地鐵車站上蓋建筑振動(dòng)傳播規(guī)律分析

鄭鈺鈺，謝艷花，陶寧?kù)o，黃子貺，徐 敏，章玉容，袁宗浩

1.浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，浙江杭州310014

2.中國(guó)聯(lián)合工程有限公司，浙江杭州310052

0 引 言

地鐵交通因其高效、安全、準(zhǔn)時(shí)等特點(diǎn)，在我國(guó)飛速發(fā)展，成為解決城市道路擁擠及減少環(huán)境污染的重要手段。然而，地鐵列車在運(yùn)行時(shí)由于輪軌接觸會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，經(jīng)周圍地層進(jìn)行傳播，引起鄰近建筑物的二次振動(dòng)和噪聲，影響人們的正常生活與工作［1］。

目前分析地鐵列車引起的振動(dòng)影響主要基于經(jīng)驗(yàn)公式、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及數(shù)值分析等手段。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭皇窍鄬?duì)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式，很難對(duì)振動(dòng)對(duì)應(yīng)的頻率范圍進(jìn)行精確預(yù)測(cè)。數(shù)值模型預(yù)測(cè)振動(dòng)需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，且數(shù)值模型參數(shù)對(duì)振動(dòng)影響的不確定性，需要對(duì)特定模型進(jìn)行反復(fù)運(yùn)算。因此，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基礎(chǔ)，查明場(chǎng)地振動(dòng)波傳遞特性成為主要研究手段之一。Galvín等［2］通過(guò)對(duì)西班牙一條高速鐵路進(jìn)行振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了列車振動(dòng)在地面的傳播規(guī)律。潘昌實(shí)等［3］對(duì)北京地鐵崇文門至前門站的地鐵區(qū)間列車振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，并開(kāi)展相應(yīng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，得出了列車模擬荷載。孫曉靜［4］采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究了地鐵列車運(yùn)行對(duì)北京大學(xué)理科試驗(yàn)基地內(nèi)精密儀器的振動(dòng)影響。

研究表明，建筑物內(nèi)的振動(dòng)主要頻率通常集中在20～50 Hz，以低頻振動(dòng)為主；建筑物的振動(dòng)大小取決于建筑物基礎(chǔ)的形式與質(zhì)量，建筑物的重量，以及與建筑結(jié)構(gòu)相互作用的土壤類型。另外，列車運(yùn)行引起的振動(dòng)隨著列車速度的提高而增大?，F(xiàn)有研究多針對(duì)正線列車運(yùn)行時(shí)的上蓋建筑振動(dòng)開(kāi)展研究，然而隨著城市的發(fā)展，越來(lái)越多的綜合體修建在地鐵車站附近，從而引入了車站上蓋建筑振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)的問(wèn)題。

本文以杭州某地鐵車站為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)實(shí)測(cè)的方式研究了低層和高層建筑振動(dòng)的傳播規(guī)律，分別在頻域和時(shí)域中對(duì)比了建筑振動(dòng)沿樓層高度方向上的傳播與衰減規(guī)律，著重討論了低層和高層建筑地下室樓板和結(jié)構(gòu)柱的振動(dòng)傳遞特點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)該工程采用不同的規(guī)范進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)評(píng)價(jià)，分析了不同規(guī)范下振動(dòng)水平的差異。

1 地鐵隧道和抗浮板振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 場(chǎng)地概況

地鐵振動(dòng)測(cè)試范圍位于杭州地鐵4號(hào)線某區(qū)間段，選取典型上蓋建筑開(kāi)展振動(dòng)測(cè)試工作。地鐵4號(hào)線穿越本振動(dòng)測(cè)試地塊，其中16 層3#樓為辦公寫字樓；3 層7#樓為商場(chǎng)，項(xiàng)目地塊下方為3層地下室，第2層為停車區(qū)和檢票區(qū)，第3層為地鐵運(yùn)行層。7#樓位于地鐵站正上方，3#樓靠近地鐵站，地鐵振動(dòng)易通過(guò)結(jié)構(gòu)柱傳遞至上部結(jié)構(gòu)，故對(duì)7#樓、3#樓，及其下部地鐵站進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。測(cè)試區(qū)位置見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)試區(qū)位置

1.2 上蓋建筑車致振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)位布置情況

本文開(kāi)展測(cè)試時(shí)采集儀的采樣頻率在7#樓和3#樓均為512 Hz。7#樓測(cè)試時(shí)，分別在地下1層的兩根柱和一塊板布置測(cè)點(diǎn)，在1 層和2 層的柱A、柱B、柱C、柱D、板A和柱C 旁板B 布置測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。3#樓測(cè)試時(shí)，由于建筑結(jié)構(gòu)處于在建階段，施工完成至第8 層，故分別在地下1 層、1層、3層、5層、7層的柱A、柱B、柱C、柱D、板A、板B布置測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

圖2 7#樓測(cè)點(diǎn)布置剖面

圖3 3#樓測(cè)點(diǎn)布置剖面

2 上蓋建筑過(guò)車振動(dòng)結(jié)果分析

2.1 振動(dòng)響應(yīng)-時(shí)程分析

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中得到了地鐵車輛段上蓋建筑7#樓、3#樓各測(cè)點(diǎn)在不同樓層下的豎向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線圖，見(jiàn)圖4、圖5。限于篇幅，選取7#樓柱A、板A位置兩處測(cè)點(diǎn)，3#樓柱A、板B位置兩處測(cè)點(diǎn)作分析對(duì)比。

圖5 3#樓測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程

由圖4、圖5 可以看出，地鐵過(guò)車振動(dòng)響應(yīng)具有持續(xù)性、先變大后減小的整體特點(diǎn)，且通過(guò)各測(cè)點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)約20 s，具有明顯的列車過(guò)車現(xiàn)象。時(shí)程中段局部加速度的突然增大是由于列車各組輪對(duì)經(jīng)過(guò)同一觀測(cè)斷面疊加所導(dǎo)致的。

由圖4、圖5 可知，柱和板的振動(dòng)響應(yīng)隨著樓層的增加而波動(dòng)衰減。對(duì)于高層建筑而言，地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)響應(yīng)隨著樓層的增加呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢(shì)，由于振動(dòng)波在建筑頂部發(fā)生入射和反射疊加，使得頂部的豎向振動(dòng)加速度會(huì)出現(xiàn)放大現(xiàn)象。5層以下柱和板測(cè)點(diǎn)處的豎向振動(dòng)加速度有明顯衰減，5層以上變化較小。而對(duì)低層建筑而言，未能觀察到此現(xiàn)象。

為了進(jìn)一步比較振動(dòng)在傳播過(guò)程中不同位置對(duì)振動(dòng)衰減的影響，選取各建筑地上1層測(cè)試結(jié)果作為數(shù)據(jù)分析對(duì)比，見(jiàn)圖6。

圖6 同層板、柱測(cè)點(diǎn)加速度時(shí)程

由圖6可知，對(duì)比同一層樓板與柱測(cè)點(diǎn)的時(shí)域圖可以發(fā)現(xiàn)，板的振動(dòng)加速度明顯大于柱的振動(dòng)加速度，這是由于板的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于柱的剛度且板振動(dòng)可來(lái)源于多個(gè)結(jié)構(gòu)柱，會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)。

2.2 振動(dòng)響應(yīng)-頻譜分析

通過(guò)傅里葉變換，得到相同位置不同樓層的振動(dòng)加速度頻譜曲線，用以研究振動(dòng)頻率特性，見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 7#樓測(cè)點(diǎn)加速度頻程

圖8 3#樓測(cè)點(diǎn)加速度頻程

由圖可知，各層豎向加速度包含的頻率成分相似，柱的豎向振動(dòng)主要分布在40～70 Hz，且還會(huì)在0～20 Hz出現(xiàn)分布；板的豎向振動(dòng)主要分布在40～80 Hz，且還會(huì)在20～30 Hz出現(xiàn)分布。

板的振動(dòng)加速度整體呈衰減趨勢(shì)，由于頂層放大現(xiàn)象，導(dǎo)致7層略有增大，高頻衰減速度較慢。柱的振動(dòng)加速度也呈整體衰減趨勢(shì)，頂層有放大現(xiàn)象，低頻較高頻衰減較慢，整體變化同板一致。隨著樓層的增高，各層豎向加速度的低頻成分得到明顯加強(qiáng)。同時(shí)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在低層建筑中高頻成分在柱和板中均沒(méi)有明顯的衰減，對(duì)應(yīng)的高層建筑中高頻成分在柱中由于傳遞路徑直接衰減較?。欢鴮?duì)于板而言，由于結(jié)構(gòu)阻隔作用傳遞路徑復(fù)雜，板中高頻成分表現(xiàn)出明顯的衰減。

2.3 振動(dòng)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)與結(jié)果

為評(píng)價(jià)隧道振動(dòng)響應(yīng)，本文依據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法（GB 10071—88）》［5］和《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)（JGJ/T 170—2009）》［6］計(jì)算鉛垂向Z振級(jí)和1/3倍頻程中心頻率上的最大振動(dòng)加速度級(jí)VLmax。

1）《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法（GB 10071—88）》

該標(biāo)準(zhǔn)以鉛垂向Z振級(jí)作為振動(dòng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)，適用于居民、文教區(qū)商業(yè)中心、工業(yè)集中區(qū)等多種區(qū)域的振動(dòng)評(píng)價(jià)，其規(guī)定了城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)值及適用地帶范圍和監(jiān)測(cè)方法，是最常用的城市環(huán)境振動(dòng)噪聲水平控制標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定對(duì)于鐵路振動(dòng)取每次列車通過(guò)過(guò)程中的最大值，以20次列車最大值的算術(shù)平均值作為評(píng)價(jià)量，計(jì)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)為《人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià) 第1部分：一般要求（ISO 2631/1—1985）》?？俍 振級(jí)計(jì)算公式為：

2）《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)（JGJ/T 170—2009）》

該標(biāo)準(zhǔn)給出了以分頻最大振級(jí)作為振動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，適用城市列車所引起的沿線建筑物振動(dòng)與室內(nèi)二次輻射噪聲的控制和測(cè)量。分頻最大振級(jí)指計(jì)權(quán)后1/3倍頻程譜上幅值最高的頻帶的值，計(jì)權(quán)標(biāo)準(zhǔn)為《機(jī)械振動(dòng)與沖擊 人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià) 第1部分：一般要求（ISO 2631/1—1997）》。采用該方法時(shí)可以對(duì)頻段振動(dòng)分析評(píng)價(jià)，常見(jiàn)方法有線性平均、峰值保持和最大值保持。為保持計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和分析的可靠性，一般選擇采用峰值保持法進(jìn)行計(jì)算。

按照上述方法計(jì)算得到相同位置不同樓層的豎向振動(dòng)加速度1/3倍頻程曲線，見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 7#樓測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程

圖10 3#樓測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程

由圖9可知，7#樓柱和板的最大分頻振級(jí)位于中心頻率63 Hz處，其中柱B 測(cè)點(diǎn)的分頻振級(jí)最大為64.02 dB，板A測(cè)點(diǎn)的分頻振級(jí)最大為69.88 dB；由圖10 可知，3#樓柱和板的最大分頻振級(jí)位于中心頻率63 Hz處，其中柱A測(cè)點(diǎn)的分頻振級(jí)最大為69.63 dB，板B測(cè)點(diǎn)的分頻振級(jí)最大為73.22 dB。

為了較好反映建筑振動(dòng)的變化規(guī)律，采集多組地鐵過(guò)車引起的建筑振動(dòng)加速度信號(hào)，選取測(cè)點(diǎn)各層最大值并根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Z 振級(jí)分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由于測(cè)試時(shí)間位于6∶00—22∶00，此處只將白天限值作分析對(duì)比。

表1 Z振級(jí)分析結(jié)果

由表1可知，7#樓所選柱A測(cè)點(diǎn)所有樓層、板A測(cè)點(diǎn)地下1層和地上2層，以及3#樓所選柱A測(cè)點(diǎn)所有樓層，板B測(cè)點(diǎn)5層和地下1層的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果均滿足規(guī)范《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法（GB 10071—88）》《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)（JGJ/T 170—2009）》的白天Z振級(jí)限值；7#樓所選板A測(cè)點(diǎn)地上1 層和3#樓所選板B 測(cè)點(diǎn)1 層、3層、7層有不同程度的超標(biāo)。由表1可知，板B 1層測(cè)點(diǎn)處Z振級(jí)分別超出規(guī)范0.89 dB，在實(shí)際情況下，應(yīng)根據(jù)超標(biāo)情況對(duì)建筑或地鐵列車處作一些減振處理。關(guān)于振動(dòng)響應(yīng)減振問(wèn)題的處理，針對(duì)接近震源處的構(gòu)件作減振處理能夠更為直接地解決響應(yīng)超標(biāo)的問(wèn)題。當(dāng)建筑測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)超標(biāo)較小時(shí)，可通過(guò)在軌道處增加減振扣件來(lái)實(shí)現(xiàn)，有效減振約為2～5 dB，例如GJ-Ⅲ型減振降噪扣件、GJ-I型軌道減振器、雙層非線性扣件等；而針對(duì)超標(biāo)量值較大的情況，鋼彈簧浮置板道床、Ⅲ減振器扣件+短軌枕式整體道床比普通整體道床能夠有效減振5～10 dB。

以3#樓為例，隨著樓層的升高，柱的Z振級(jí)先增大后衰減，在頂部有放大效應(yīng)；板的Z振級(jí)先衰減后增大，在頂層有放大效應(yīng)。

3 結(jié) 論

本文以杭州地鐵4號(hào)線為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法獲得了地鐵下穿上蓋建筑7#樓、3#樓不同樓層位置的振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)程圖、頻譜圖和1/3倍頻程分析了地鐵振動(dòng)在上蓋建筑傳播振動(dòng)衰減規(guī)律，對(duì)比了板和柱振動(dòng)傳播差異，采用不同規(guī)范對(duì)現(xiàn)有上蓋建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，提出減振意見(jiàn)，得到如下結(jié)論：

1）對(duì)于地鐵車站附近的低層建筑，柱和板的振動(dòng)總體上均隨樓層高度上升波動(dòng)衰減。

2）對(duì)于高層建筑，地鐵引起柱和板的振動(dòng)隨著樓層的升高先增大再減小最后出現(xiàn)增大，先在1層增大，隨后逐漸衰弱，再在頂層增大。頂層增大是由于振動(dòng)波在建筑頂部發(fā)生入射和反射疊加，使得頂部的豎向振動(dòng)加速度出現(xiàn)放大現(xiàn)象。

3）對(duì)比同一層樓板與柱測(cè)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，板的振動(dòng)加速度明顯大于柱的振動(dòng)加速度，是由于樓板對(duì)柱邊振動(dòng)有一定程度的放大作用。

4）柱和板的豎向振動(dòng)主要分布在40～70 Hz的高頻部分；柱和板最大分頻振級(jí)在中心頻率為63 Hz，其余較高分頻振級(jí)出現(xiàn)較多的頻率為6.4～12.5 Hz。