地鐵車(chē)輛段咽喉區(qū)上蓋建筑振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律研究

何蕾，宋瑞祥，鄔玉斌，吳瓊

（北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054）

引言

地鐵車(chē)輛段上蓋物業(yè)遵循以公共交通為導(dǎo)向的新城市發(fā)展理念，在節(jié)約利用土地的同時(shí)反哺軌道建設(shè)，是當(dāng)前各大城市建設(shè)的熱點(diǎn)。然而由于上蓋建筑與地鐵線路零距離接觸，噪聲振動(dòng)污染成為限制車(chē)輛段上蓋開(kāi)發(fā)規(guī)劃的關(guān)鍵因素。尤其車(chē)輛段咽喉區(qū)線路道岔密集，輪岔沖擊振動(dòng)顯著，隔振手段有限，咽喉區(qū)上蓋成為住宅、幼兒園、養(yǎng)老設(shè)施等振動(dòng)敏感建筑的禁區(qū)，每個(gè)車(chē)輛段約6hm2的咽喉區(qū)覆蓋面積僅作為綠化或配套設(shè)施規(guī)劃，造成大面積土地浪費(fèi)，不利于上蓋空間功能合理布局及高效利用。

針對(duì)咽喉區(qū)道岔線路的振動(dòng)影響，國(guó)內(nèi)學(xué)者先期開(kāi)展了大量研究工作。鄒超[1]、鄒林志[2]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段分析了咽喉區(qū)線路運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度在周邊場(chǎng)地上及車(chē)輛段結(jié)構(gòu)中的時(shí)、頻域衰減規(guī)律，鄔玉斌[3]等結(jié)合有限元計(jì)算分析了咽喉區(qū)鄰近落地建筑振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，何蕾等[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析了車(chē)速對(duì)咽喉區(qū)上蓋建筑環(huán)境振動(dòng)的影響規(guī)律。但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件下，咽喉區(qū)上蓋建筑室內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)特性及影響規(guī)律鮮有分析研究。

本文以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為手段，展開(kāi)實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件下的咽喉區(qū)上蓋框架結(jié)構(gòu)建筑室內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)分布特性及線路影響規(guī)律的研究，為車(chē)輛段上蓋建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 測(cè)試對(duì)象

測(cè)試地點(diǎn)為北京地區(qū)某地鐵車(chē)輛段，采用6B車(chē)型，其咽喉區(qū)采用碎石道床，道床下鋪設(shè)橡膠彈性道砟墊，道岔結(jié)構(gòu)均為固定轍叉式7號(hào)單開(kāi)道岔。咽喉區(qū)以高10.6m鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)覆蓋，以上蓋某鋼框架結(jié)構(gòu)辦公建筑為對(duì)象展開(kāi)測(cè)試分析。

該辦公建筑位于咽喉區(qū)中部，正下方股道線路為7～14股道，并含4組單開(kāi)道岔，南側(cè)距離15股道水平距離11.0m，距離18股道18.4m，建筑與線路平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 測(cè)試建筑與咽喉區(qū)線路位置關(guān)系

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

建筑內(nèi)部中央為連通大廳，四周環(huán)繞布置獨(dú)立隔間辦公室，于鄰近拐角的室內(nèi)地面（瓷磚）中央設(shè)置垂向振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)。其中一層房間面積為41.8m2，二層、三層房間面積為15.8m2，測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。

圖2 建筑室內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置

1.3 測(cè)試儀器及時(shí)間

采用B&K8344型振動(dòng)加速度傳感器及B&K3560型PULSE數(shù)據(jù)采集儀，對(duì)室內(nèi)振動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)3天。每日出庫(kù)時(shí)間集中于早晨4:40～7:17和上午9:46～10:50（約1h），回庫(kù)時(shí)間集中于下午16:24～17:55（約1h）及晚上19:27～24:29，其中上下午的出入庫(kù)時(shí)間和辦公時(shí)間有重合，共計(jì)約2h。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 時(shí)頻域振動(dòng)響應(yīng)特性

建筑正下方7股道同一列車(chē)出入庫(kù)時(shí)室內(nèi)2層的波形曲線如圖3所示。出庫(kù)波形呈現(xiàn)典型紡錘形，通過(guò)時(shí)間約60s；入庫(kù)工況下波形呈現(xiàn)“三段式”，顯示有停車(chē)等待跡象，通過(guò)時(shí)長(zhǎng)約140s，且峰值加速度出庫(kù)高于入庫(kù)。

圖3 正下方股道出入庫(kù)時(shí)典型波形曲線

建筑正下方7股道出入庫(kù)時(shí)各樓層室內(nèi)1～100Hz典型頻譜曲線如圖4所示。出入庫(kù)工況下各樓層室內(nèi)峰值頻率均出現(xiàn)在10.7Hz和16.5Hz左右?？傮w上看，振動(dòng)沿各樓層向上傳播過(guò)程呈現(xiàn)高頻衰減、低頻放大的趨勢(shì)。首層振動(dòng)在40～60Hz區(qū)間頻率成分豐富，至二層和三層有明顯減弱；20～40Hz區(qū)間內(nèi)二層室內(nèi)振動(dòng)有微弱突出，至三層降低顯著；20Hz以?xún)?nèi)則由一層傳播至上部樓層后有放大趨勢(shì)，一層10.7Hz振動(dòng)加速度為0.000 522m/s2（入庫(kù)）和0.000 661m/s2（出庫(kù)），三層室內(nèi)振動(dòng)加速度放大至0.001 1m/s2（入庫(kù)）和0.001 51m/s2（出庫(kù)），增大約2.1～2.3倍。

圖4 正下方股道出入庫(kù)時(shí)典型頻譜曲線

2.2 列車(chē)個(gè)體的影響

同一股道連續(xù)7列車(chē)出庫(kù)時(shí)，室內(nèi)二層監(jiān)測(cè)得到10.7Hz峰值振動(dòng)加速度及均方根加速度值見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)不同車(chē)次運(yùn)行時(shí)上蓋建筑室內(nèi)振動(dòng)加速度響應(yīng)具有一定的離散性，振動(dòng)加速度均方根值相比平均值最大偏離17.4%，這10.7Hz單頻振動(dòng)加速度相比平均值最大偏離33.8%，這與不同司機(jī)的駕駛習(xí)慣、車(chē)速、車(chē)輪踏面磨耗等情況密切相關(guān)。

圖5 同一股道不同列車(chē)出庫(kù)時(shí)振動(dòng)加速度

2.3 運(yùn)營(yíng)線路與建筑間相對(duì)位置關(guān)系的影響

監(jiān)測(cè)實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件下咽喉區(qū)各股道線路出庫(kù)時(shí)室內(nèi)二層測(cè)點(diǎn)在10.7Hz單頻振動(dòng)加速度平均值見(jiàn)圖6。5～14股道位于建筑正下方，其中5～8股道、9～12股道、13～14股道分別分屬同一跨，且7/8股道位于所測(cè)房間正下方。9/10股道列車(chē)行駛時(shí)誘發(fā)樓板振動(dòng)明顯弱于12股道，主要原因?yàn)?、10股道在建筑正下方直線通過(guò)，且9股道無(wú)道岔結(jié)構(gòu)、10股道道岔結(jié)構(gòu)臨近周邊無(wú)結(jié)構(gòu)柱，根據(jù)鄒超等[2]分析，直線區(qū)間線路源強(qiáng)明顯低于道岔區(qū)間，因而9股道線路源強(qiáng)偏小，10股道振動(dòng)能量經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離的巖土阻尼衰減，而12股道連續(xù)兩次側(cè)向進(jìn)岔（兩岔心間距34m），且第一組道岔緊鄰咽喉區(qū)立柱（2.5m），激勵(lì)源高于其他線路且振動(dòng)能量缺乏巖土阻尼阻尼衰減，噪聲可噪聲可沿立柱及轉(zhuǎn)換層傳播至建筑結(jié)構(gòu)。

圖6 實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件下列車(chē)出庫(kù)時(shí)室內(nèi)二層振動(dòng)加速度

圖7為監(jiān)測(cè)所得振動(dòng)加速度與測(cè)試房間與線路水平距離的關(guān)系?？梢?jiàn)，總體上振動(dòng)加速度隨房間與線路水平距離增大呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7以上，但距離相近的各線路運(yùn)行誘發(fā)的室內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)仍有較大差別。一方面由于線路中輪岔沖擊振動(dòng)異于普通線路區(qū)間，道岔在線路中的位置以及列車(chē)直側(cè)向進(jìn)岔方式使得線路激勵(lì)源變得復(fù)雜，另一方面對(duì)于咽喉區(qū)上蓋建筑結(jié)構(gòu)，振動(dòng)傳播路徑為軌道結(jié)構(gòu)—路基—結(jié)構(gòu)柱—結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層—建筑立柱，軌道結(jié)構(gòu)與咽喉區(qū)框架結(jié)構(gòu)柱之間的距離以及上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方式成為振動(dòng)衰減的主要環(huán)節(jié)，而咽喉區(qū)結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)分布往往不規(guī)則，因而并不能僅依據(jù)線路水平距離位置關(guān)系判斷各股線路對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響。

圖7 線路與所測(cè)房間水平距離對(duì)振動(dòng)加速度的影響

3 結(jié)論

以北京某地鐵車(chē)輛段咽喉區(qū)上蓋某三層辦公建筑為例，以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法分析了實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件下道岔區(qū)上蓋框架結(jié)構(gòu)建筑室內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)及影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）出庫(kù)波形呈現(xiàn)典型紡錘形，入庫(kù)時(shí)列車(chē)停車(chē)等待信號(hào)，波形呈現(xiàn)“三段式”，且峰值加速度出庫(kù)高于入庫(kù)。

（2）振動(dòng)沿各樓層向上傳播過(guò)程呈40Hz以上高頻衰減、20Hz以下低頻放大的趨勢(shì)，三層相比首層在10.7Hz處單頻振動(dòng)加速度增大約2.1～2.3倍。

（3）同一股道不同列車(chē)運(yùn)行時(shí)建筑室內(nèi)振動(dòng)加速度響應(yīng)具有一定的離散性，振動(dòng)加速度均方根值相比平均值最大偏離17.4%。

（4）總體上，振動(dòng)加速度隨房間與線路水平距離增大呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)約為0.7，但距離相近的各線路運(yùn)行誘發(fā)的室內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)仍有較大差別，軌道結(jié)構(gòu)與咽喉區(qū)框架結(jié)構(gòu)柱間的距離以及上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方式是振動(dòng)衰減的主要環(huán)節(jié)，應(yīng)作為振動(dòng)響應(yīng)的重點(diǎn)考慮因素。