(diǎn)，具體數(shù)值為92.0 dB，對(duì)應(yīng)的水平方向分頻振級(jí)最大值為80.0 dB，相應(yīng)的振動(dòng)頻率均為41.2 Hz。

4環(huán)境噪聲分析

為了分析高速列車運(yùn)行引起的環(huán)境噪聲對(duì)沿線居民的影響程度，通過(guò)噪聲采集儀同步測(cè)量了10趟列車所產(chǎn)的環(huán)境噪聲（噪聲采集點(diǎn)位于室外地面D2號(hào)測(cè)點(diǎn)處，至高速鐵路軌道邊緣距離約13.6 m），噪聲測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可知，高速列車運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)境噪聲量值大致與列車運(yùn)行速度成正比，其最高可達(dá)92.8 dB，最小值也可達(dá)88.1 dB，根據(jù)《中華人民共和國(guó)城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了噪聲重度污染（>74 dB）的控制值。

5結(jié)論

1）高速列車振動(dòng)誘發(fā)的建筑物二次振動(dòng)以垂直方向?yàn)橹?、水平方向?yàn)檩o，垂直方向Z振級(jí)在建筑物頂層達(dá)到最大值，周邊建筑物二次振動(dòng)從低層至高層存在明顯放大效應(yīng)，建筑物頂層振動(dòng)放大系數(shù)可達(dá)1.094倍，對(duì)周邊建筑物抗振設(shè)防時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注建筑物頂層抗振安全措施。

2）時(shí)速為250～270 km/h的高速鐵路列車運(yùn)行誘發(fā)的周邊地面以及建筑物二次振動(dòng)頻率主要集中在25～60 Hz之間，其中：建筑物二次振動(dòng)加速度級(jí)約為75～80 dB，周邊地面振動(dòng)加速度級(jí)約為82～92 dB。

3）高速鐵路列車運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)境噪聲級(jí)別高達(dá)92.8 dB，已超過(guò)鐵路干線環(huán)境振動(dòng)80 dB的控制標(biāo)準(zhǔn)，高速列車運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)境噪聲對(duì)居民生活的影響大于周邊建筑物環(huán)境振動(dòng)，有必要加強(qiáng)城區(qū)高速鐵路線路兩側(cè)噪聲隔離措施，以確保高速鐵路周邊居民生活區(qū)的噪聲安全。參考文獻(xiàn)：

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（編輯胡英奎）