城市有軌電車引發(fā)的建筑結構振動響應

張錦東 盧家森 羅曉群 張其林

摘要：為分析城市有軌電車運行引發(fā)的建筑結構振動舒適度，基于MATLAB設計結構振動舒適度的計算程序，可結合結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)對建筑結構的振動舒適度進行分析。采用某有軌電車運行中的實測數(shù)據(jù)，分析車輛段和行車段電車引發(fā)的振動，研究有軌電車的振動響應特性。分析結果表明：有軌電車運行引發(fā)的高頻振動傳至上蓋結構幾乎已完全消散;上蓋結構的振動頻率集中在16～20 Hz區(qū)間，以有軌電車的低頻振動和結構相關附屬機器的振動為主。減小有軌電車的行駛速度、增加建筑物與振動源的距離或控制樓內(nèi)附屬機器的振動可明顯控制振動。在加速過程中，電車與地面和軌道會產(chǎn)生共振，因此存在振動加速度級的極大值。

關鍵詞：有軌電車;上蓋結構;振動舒適度;振動控制

中圖分類號：TU317

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）02-0042-05

0?引?言

隨著軌道交通的迅速發(fā)展，負責列車日常檢修與維護的車輛段也越來越多。目前，增加車輛段土地利用率的常見做法是在車輛段上蓋大平臺上進行商業(yè)開發(fā)，建設住宅以及商業(yè)區(qū)等。列車檢修維護運行產(chǎn)生的振動沿下部結構向上傳播，造成上部建筑結構的二次振動。此類振動對結構安全性不會產(chǎn)生影響，但會影響建筑物內(nèi)居住者的舒適度，降低建筑的適用性能。

國內(nèi)已有學者對地鐵車輛段的振動和噪聲進行相關研究。曾澤民[1]對地鐵車輛段的振動規(guī)律進行總結，提出相應的減振措施;王曉盼[2]對有軌電車軌道結構的振動傳遞特性和行車動力特性進行分析，為軌道結構的減振研究提供理論指導;徐連萍等[3]對有軌電車的噪聲機理進行研究，提出噪聲控制的關鍵技術;羅錕等[4]提出實現(xiàn)輪軌耦合仿真的改進方法，研究有軌電車誘發(fā)的大地振動特性?；诘罔F或有軌電車振動控制的一系列研究成果，學者們分別提出上蓋結構的振動模擬方法[5]、減振降噪方法[6]和其他相關設計方法[7-8]。本文根據(jù)珠海有軌電車車輛段和行車段的實測數(shù)據(jù)，設計相關程序，分析有軌電車運行時上蓋和沿線建筑的振動規(guī)律，分析結果對提高地鐵上蓋物業(yè)適用性和城市土地綜合利用效率具有重要的理論意義和實用價值。

1?振動舒適度評價標準和程序建立

1.1?參考標準

根據(jù)我國現(xiàn)行標準，以鉛垂向Z振級作為振動評價指標，參考《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》（GB/T 10071—1988）[9]、《住宅建筑室內(nèi)振動限值及測量方法標準》（GB/T 50355—2018）[10]和《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》（JGJ/T 170—2009）[11]，在1～80 Hz頻率范圍內(nèi)采用分頻限值，考慮人體對不同頻率振動敏感性差異，采用1/3倍頻程譜進行分析。

1.2?1/3倍頻程譜分析與鉛垂向Z振級計算

1/3倍頻程譜常用于聲學、人體振動和機械振動等測試分析中，由一系列頻率點以及對應頻率點附近頻帶內(nèi)信號的有效值構成。各頻率點被稱為中心頻率fc，中心頻率附近的頻帶處于下限頻率fl和上限頻率fu之間。

在整個分析頻率內(nèi)按照不同的中心頻率對采樣信號進行帶通濾波，計算濾波后數(shù)據(jù)的有效值，得到每個中心頻率對應的振動加速度有效值。

中心頻率的計權因子取值按《住宅建筑室內(nèi)振動限值及測量方法標準》（GB/T 50355—2018）相關規(guī)定，見表1。

根據(jù)表1中的中心頻率，由式（1）和（2）確定帶通濾波的上、下限頻率，得到各頻帶內(nèi)的振動加速度有效值，再由式（3）和（4）計算得到鉛垂向Z振級。

1.3?振動舒適度計算程序

采用MATLAB建立振動舒適度計算程序，輸入現(xiàn)場采集的加速度響應數(shù)據(jù)，根據(jù)采樣規(guī)則，設置1/2采樣頻率的低通濾波器進行低通濾波后，再進行1/3倍頻程分析，計算鉛垂向Z振級。根據(jù)鉛垂向Z振級判斷振動舒適度是否滿足要求，并保存計算結果，輸出圖片。振動舒適度計算流程見圖1。本程序可用于現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的實時計算，也可以與結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相結合，進行結構振動舒適度分析。

2?振動舒適度分析

2.1?工程概況

應用上述程序，對珠?，F(xiàn)代有軌電車1號線的車輛段和行車段進行現(xiàn)場實測，分析有軌電車運行對沿線和上蓋建筑振動舒適度的影響。

在車輛段的上蓋建筑中設置34個測點，研究電車引發(fā)的振動在豎直方向的傳播規(guī)律;在行車段軌道附近設置24個測點，研究電車引發(fā)的振動在水平方向的傳播規(guī)律。在設定的測點處進行現(xiàn)場實測，用前文的振動舒適度計算程序計算電車行駛過程中各測點處的鉛垂向Z振級。

現(xiàn)場采集設備采用東方所3062T云智慧采集儀，采樣頻率為256 Hz;采用朗斯LC0132T型加速度傳感器，靈敏度為50 000 mV/g，量程為0.1g，頻率范圍0.05～500.00 Hz，分辨率為0.000 000 4g。車輛段上蓋結構建筑分布見圖2，其中虛線處為上蓋結構下部的車輛檢修和停車庫。行車段沿線測點布置見圖3，車輛段上蓋結構的測點布置見表2。

2.2?上蓋結構振動舒適度分析

從電車進入車輛段至車輛完全停止，大約需要6 min時間，因此每個測點采集時長為300 s，采集時間為電車開始進入車輛段園區(qū)內(nèi)到車輛完全停止。限于篇幅，僅列出綜合樓右4F第3層測點1的加速度時程曲線、1/3倍頻程譜的分析結果以及鉛垂向Z振級隨時間的變化關系，見圖4。各測點的1/3倍頻程譜分析結果相似，各測點在16～20 Hz的中心點處具有最大峰值，說明測量點的振動主要集中在16～20 Hz區(qū)間，電車引起的高頻振動在上蓋結構中幾乎完全消散，振動能量集中的區(qū)域是車輛段內(nèi)的機器運轉引發(fā)的振動以及電車運行傳至上蓋結構的低頻振動。由測點的鉛垂向Z振級隨時間的變化可知，電車運行過程對上蓋結構造成一定影響，測點處鉛垂向Z振級在電車運行過程中出現(xiàn)較明顯增加。

根據(jù)《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》（JGJ/T 170—2009），軌道沿線建筑物按功能劃分為5類區(qū)域判斷建筑物室內(nèi)振動是否達到或超過限值，見表3。

有軌電車運行時段為6：00—22：00，有軌電車的車輛段測點均為辦公區(qū)域，因此采用鉛垂向Z振級為70 dB判斷其鉛垂向Z振級是否符合規(guī)范要求。

綜合樓右4F、左5F和車輛段上蓋結構的34個測點因電車收發(fā)車或電車檢修引發(fā)結構振動的鉛垂向Z振級計算結果見圖5。參考《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》（JGJ/T 170—2009），綜合樓的振級限值為70 dB。由圖5可知：綜合樓右4F、左5F和車輛段上蓋結構的鉛垂向Z振級約為64 dB，未超過標準規(guī)定的限值，綜合樓和車輛段上蓋結構的振動舒適度滿足要求。

2.3?電車運行沿線振動規(guī)律分析

不同運行速度下軌道附近各測點的鉛垂向Z振級計算結果見圖6，1～5號測點分別為折線內(nèi)距離軌道5、10、15、20和30 m的測點，可以看出：絕大部分測點的鉛垂向Z振級已經(jīng)超出規(guī)范給出的交通干線兩側區(qū)域的限值75 dB。在一定范圍內(nèi)減小電車的行駛速度或增加建筑物與振動源的距離可明顯減小振動加速度級。在行車速度為5 km/h時，距離軌道的水平距離大于20 m即可保證其鉛垂向Z振級符合規(guī)范的要求;當行車速度大于5 km/h時，若要滿足規(guī)范對振動舒適度的要求，則建筑軌道水平距離須大于30 m。

車速和建筑物與振動源距離對鉛垂向Z振級的影響見圖7。由此可知，沿線振動加速度級并不隨車速的增長而一直增長。在車速為20 km/h時，除距離軌道水平距離為15 m的測點外，其余測點均具有最大振動加速度級，說明在車速為20 km/h時，車輛的行駛可引發(fā)車輛與地面和軌道的共振。因此，車輛在駛出車輛段的加速區(qū)間內(nèi)，應盡量避免長時間在20 km/h左右的速度下行駛，以免引起較大的振動，影響周圍建筑內(nèi)的振動舒適度。

3?結?論

設計振動舒適度分析程序，用于實時監(jiān)測或結合結構健康監(jiān)測系統(tǒng)對建筑結構的振動舒適度進行判斷。應用此程序分析珠海有軌電車1號線的車輛段綜合樓和有軌電車沿線建筑的振動和噪聲，參考《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》（GB/T 10071—1988）、《住宅建筑室內(nèi)振動限值及測量方法標準》（GB/T 50355—2018）和《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》（JGJ/T 170—2009）的相關規(guī)定，得出結論和建議如下。

（1）有軌電車的收發(fā)車和檢修振動不影響上蓋結構的振動舒適度，有軌電車運行引發(fā)的高頻振動傳至上蓋結構幾乎已完全消散，上蓋結構的振動以有軌電車傳至上部的低頻振動以及結構相關附屬機器的振動為主，可通過控制樓內(nèi)附屬機器的振動對上部結構的振動舒適度進行有效控制。

（2）減小有軌電車的行駛速度或者增加建筑物與振動源的距離可明顯控制振動加速度級。在不同的運行速度下，有軌電車運行引發(fā)的振動在水平距離大于30 m時幾乎完全衰減。在車輛段區(qū)間內(nèi)，由于電車的行駛速度很慢，水平距離大于20 m即可保證其鉛垂向Z振級符合規(guī)范對上蓋結構的鉛垂向Z振級的要求。

（3）車輛段的上蓋結構與振動源距離普遍大于20 m，若考慮振動在豎向的衰減因素，上蓋結構幾乎不會受有軌電車收發(fā)車和檢修振動的影響。

（4）在車輛駛出車輛段后的加速過程中，振動加速度級在某速度區(qū)間內(nèi)會因車輛與地面和軌道的共振而產(chǎn)生振動加速度級的極大值。在本文工程中，車速為20 km/h時振動加速度級達到最大，應盡量避免車輛長時間以20 km/h左右的速度行駛。

本文建立的振動舒適度分析程序可用于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的實時計算，也可與結構健康監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)相結合進行結構振動舒適度分析，具有一定的工程實際意義。

參考文獻：

[1]?曾澤民. 地鐵車輛段列車運行引發(fā)振動與噪聲效應的現(xiàn)場試驗研究[D]. 廣州：華南理工大學， 2015.

[2]?王曉盼. 有軌電車軌道結構振動傳遞特性和行車動力特性分析[D]. 北京：北京交通大學， 2017.

[3]?徐連萍， 邵俊捷. 現(xiàn)代有軌電車噪聲機理及減振降噪技術[J]. 城市軌道交通研究， 2017， 20（2）：101-104. DOI：10.16037/j.1007-869x.2017.02.026.

[4]?羅錕， 汪振國， 雷曉燕， 等. 現(xiàn)代有軌電車誘發(fā)的大地振動特性分析[J]. 噪聲與振動控制， 2018， 38（2）：113-119. DOI：10.3969/j.issn.1006-1355.2018.02.023.

[5]?嚴舒瑋. 考慮連接局部細節(jié)的地鐵上蓋建筑物振動性能模擬方法及其應用[D]. 南京：東南大學， 2017.

[6]?徐會， 唐揚. 地鐵車輛段上蓋開發(fā)中減振降噪措施應用綜述[J]. 環(huán)境與發(fā)展， 2016， 28（6）：6-10. DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2016.06.002.

[7]?王瑞峰， 舒睿斌， 陳鍇. 地鐵上蓋結構的設計研究和實踐[J]. 山西建筑， 2015， 41（35）：50-52. DOI：10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2015.35.028.

[8]?吳映棟， 吳雪峰， 詹樂斌， 等. 地鐵上蓋物業(yè)結構設計探討[J]. 建筑結構， 2016， 46（16）：34-40. DOI：10.19701/j.jzjg.2016.16.007.

[9]?城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法：GB/T 10071—1988[S].

[10]?住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標準：GB/T 50355—2018[S].

[11]?城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準：JGJ/T 170—2009[S].

（編輯?武曉英）