鐵路振動(dòng)對(duì)歷史城墻影響的測(cè)試分析

周德豪

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 機(jī)械動(dòng)力與環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

0 引言

鐵路列車(chē)運(yùn)行對(duì)周?chē)ㄖa(chǎn)生振動(dòng)影響，尤其是古建筑對(duì)振動(dòng)更加敏感。我國(guó)學(xué)者著手研究鐵路振動(dòng)對(duì)古建筑的影響，錢(qián)春宇等[1]針對(duì)西安城墻北門(mén)段進(jìn)行了多種工況的交通振動(dòng)測(cè)試，得出列車(chē)運(yùn)行引起的北門(mén)振動(dòng)響應(yīng)較大，貨物列車(chē)快速通過(guò)時(shí)，水平向最大振動(dòng)速度高于容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)；王林安等[2]對(duì)新建京張高速鐵路下穿八達(dá)嶺長(zhǎng)城振動(dòng)進(jìn)行影響評(píng)估，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、理論計(jì)算、有限元仿真分析，預(yù)測(cè)新建線(xiàn)路對(duì)長(zhǎng)城產(chǎn)生的振動(dòng)速度低于容許振動(dòng)速度；張凱[3]通過(guò)現(xiàn)狀測(cè)試及理論計(jì)算研究地鐵運(yùn)行對(duì)西安城墻和平門(mén)振動(dòng)影響，得出測(cè)試及計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足容許振動(dòng)要求；徐建[4]針對(duì)不同類(lèi)型的古建筑，綜述了防振技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)古建筑的振動(dòng)控制工作提出建議，并指出《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》(GBT 50452—2008)[5]的容許振動(dòng)速度比一般規(guī)范嚴(yán)格。

通過(guò)上述學(xué)者的研究可以看出，存在鐵路振動(dòng)對(duì)古建筑的影響?！豆沤ㄖ拦I(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，磚石結(jié)構(gòu)的控制點(diǎn)位置為承重結(jié)構(gòu)最高處，控制點(diǎn)方向?yàn)樗椒较?；但?guī)范并未給出不同控制點(diǎn)位置及方向的對(duì)比情況。為此，按照《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》中工業(yè)振動(dòng)對(duì)磚石結(jié)構(gòu)古建筑振動(dòng)影響的評(píng)估步驟及方法開(kāi)展測(cè)試，獲得古城墻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度響應(yīng)，并比較不同控制點(diǎn)位置與方向的振動(dòng)響應(yīng)，以分析不同響應(yīng)結(jié)果。

根據(jù)《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》中評(píng)估鐵路振動(dòng)對(duì)古建筑振動(dòng)影響的方法，進(jìn)行鐵路振源和古建筑的現(xiàn)狀調(diào)查、確定古建筑結(jié)構(gòu)的容許振動(dòng)速度標(biāo)準(zhǔn)并計(jì)算或測(cè)試古建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，當(dāng)古建筑周邊已有鐵路振源時(shí)可以采用測(cè)試法。本文選用測(cè)試法調(diào)查古建筑和振源狀況，測(cè)試鐵路振動(dòng)下的古建筑振動(dòng)響應(yīng)。

1 城墻古建筑振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試

以某磚結(jié)構(gòu)城墻為測(cè)試分析對(duì)象，該城墻建于明代，現(xiàn)狀較為完整。城墻周?chē)饕裨礊殍F路、公路。鐵路走向?yàn)闁|西向，古城墻位于鐵路南側(cè)，距離最近的鐵路股道約為31 m；現(xiàn)狀鐵路主要為客運(yùn)，車(chē)型為動(dòng)車(chē)組列車(chē)及普速旅客列車(chē)。

1.1 測(cè)試方案

將振動(dòng)傳感器放置于城墻頂部和城墻底部，分別測(cè)試不同方向振動(dòng)加速度。測(cè)試過(guò)程中記錄鐵路過(guò)車(chē)(列車(chē)類(lèi)型、編組、速度、股道)、風(fēng)向風(fēng)速等相關(guān)測(cè)試情況。采樣頻率為3 200 Hz，不低于規(guī)范中100～120 Hz 要求，采樣數(shù)據(jù)更充分。數(shù)據(jù)處理采用0.1～200 Hz濾波，包含鐵路振動(dòng)的主要頻率范圍。記錄時(shí)間不應(yīng)少于15 min，記錄通過(guò)列車(chē)不少于5 列，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

本次實(shí)驗(yàn)布設(shè)城墻底部和頂部2 處測(cè)點(diǎn)，每處測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水平且平行于鐵路線(xiàn)、水平且垂直于鐵路線(xiàn)、垂直水平面3個(gè)方向，依次命名為X、Y、Z方向。

古城墻底部及頂部布點(diǎn)在同一垂面，與鐵路線(xiàn)路的水平距離相差小于0.5 m。底部測(cè)點(diǎn)與鐵路高差1 m，頂部測(cè)點(diǎn)與鐵路高差9 m，距最外側(cè)鐵路線(xiàn)路約31 m。布置情況如圖1、圖2所示。

圖1 古城墻底部測(cè)點(diǎn)

圖2 古城墻頂部測(cè)點(diǎn)

1.3 測(cè)試儀器

本次實(shí)驗(yàn)采用LMS數(shù)據(jù)采集儀，低量程高靈敏度加速度傳感器(PCB 傳感器，靈敏度10.01 V/g)、數(shù)據(jù)線(xiàn)等。測(cè)試儀器滿(mǎn)足低頻、微幅的要求，起始頻率小于0.5 Hz，分辨率高于10-6m/s。儀器滿(mǎn)足《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》要求。

2 測(cè)試結(jié)果分析

數(shù)據(jù)分析前，應(yīng)對(duì)原始記錄信號(hào)去零飄和干擾，并進(jìn)行帶阻濾波。振動(dòng)響應(yīng)分別按同一高度、同一方向各測(cè)點(diǎn)速度時(shí)程最大峰峰值的一半確定，選取5 列車(chē)進(jìn)行分析并取平均值。

2.1 時(shí)程分析

采用加速度傳感器，需對(duì)采集到的加速度進(jìn)行積分得到振動(dòng)速度。選擇相同股道、同一類(lèi)型、速度相近(30～40 km/h)的列車(chē)。本次選取獲得最外側(cè)股道通過(guò)速度相近的普速列車(chē)通過(guò)歷程的數(shù)據(jù)，分析對(duì)比城墻底部3 個(gè)方向振動(dòng)速度、城墻頂部3 個(gè)方向振動(dòng)速度。不同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程分析如圖3所示。

2.2 對(duì)比分析結(jié)果

速度相近的5 列車(chē)通過(guò)時(shí)，城墻振動(dòng)速度匯總?cè)绫?、圖4所示。

圖3 不同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程分析圖（濾波后）

表1 不同列車(chē)產(chǎn)生的城墻振動(dòng)速度表

通過(guò)以上分析得出：振動(dòng)速度最大值出現(xiàn)在普速內(nèi)燃列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的城墻頂部Y 向；無(wú)論頂部或底部，Z 向振動(dòng)速度均最小，遠(yuǎn)小于X 方向、Y 方向振動(dòng)；水平方向振動(dòng)速度中，Y方向顯著大于X方向。動(dòng)車(chē)組列車(chē)相對(duì)于普速列車(chē)產(chǎn)生的振動(dòng)影響較小，主要在于動(dòng)車(chē)組軸重及簧下質(zhì)量更小。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)城墻底部及頂部數(shù)據(jù)分析可知：鐵路列車(chē)引起的振動(dòng)速度中，垂向振動(dòng)速度最小，遠(yuǎn)小于水平方向振動(dòng)速度；水平振動(dòng)速度中，垂直于鐵路線(xiàn)方向顯著大于平行于鐵路線(xiàn)方向。水平方向振動(dòng)速度對(duì)古建筑更不利，應(yīng)作為古建筑振動(dòng)的評(píng)價(jià)量，并且城墻頂部水平振動(dòng)大于底部水平振動(dòng)。與《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》中“磚砌體古建筑，控制點(diǎn)位于稱(chēng)重結(jié)構(gòu)的最高處，控制點(diǎn)方向水平”結(jié)論一致。通過(guò)測(cè)試進(jìn)一步得出，鐵路引起的古建筑水平振動(dòng)中，垂直鐵路線(xiàn)方向是主要貢獻(xiàn)量，并顯著大于平行鐵路線(xiàn)方向，當(dāng)進(jìn)行鐵路對(duì)古建筑振動(dòng)速度粗略估算時(shí)，可將垂直于鐵路線(xiàn)方向振動(dòng)速度作為評(píng)價(jià)量。鐵路振動(dòng)從城墻底部傳到城墻頂部過(guò)程中，垂向振動(dòng)產(chǎn)生衰減，水平振動(dòng)產(chǎn)生放大，此現(xiàn)象與城墻建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相關(guān)。

圖4 不同列車(chē)產(chǎn)生的城墻振動(dòng)速度圖