穗莞深城際鐵路高架車站振動實(shí)測與分析

蔡陳之，鄧蘇鵬，何旭輝，鄒云峰，于可輝，吳業(yè)飛

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075；2.中南大學(xué) 軌道交通工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410075；3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430063)

近年來，我國城市化發(fā)展迅速，城市區(qū)域不斷擴(kuò)大，城市之間的交通連接越來越重要，因此城市軌道交通獲得了巨大的發(fā)展空間。在城際鐵路的發(fā)展過程中，采用高架橋梁的城際線路得到了廣泛應(yīng)用。高架線路由于具有施工周期短、線路平順性好、能克服軟土膨脹土等不良條件的優(yōu)點(diǎn)，在新建的鐵路客運(yùn)專線中所占的比例往往達(dá)到70%以上[1]。因此，伴隨高架橋梁出現(xiàn)的高架車站在城際鐵路線路上有著廣應(yīng)用。高架車站根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的不同，按照站臺結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)是否為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，可以區(qū)分為“站橋合一式”車站和“站橋分離式”車站[2]?！罢緲蚍蛛x式”車站的剖面如圖1所示，采用高架車站，相比其他類型的車站具有顯著的優(yōu)勢。由于高架車站第1層一般為架空層，所以城際列車的運(yùn)行并不會對公路運(yùn)輸以及行人通過造成影響，為城市節(jié)省相應(yīng)的占地空間，且其結(jié)構(gòu)形式外形美觀，便于乘客分流。但是采用高架車站同樣會有一定的缺點(diǎn)，由于候車大廳等結(jié)構(gòu)一般直接位于鐵路線路的正下方，當(dāng)列車通過時(shí)，車輛?軌道?軌道板?橋面的動力作用會使下部的站房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的振動[3]。若振動過大，將會影響設(shè)施設(shè)備的正常使用，同時(shí)會降低工作人員的工作效率，也會給旅客帶來不同程度的生理、心理影響。國內(nèi)外研究者對列車引起的高架車站振動進(jìn)行了一系列系統(tǒng)的研究。LIU等[1]對城際列車運(yùn)行引起高架車站的環(huán)境振動進(jìn)行了實(shí)地測量；YANG等[2]實(shí)測了列車以不同速度通過時(shí)“站橋合一式”車站的振動響應(yīng)；冉汶民等[4-5]實(shí)測了城際列車通過時(shí)引起高架車站的振動和噪聲，并建立了站房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)頻域分析模型；XIN等[6]研究了鋼軌打磨前后列車造成的振動響應(yīng)對比；崔聰聰?shù)萚7]實(shí)測了地鐵振動激勵(lì)，采用ANSYS軟件模擬了高架車站站房結(jié)構(gòu)的振動；馮青松等[8]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對比振動測試數(shù)據(jù)的離散特性，分析了不同區(qū)域的振動特性；XIA等[9]研究了列車荷載作用下高架結(jié)構(gòu)振動的產(chǎn)生機(jī)理，分析了不同類型高架橋的振動對環(huán)境的影響；孟慶成等[10]實(shí)測了高架車站候車廳的振動響應(yīng)并建立模型對車站現(xiàn)有減振系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。CUI等[11]構(gòu)建了高架車站與軌道結(jié)構(gòu)的耦合系統(tǒng)，并得到了動載作用下高架車站的振動響應(yīng)和軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。方聯(lián)民等[12]構(gòu)建了動力模型，研究了列車制動時(shí)高架車站的振動響應(yīng)。研究者對列車引起的高架車站振動進(jìn)行了理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實(shí)測。但是，對于列車在進(jìn)站、出站、越行3種情況下引起高架車站振動的差異，并沒有進(jìn)行詳細(xì)的研究。本文實(shí)測了穗莞深城際鐵路高架車站的振動響應(yīng)，分析了高架車站在列車進(jìn)站、出站、越行引起的振動差異的原因。

圖1 高架車站剖面Fig.1 Section diagram of elevated station

1 實(shí)驗(yàn)概況及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 車站概況和測點(diǎn)布置

穗莞深城軌道交通長安站位于廣東省東莞市長安鎮(zhèn)振安路路中，實(shí)景示意圖如圖2所示。長安站屬于“站橋分離式”的線下橋式車站，站臺結(jié)構(gòu)與鐵路橋梁結(jié)構(gòu)兩者分離。線下橋式車站是指站房主體位于橋體及線路正下方的高架車站[13]。車站站房共分3層；第1層為架空層，為市政道路的區(qū)域；第2層為設(shè)備管理用房及站廳層，包含候車大廳和辦公室等車站的主要區(qū)域；第3層為站臺，站臺為側(cè)式站臺，軌道板采用無砟軌道板。

圖2 長安站實(shí)景Fig.2 Chang-an intercity railway station

該城際鐵路為雙線客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)速度為140 km/h，正線線間距4.6 m。高架橋箱梁支撐于橋墩上，軌道梁采用30 m雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁。站臺端里程由DK61+816.00到DK62+026.00，有效站臺長度為210 m，橫跨8個(gè)橋墩。站廳層底面距地面高度為8.19 m，站臺層底面到地面高度為18.39 m，軌道高度位于站臺層底面以下1.25 m處。

為了得到高架車站不同區(qū)域的振動水平，本次實(shí)驗(yàn)在站臺層和站廳層分別布置了多個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行分析，測點(diǎn)加速度傳感器均布置在各層的地面。在2樓的站廳層的候車區(qū)布置了5個(gè)測點(diǎn)A1到A5，布置示意圖見圖4。其中候車區(qū)域的A1測點(diǎn)位于雙線路中心線正下方，A2測點(diǎn)距離雙線中心線距離4.0 m，A3到A5測點(diǎn)距離雙線中心線距離均為8.0 m，沿列車運(yùn)行方向每3 m分布一個(gè)。每個(gè)測點(diǎn)均布置了2個(gè)或3個(gè)加速度傳感器，可以得到測點(diǎn)的豎向振動加速度和水平振動加速度。

圖3 測點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Schematic diagram layout of measuring points

圖4 測點(diǎn)實(shí)際布置示意圖Fig.4 Schematic diagram field layout of measuring points

在3樓的站臺層同樣布置了2個(gè)測點(diǎn)B1和B2，布置示意圖見圖4。B1測點(diǎn)距離雙線路中心線距離8.2 m，與第2層的A3到A5測點(diǎn)到中心線的距離十分接近；B2測點(diǎn)距離中心線約13 m。在每個(gè)測點(diǎn)同樣布置了2個(gè)加速度傳感器，可以得到豎向和水平的振動加速度。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)振動加速度傳感器采用941B型振動加速度傳感器，941B型傳感器靈敏度為0.3(V?s2)/m，最大加速度量程為20 m/s2，分辨率為5×10?6m/s2；信號采集分析系統(tǒng)采用東方所INV3062V智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。各傳感器和采集系統(tǒng)采集儀在實(shí)驗(yàn)前均經(jīng)過標(biāo)定，以保證采集信號的有效性。振動測試采樣頻率為1 024 Hz。

圖5 941B型振動加速度傳感器Fig.5 941B ultra-low frequency accelerometers

2 振動評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法

對于得到的振動加速度信號，先后進(jìn)行時(shí)域分析、FFT頻域分析以及1/3倍頻程分析。評價(jià)振動大小采用加速度級，振動加速度級VAL定義如下：

式中：arms為振動加速度有效值，m/s2；aref為基準(zhǔn)加速度，aref=10-6m/s2。arms按下式計(jì)算：

為了減少背景振動對觀測數(shù)據(jù)的影響，采用如下方法消除背景振動的影響，

式中：VAL為去除背景振動后的加速度級；VALA為含背景振動的加速度級；VALB為背景振動的加速度級。本文選擇垂向Z振級VLZ進(jìn)行分析，并按人體Z記權(quán)因子計(jì)算振級[14]。

3 測試結(jié)果分析

3.1 時(shí)域分析

穗莞深城際鐵路開行動車組為CRH6A型動車組，按8節(jié)編組。實(shí)測時(shí)，記錄了車輛進(jìn)站、出站以及越行時(shí)的速度平均值。

現(xiàn)場實(shí)測記錄了多組無列車通過時(shí)的背景振動加速度水平，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)無明顯的干擾振源，地面上的各測點(diǎn)背景振動加速度時(shí)程有效值均在2×10?3m/s2之內(nèi)，各個(gè)工況的詳細(xì)實(shí)測信息見表1。

表1 不同工況下實(shí)測基本信息Table 1 Basic information of test

站臺層的B1測點(diǎn)與候車大廳的A3-A5測點(diǎn)距離線路中心線的距離比較接近，所以分析上下2層車站振動時(shí)，主要選取這些測點(diǎn)的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

由于進(jìn)站出站振動持續(xù)時(shí)間長，選取一次進(jìn)站出站過程，給出測點(diǎn)的振級時(shí)程如圖6所示。由圖6可以直觀看出：列車進(jìn)站出站時(shí)，引起持續(xù)振動加速度級(VAL)均在80～110 dB范圍內(nèi)，且站臺層的振動要明顯大于站廳層的振動，但振動隨著到振源距離的增大，衰減現(xiàn)象比較明顯。圖7則給出了列車越行時(shí)各測點(diǎn)的時(shí)域曲線?？梢钥闯隽熊囋叫袝r(shí)，整個(gè)時(shí)間段內(nèi)振動加速度數(shù)值較大。

圖6 列車進(jìn)站出站時(shí)豎向振級時(shí)程(圖中加速度方向均為豎向)Fig.6 Time histories of train arrival and departure(acceleration direction is vertical)

圖7 列車越行時(shí)測點(diǎn)時(shí)域曲線(B1,B2,A3為測點(diǎn)號)Fig.7 Time histories comparison of train overtaking(B1,B2 and A3 are measuring points)

選取3個(gè)工況下典型數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到各測點(diǎn)豎向加速度和水平加速度峰值如表2和表3所示。從表2可以看出，距離軌道中心線相同時(shí)，站臺層的豎向振動響應(yīng)大于站廳層。列車越行經(jīng)過時(shí)，列車速度平均值最大，因此振動加速度最大值和平均值要遠(yuǎn)大于出站進(jìn)站的對應(yīng)數(shù)值。這表明列車車速是影響振動加速度大小的主要因素。

對比表2和表3可以看出，測點(diǎn)的水平加速度值基本小于豎向加速度值。但在遠(yuǎn)離軌道中心線時(shí)，水平振動加速度會出現(xiàn)大于豎向振動加速度的情況，這表明水平振動加速度沿距離方向衰減并不明顯，部分測點(diǎn)甚至出現(xiàn)放大現(xiàn)象。

表2 各測點(diǎn)豎向加速度峰值Table 2 Vertical acceleration peak of measuring points

表3 各測點(diǎn)水平加速度峰值Table 3 Horizontal acceleration peak of measuring points

3.2 頻域分析

3.2.1 測點(diǎn)頻域分析

對各測點(diǎn)進(jìn)行頻域分析，限于篇幅，只選取了進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)的頻域曲線圖(圖8)。通過頻域分析發(fā)現(xiàn)，列車荷載對樓板的振動響應(yīng)基本一致，站臺層和站廳層的各測點(diǎn)振動主頻集中在0～100 Hz，各測點(diǎn)的頻譜峰值均在50 Hz左右。由圖8可以看出，豎向振動在25～100 Hz頻率范圍內(nèi)，隨著到振源距離的增大，衰減比較明顯；但在0～25 Hz頻率范圍內(nèi)，隨著到振源距離的增大，衰減不明顯，因此在距離列車中心線較遠(yuǎn)的測點(diǎn)，0～25 Hz頻率占比，要大于靠近列車中心線的測點(diǎn)。對比站臺層和站廳層的2個(gè)測點(diǎn)，可以得出同樣的結(jié)論，即列車引起的振動傳遞到遠(yuǎn)處時(shí)，高頻段的振動衰減要明顯大于低頻段的衰減值，因此對于距離振動源較遠(yuǎn)的測點(diǎn)，低頻振動所占比例會有所增大。

圖8 列車進(jìn)站時(shí)測點(diǎn)頻域曲線Fig.8 Spectrum of acceleration levels of train arrival

對于越行時(shí)的列車頻域曲線，站臺層和站廳層的各測點(diǎn)振動主頻基本同樣集中在0～100 Hz，測點(diǎn)的頻譜峰值位于50～70 Hz之間。但在55 Hz左右的豎向振動加速度峰值，越行時(shí)的最大值為19.7 mm/s2，要遠(yuǎn)大于進(jìn)站出站時(shí)的豎向振動加速度峰值3.39 mm/s2。這表明了越行時(shí)在峰值頻段，豎向振動加速度峰值要遠(yuǎn)大于進(jìn)站和出站的對應(yīng)數(shù)值。

3.2.2 頻域衰減傳遞規(guī)律分析

由上節(jié)可知，各頻段范圍的加速度變化具有一定的規(guī)律。由于測點(diǎn)55 Hz處均具有較高的振動加速度水平，圖9給出了列車在不同運(yùn)行狀況時(shí)，在下層站廳層(候車大廳)，55 Hz的豎向振動加速度的沿軌道中心線距離的變化，數(shù)值選取了測點(diǎn)在該頻率處的最大加速度值。

圖9 55 Hz處振動加速度與距離關(guān)系Fig.9 Relationship between vertical acceleration levels at 55 Hz and distance

距離軌道中心線0～8 m范圍內(nèi)，峰值頻率的振動加速度并不是隨著距離的增加而減小。在距離中心8 m處，振動加速度達(dá)到最大值。由于高架車站的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，振動從軌道傳遞到下層的站廳層主要是通過墩臺和柱結(jié)構(gòu)。而8 m處位于結(jié)構(gòu)墩臺中心，因此振動從上層直接傳遞到該處，產(chǎn)生了較大的振動加速度，這一結(jié)論與數(shù)值模擬文獻(xiàn)[12]中得到的結(jié)果有相似之處。

圖10給出了在不同頻段上，站廳層振動加速度沿軌道中心線距離的變化。選取了3個(gè)靠近頻譜峰值的頻率40，55和60 Hz，同時(shí)選取了一個(gè)低頻頻率10 Hz進(jìn)行對比。由于越行時(shí)具有較大的振動加速度水平，因此選取了越行時(shí)的振動加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

圖10 列車越行時(shí)不同頻段加速度與距離關(guān)系Fig.10 Spectrum of measured acceleration levels of train overtaking

從圖10可以看出，40，55和60 Hz的振動加速度，均在距離中心線8 m處有較大的數(shù)值，而10 Hz的振動加速度沿距離并沒有明顯變化。這也表明，在距離中心線8 m處，由于高架車站的較為復(fù)雜的振動傳遞，在振動傳遞結(jié)構(gòu)(墩臺)的中心處，振動在峰值頻率附近出現(xiàn)了放大。

3.2.3 振動加速度級隨距離變化分析

對站廳層和站臺層測點(diǎn)各車次加速度有效值進(jìn)行線性平均，按照式(1)計(jì)算振動加速級VAL，取VAL的最大值作為數(shù)據(jù)。得到的振動加速度級與距軌道中心線距離的關(guān)系，如圖11所示。

圖11 振動加速度級隨距離的變化曲線Fig.11 Curves of vibration acceleration level changing with distance

越行時(shí)候車大廳的加速度級為83～87 dB，站臺層為84～91 dB，越行時(shí)的加速度級明顯大于進(jìn)站出站時(shí)的加速度級。由下層站廳層加速度級距離軌道中心線的的變化可以看出，0～4 m的加速度級衰減比較明顯，而4～8 m的加速度級在越行時(shí)增大，在進(jìn)站和出站時(shí)減小。這一結(jié)果與3.2.2節(jié)得出的結(jié)論類似，同樣表明了列車通過時(shí)高架車站站廳層的振動加速度級，并不是隨著到軌道中心線距離的增加而衰減的，它與高架車站振動傳遞結(jié)構(gòu)的布置位置有關(guān)，在振動傳遞結(jié)構(gòu)中心附近具有最大的振動加速度級。

3.3 1/3倍頻程分析

采用Z振級分析數(shù)據(jù)，得到各測點(diǎn)1/3倍頻程分析結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，B1測點(diǎn)越行、進(jìn)站和出站時(shí)的最大振級分別為77.0，69.7和69.2 dB。B2測點(diǎn)越行、進(jìn)站和出站分別為67.4，61.1和59.9 dB。A3測點(diǎn)越行、進(jìn)站和出站分別為66.2，56.7和59.2 dB。數(shù)據(jù)表明列車越行時(shí)的振動要大于列車進(jìn)站和出站的振動。

由于越行時(shí)的Z振級數(shù)據(jù)較大，因此選取了3個(gè)測點(diǎn)的越行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖12所示。對比站臺層上2個(gè)測點(diǎn)的Z振級數(shù)據(jù)，其振動峰值主要出現(xiàn)在6.3，40，50和63 Hz中心頻率處，取該4項(xiàng)數(shù)據(jù)得到最大Z振級數(shù)據(jù)對比表(表4)。

圖12 列車越行時(shí)測點(diǎn)Z振級Fig.12 One-third octave band spectral of train overtaking

表4 越行時(shí)各測點(diǎn)Z振級數(shù)據(jù)對比Table 4 Comparison of vibration levels of measuring points

由圖12和表4可以看出，站臺層的振動隨著到振源距離的增大，各中心頻率的振級都有所衰減，但衰減的程度有所不同。在站臺層，6.3，40和63 Hz中心頻率的峰值振動衰減不明顯，但在站廳層的衰減比較大。而50 Hz中心頻率的峰值振動在站臺層和站廳層均有較大衰減。

對比站臺層，站廳層在50 Hz中心頻率的峰值振動，在進(jìn)站、出站和越行時(shí)分別衰減了14.97，9.91和11.37 dB。整體上來看，候車大廳層各頻段的豎向Z振級分布更為平緩，即候車大廳層的列車振動給人帶來的不適感更小。但值得注意的是，列車越行時(shí)在10 Hz和12.5 Hz中心頻率處振動增大，這是由于下層站廳結(jié)構(gòu)在該頻段產(chǎn)生了共振現(xiàn)象。

由于我國目前還沒有專門針對高架車站的振動評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以文獻(xiàn)[15]中對鐵路干線兩側(cè)30 m處的振動限值80 dB來看，進(jìn)站和出站時(shí)，站臺層和候車大廳地面實(shí)測振級均小于該值。但在列車越行時(shí)，站臺層測點(diǎn)的最大振級(77.0 dB)十分接近臨界的振動限值，需要注意。

4 結(jié)論

1)列車越行時(shí)，由于列車速度較快，產(chǎn)生的豎向振動加速度和水平振動加速度要遠(yuǎn)大于進(jìn)站和出站時(shí)的振動加速度。

2)列車運(yùn)行引起的車站振動主要頻率集中在0～100 Hz范圍內(nèi)。在列車進(jìn)站、出站、越行時(shí)，車站產(chǎn)生的振動峰值頻率均位于50～70 Hz范圍內(nèi)，越行時(shí)豎向加速度具有最大值，對應(yīng)峰值頻率為55 Hz。

3)車站下層站廳層的振動加速度，并不是隨著到軌道中心線距離的增加而衰減的，它的數(shù)值與高架車站振動傳遞結(jié)構(gòu)(墩臺和柱)的布置位置有關(guān)。

4)列車越行時(shí)，在站臺和正下方的候車大廳的豎向Z振級分別達(dá)到了77.0 dB和66.2 dB；數(shù)值十分接近鐵路干線兩側(cè)的振動限值，應(yīng)對越行時(shí)出現(xiàn)的振動問題予以重視。

5)振動由站臺層傳遞到站廳層時(shí)，在部分頻段(6～12.5 Hz)會出現(xiàn)振動放大現(xiàn)象；且越行時(shí)的振動放大相比于列車進(jìn)站出站更為明顯。

6)列車引起的振動從軌道梁(振動源)傳遞到遠(yuǎn)處時(shí)，高頻段的振動衰減要明顯大于低頻段的衰減值，因此，對于距離振動源較遠(yuǎn)的測點(diǎn)，低頻振動所占的比例會有所增大。