地鐵車輛段咽喉區(qū)臨近建筑物的振動響應(yīng)特性分析*

鄔玉斌 宋瑞祥 何 蕾 吳雅南 劉必?zé)?/p>

(北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所， 100054， 北京∥第一作者， 研究員)

地鐵車輛段咽喉區(qū)具有軌縫多道岔多、曲率半徑小等特點(diǎn)，是車輛段振動噪聲影響最為嚴(yán)重的區(qū)域，也是車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)工程振動控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。部分學(xué)者對車輛段咽喉區(qū)地鐵列車通過產(chǎn)生的振動源強(qiáng)及其正上方車輛段平臺和上蓋建筑的振動響應(yīng)開展了一些測試研究工作[1-4]，但關(guān)于咽喉區(qū)線路臨近地區(qū)建筑物的振動影響研究還未見有報道。由于建筑基礎(chǔ)條件、振動傳播路徑等方面存在差異，咽喉區(qū)上蓋建筑物的振動響應(yīng)必然有別于臨近地區(qū)建筑物振動響應(yīng)的特征。

另外，地鐵車輛段咽喉區(qū)多為地面線，列車運(yùn)行產(chǎn)生的振波在巖土中的傳播過程、頻率特征及對建筑結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理也不完全同于地鐵正線和其他地下線路[5-11]，因此有必要對車輛段咽喉區(qū)臨近地區(qū)建筑物的振動響應(yīng)特征進(jìn)行研究，為車輛段物業(yè)開發(fā)的振動控制提供參考依據(jù)。

1 測試方案

1.1 測試對象

本文以某地鐵車輛段咽喉區(qū)臨近的新建建筑物為研究對象進(jìn)行測試分析。該建筑物與車輛段咽喉區(qū)線路的最小距離約為31 m，咽喉區(qū)線路的設(shè)計車速為25 km/h，列車采用6節(jié)編組B型車。該建筑物為地下2層、地上18層的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑基底埋深為9 m，采用筏板基礎(chǔ)，建筑物沿線路方向長為105 m，如圖1所示。

圖1 地鐵咽喉區(qū)線路與測試建筑物的位置示意圖

1.2 測試方案

本次測試儀器包括：①INV3018C 8通道24位高精度采集儀，其最高采樣頻率為51.2 kHz，動態(tài)范圍為0～110 dB；②Bruel&Kjaer8344型加速度傳感器；③DASP數(shù)據(jù)采集及分析軟件。

如圖2所示，建筑物的西側(cè)為減振墊碎石道床地面線，東側(cè)為地面線轉(zhuǎn)為地下線的U型槽整體道床過渡段。布設(shè)3個場地土測點(diǎn)，其中：測點(diǎn)1和測點(diǎn)2對應(yīng)減振墊碎石道床地面線；測點(diǎn)3對應(yīng)U型槽整體道床線路。此外，針對源強(qiáng)特點(diǎn)在建筑物的東、西兩端4個房間的中心點(diǎn)處布設(shè)振動測點(diǎn)，其中：房間1和房間3的幾何形狀相似；房間2和房間4的幾何形狀相似。

圖2 測點(diǎn)布置圖

本次研究共開展了3次測試：第1次為建筑物修至12層時，對3個場地土測點(diǎn)及4個房間的1層樓板進(jìn)行同步測試；第2次為建筑物主體結(jié)構(gòu)完成、室內(nèi)未砌筑隔墻時，對不同樓層的房間1和房間2進(jìn)行振動測試；第3次為建筑物的1～8層砌筑隔墻完成、其余樓層尚未砌筑隔墻時，對房間1(1層、4層、12層、16層)和房間2(1層、4層、6層、12層、16層、18層)進(jìn)行有無隔墻的對比測試。

1.3 評價量

地鐵列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動以豎向振動為主，因此本文僅對豎向加速度進(jìn)行測試分析，并以全頻段振動加速度級作為評價量。振動加速度級的計算公式為：

(1)

(2)

式中：

L——振動加速度級，dB；

a——振動加速度有效值，m/s2；

a0——基準(zhǔn)加速度，a0取10-6m/s2；

a(t)——加速度時程；

T——加速度持續(xù)時間，s。

2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

2.1 對場地土的振動測試

振動測試時停止了其他干擾振源，并進(jìn)行了背景環(huán)境振動測試。如圖3所示，地面背景環(huán)境振動實(shí)測加速度峰值僅約0.000 4 m/s2，說明測試條件良好、外界振動干擾非常小。

圖3 背景振動加速度時程圖

對場地土的3個測點(diǎn)和建筑物第1層4個房間的樓板中心點(diǎn)進(jìn)行同步地鐵列車振動測試。圖4為場地土測點(diǎn)實(shí)測得到的典型地鐵列車振動加速度時程曲線。由圖4可知，由于列車運(yùn)行速度較慢，其振動影響的持續(xù)時間較長，約為32 s。

如圖5所示，3個測點(diǎn)的振動加速度頻譜特性存在較大差異：測點(diǎn)1和測點(diǎn)2靠近減振墊碎石道床地面線，其低頻振動相對顯著，主要振動頻率集中在10～20 Hz，最大振動峰值約為12 Hz。由于測點(diǎn)1靠近道岔，其振動影響大于測點(diǎn)2；測點(diǎn)3的高頻振動成分更多，主要振動頻率集中在50～70 Hz之間，最大振動峰值約為63 Hz。

a) 測點(diǎn)1

b) 測點(diǎn)2

c) 測點(diǎn)3

圖5 場地土3個測點(diǎn)的振動加速度頻譜

圖6為場地土3個測點(diǎn)的振動加速度級時程曲線，可以看出：測點(diǎn)3的振動最大，測點(diǎn)1的振動其次，測點(diǎn)2的振動最小。這是因為測點(diǎn)3對應(yīng)的線路無軌道減振措施，而測點(diǎn)1和測點(diǎn)2對應(yīng)的線路采用了減振墊+碎石道床的減振措施。測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)3的振動加速度級峰值分別為82.0 dB、78.2 dB和84.3 dB。

2.2 對建筑物1層樓板的振動測試

圖7為測試建筑物1層樓板的振動加速度級時程曲線圖。如圖7 a)所示，位于建筑物西側(cè)的房間1和房間2的振動響應(yīng)相差不大，其實(shí)測振動加速度級最大值分別為79.8 dB和78.7 dB。相比室外場地土測點(diǎn)1的實(shí)測數(shù)據(jù)，房間1和房間2的振動加速度級最大值分別衰減了2.2 dB和3.5 dB；如圖7 b)所示，位于建筑物東側(cè)的房間3和房間4的振動差異明顯，房間4振動明顯小于房間3，兩者的振動加速度級最大值相差4.3 dB。相比室外場地土測點(diǎn)3實(shí)測數(shù)據(jù)，房間3和房間4的振動加速度級最大值分別衰減了6.3 dB和10.7 dB。

圖6 場地土3個測點(diǎn)的振動加速度級時程曲線

a) 建筑物西側(cè)

b) 建筑物東側(cè)

由此可知，測試建筑物東側(cè)場地的土振動實(shí)測值大于西側(cè)的土振動實(shí)測值，但西側(cè)房間室內(nèi)的振動大于東側(cè)房間室內(nèi)的振動，這說明低頻列車振動荷載對西側(cè)室內(nèi)樓板的激勵作用更為顯著。

圖8為測試建筑物1層樓板的室內(nèi)振動加速度頻譜圖。從圖8可以看出，4個房間在10～12 Hz均存在振動波峰，這與圖5的場地土振動波峰相接近。此外，房間1在38 Hz存在1個非常明顯的振動波峰;房間2振動頻率范圍較廣、存在多個頻率波峰，房間2樓板振動主頻為22 Hz左右，這說明即使在相同荷載作用下，不同房間的振動響應(yīng)也可能存在較大差異。

圖8 測試建筑物1層樓板的實(shí)測加速度頻譜

本文對房間1和房間2的1樓樓板進(jìn)行了模態(tài)分析。這2個房間的樓板厚度均為0.11 m，房間1的尺寸為6.3 m(長)×8.2 m(寬)，房間2的尺寸為7.6 m(長)×4.7 m(寬)。樓板材料參數(shù)均按C25混凝土參數(shù)取值。由于樓板由剪力墻或斷面尺寸較大的梁構(gòu)件分割而成，樓板四周邊界采用全約束固定。如圖9所示，房間1和房間2的樓板第1階固有頻率分別為38 Hz和22 Hz，樓板振動響應(yīng)的實(shí)測頻率峰值與樓板固有頻率的計算結(jié)果較為接近。

a) 房間1(38 Hz)

由于房間2的固有頻率相對較低，且同地鐵列車振源主頻接近，所以雖然房間2距離地鐵線路較遠(yuǎn)，但其振動響應(yīng)與房間1相比并無較大衰減。建筑物東側(cè)的振源主頻較高，且大于房間3和房間4樓板的第1階自振頻率，地鐵列車激振源強(qiáng)主頻和樓板自振頻率無共振現(xiàn)象，因房間4與地鐵線路的距離較遠(yuǎn)，其振動小于房間3的振動。房間3和房間4的振動頻率集中在50～80 Hz，這與東側(cè)地鐵列車振源頻譜特征相吻合。由此可知：建筑物樓板振動響應(yīng)受到樓板自振特性及源強(qiáng)頻率特性的共同影響，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量避免地鐵列車振動荷載與建筑樓板的共振作用。

2.3 振動隨樓層的分布規(guī)律測試

為了解地鐵列車振動影響隨樓層的分布規(guī)律，在主體結(jié)構(gòu)完成、尚未砌筑隔墻時，對不同樓層所對應(yīng)的房間1和房間2的進(jìn)行現(xiàn)場振動測試。如圖10所示，樓板振動隨樓層的遞增呈波動性變化，在相同列車荷載作用下，2個房間的振動變化規(guī)律有所不同：房間1的振動最大值出現(xiàn)在第4層，房間2的振動最大值出現(xiàn)在第12層；在1～10層房間1的振動大于房間2的振動，在11層及以上房間2的振動大于房間1的振動。

圖10 測試建筑物各樓層內(nèi)房間1和房間2的振動加速度級

圖11給出了10 Hz、35 Hz、60 Hz、80 Hz 4個頻率下振動加速度級隨樓層的變化情況。從圖11可以看出：①房間1在 10 Hz和35 Hz下的振動較大，在35 Hz下振動隨樓層升高而增大，在10 Hz下振動隨樓層升高呈衰減趨勢；在60 Hz和80 Hz高頻下房間1的振動相對較小，僅隨樓層小幅度波動變化。②房間2的低頻振動較為顯著，10 Hz下的振動最大，且隨樓層升高線性增大;房間2在35 Hz下振動隨樓層呈波動性衰減，60 Hz和80 Hz高頻下的振動隨樓層變化不大。

a) 房間1

b) 房間2

2.4 隔墻對樓板振動的影響測試

建筑物室內(nèi)增設(shè)隔墻后會改變樓板的自振頻率特性，進(jìn)而影響室內(nèi)樓板的地鐵列車振動響應(yīng)特征和分布規(guī)律。為此，對房間1和房間2在有隔墻振(1～8層)和無隔墻(9～18層)2種情況進(jìn)行了對比測試，測試現(xiàn)場如圖12所示。

a) 無隔墻的樓層

實(shí)測結(jié)果表明：隔墻可降低樓板的振動加速度級。對于有隔墻的1層和4層，房間1實(shí)測得到的振動加速度級分別為69.8 dB和68.9 dB，2個樓層的振動加速度級平均值為69.4 dB；對于無隔墻的12層和16層，房間1實(shí)測得到的振動加速度級分別為74.3 dB和76.2 dB，2個樓層的振動加速度級平均值為75.3 dB。由此可計算得到，增設(shè)隔墻后樓板振動的平均減小量為5.9 dB。

房間2的測試結(jié)果如下：對于有隔墻的1層、4層和6層，房間2實(shí)測得到的振動加速度級分別為70.7 dB、69 dB和69.3 dB，3個樓層的振動加速度級平均值為69.7 dB；對于無隔墻的12層、16層和18層，房間2實(shí)測得到的振動加速度級分別為82.6 dB、79.2 dB和78.7 dB，3個樓層的振動加速度級平均值為80.2 dB。由此可計算得到，增設(shè)隔墻后樓板振動的平均減小量為10.5 dB。

圖13為房間1、房間2的振動加速度1/3倍頻程譜。如圖13所示，隔墻能夠改變樓板的振動頻譜特征。砌筑隔墻后，房間1的樓板振動峰值從砌筑隔墻前的31.5 Hz提高至50.0 Hz，房間2的樓板振動峰值則由砌筑隔墻前20.0 Hz增加至25.0 Hz，這說明隔墻增加后提高了樓板固有頻率，避開了地鐵列車的振動主頻，從而降低了地鐵列車振動對模板的影響。

3 結(jié)論

1) 地鐵車輛段咽喉區(qū)的振源具有持續(xù)時間長、影響強(qiáng)度大、頻譜特性復(fù)雜等特點(diǎn)。咽喉區(qū)減振墊碎石道床地面線路附近場地土的振動頻率集中在10～20 Hz，最大振動主頻約為12 Hz。咽喉區(qū)U型槽整體道床線路附近場地土的振動頻率集中在50～70 Hz，最大振動主頻約為63 Hz。

a) 房間1

b) 房間2

2) 樓板振動響應(yīng)受振源頻率特征和樓板自振特性共同影響。當(dāng)?shù)罔F振源主頻同樓板固有頻率相同或接近時，由于共振作用建筑物樓板振動響應(yīng)一般較為嚴(yán)重。地鐵振源主頻越低,對建筑物樓板的激振作用也更為明顯。

3) 建筑物室內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)的振動隨樓層的變化規(guī)律不完全相同。樓板振動隨樓層呈波動性變化，個別低頻振動可能隨樓層升高而放大。

4) 砌筑隔墻能夠改變樓板的振動特性，并對樓板振動起到明顯的衰減作用。