劉海鑫，李 輝，康軍立，杜 喬

（1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 南京 210005；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610031）

橋建合一車站列車振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)方法研究

劉海鑫1，李 輝1，康軍立2，杜 喬2

（1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 南京 210005；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610031）

針對(duì)鐵路和城市軌道交通列車運(yùn)行給橋建合一車站帶來的振動(dòng)舒適度問題，總結(jié)了目前振動(dòng)對(duì)建筑舒適度分析和評(píng)價(jià)的基本方法和標(biāo)準(zhǔn)，探討了橋建合一車站列車振動(dòng)候車舒適度的分析和評(píng)價(jià)方法。以某橋建合一客運(yùn)站為例，采用加速度振動(dòng)級(jí)方法，根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)其振動(dòng)舒適度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，所采用的基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法可供同類車站分析與評(píng)價(jià)參考。

橋建合一；振動(dòng)；動(dòng)力響應(yīng)；加速度振動(dòng)級(jí)；舒適度

隨著中國(guó)鐵路和城市軌道交通的迅速發(fā)展，為有效地利用軌道上下空間，節(jié)約土地占用和投資，方便旅客換乘，橋梁與房屋建筑結(jié)構(gòu)組合的“橋建合一”形式的高架車站被廣泛采用。但該類車站列車制動(dòng)啟動(dòng)和通過均會(huì)給車站結(jié)構(gòu)帶來一定的振動(dòng)，這些振動(dòng)雖然不足以使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全性問題，但是直接影響旅客的候車舒適性。因此對(duì) “橋建合一”車站（特別是大型客運(yùn)站）的振動(dòng)候車舒適性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，有效地將振動(dòng)的水平控制在可接受的水平十分必要。

由于列車運(yùn)動(dòng)對(duì)建筑物振動(dòng)的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，列車對(duì)橋梁的振動(dòng)影響以及人行等對(duì)大型客運(yùn)站樓蓋的振動(dòng)均有相應(yīng)的研究成果，但是關(guān)于列車車輛 橋建合一車站結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用的研究還不多。另外，中國(guó)除《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》GB／T 50355—2005外，尚無其它振動(dòng)引起的建筑結(jié)構(gòu)舒適度評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，其它建筑通常參考不具約束力的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于近年來興起的“橋建合一”車站結(jié)構(gòu)列車振動(dòng)對(duì)候車舒適性的分析和評(píng)價(jià)目前也沒有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)。本文討論了振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)的基本方法，并應(yīng)用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》GB 10070—88中的相應(yīng)限值對(duì)車站進(jìn)行列車振動(dòng)舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法

振動(dòng)舒適度，是指人在振動(dòng)環(huán)境中的舒適程度，是對(duì)人的主觀感受通過某種原則進(jìn)行量化的結(jié)果。從各個(gè)時(shí)期和各國(guó)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可以看出舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比較復(fù)雜，評(píng)價(jià)方式也很多。

1.1 振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)研究

振動(dòng)對(duì)人的影響由來已久，最早對(duì)人的振動(dòng)舒適度進(jìn)行系統(tǒng)性研究是德國(guó)的Reiher和Meister 1931年進(jìn)行的試驗(yàn)室研究，他們通過實(shí)驗(yàn)對(duì)人在不同振動(dòng)強(qiáng)度下的感受進(jìn)行了分級(jí)，得到后來在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)被廣泛認(rèn)可的五級(jí)舒適度評(píng)價(jià)曲線。在這項(xiàng)研究中，要求10個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象用“不能感覺”、“微微感覺到”、“容易感覺到”、“強(qiáng)烈感覺到”、“不舒適、長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)”、“很不舒適、短時(shí)一間內(nèi)會(huì)感到危險(xiǎn)”，等6個(gè)主觀判斷來描述自己對(duì)振動(dòng)的感受，能感覺到的振動(dòng)的低限“微微感覺到”常常被用來作為區(qū)分建筑物中可以接受和不可接受的振動(dòng)的分界線。Reiher和Meister的研究結(jié)果在很多方面還有疑問，然而這項(xiàng)研究的重要意義不在于其數(shù)據(jù)的精確性，而在于其研究時(shí)間早、并提供了對(duì)振動(dòng)反應(yīng)的一般描述并得到了振動(dòng)舒適度頻率效應(yīng)的近似規(guī)律。

在隨后的時(shí)間里，美、德、英等國(guó)家的學(xué)者先后進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。Griffin在他的著作中系統(tǒng)的總結(jié)了美、德、英等國(guó)家學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方面取得的成果，Nawayseh等通過人體主觀反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，研究了振動(dòng)的幅值、頻率成分及振動(dòng)方向等因素對(duì)站立姿勢(shì)人舒適度的影響。這些成果逐步體現(xiàn)到一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，如英國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布的BS系列標(biāo)準(zhǔn)、德國(guó)的DIN系列和VDI系列標(biāo)準(zhǔn)，ISO系列標(biāo)準(zhǔn)等。

在中國(guó)，建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度問題長(zhǎng)期以來沒有引起太多重視，隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度問題越來越受到關(guān)注。國(guó)內(nèi)學(xué)者近年來在振動(dòng)舒適度的研究上也做了大量工作，取得了一定的成績(jī)，對(duì)個(gè)別大型建筑進(jìn)行了舒適度分析和評(píng)價(jià)。

1.2 振動(dòng)舒適度的評(píng)價(jià)方法

1939年的德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN4150對(duì)Reihe：和Meister的研究成果進(jìn)行了深化，給出了一組詳細(xì)的振動(dòng)舒適度等值線，并用PAL來定義不同的振動(dòng)舒適度水平，

其中V是峰值速度；V0是參考振動(dòng)速度的振幅，V0的取值為0.4 mm／s，PAL等于40是“不舒服”、PAL等于20是“強(qiáng)烈感覺到”、PAL等于10是“能感覺到”，而PAL等于5是“剛好能感覺到”，PAL等于0為振感限值。

1958年德國(guó)的Dieckmann在心理物理學(xué)研究和主觀方法研究的基礎(chǔ)上給出了K值法：

其中X是峰值位移，mm；f是頻率，Hz。該標(biāo)準(zhǔn)給出的振感閾限在K＝0.1處，而另一個(gè)極端“感覺振動(dòng)無法忍受”即1 min振動(dòng)可耐限度為K＝100。K值方法被用在后來的DIN4025中，在DIN4025中，K＝0.1對(duì)應(yīng)了振感閾限，K＝0.1～0.3之間的值分別定義為“剛好感覺到”、“容易感覺到”、“略不舒服”幾種不同的主觀感受。德國(guó)工程師聯(lián)合會(huì)基于Dieckmann的研究于1963年發(fā)布了人體振動(dòng)舒適度標(biāo)準(zhǔn)，并不斷更新，歷經(jīng) VDI 2057（1963），DIN4150，DIN4150（1985）。

國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)IS02631（全身振動(dòng)暴露度評(píng)價(jià)指南）用于評(píng)價(jià)交通工具和機(jī)器附近的振動(dòng)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)建議建筑物可接受的振動(dòng)限值在振感閩限附近，而給出的振感閾限為0.01 mms－2，與標(biāo)準(zhǔn)中給出的“暴露限”，“疲勞工效降低限”，“舒適度降低限”一樣隨振動(dòng)頻率而變化。對(duì)于站姿和坐姿，0.0 mms－2分別適用于豎向振動(dòng)（頻率范圍4～8 Hz）和水平振動(dòng)（頻率范圍1～2 Hz），在該頻率范圍以外，需要使用更高的閾限。

國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)ISO2631－1（1985）、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《人承受建筑物內(nèi)振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)》（ANSIS 329）、日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《振動(dòng)限制法》（1976）與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—88）、《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T50355—2005）中均采用加速度振動(dòng)級(jí)的方法來評(píng)估舒適度指標(biāo)。

1.3 中國(guó)規(guī)范的振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)

我國(guó)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—88）采用了IS02631給出的頻率計(jì)權(quán)，并參考德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)給出了不同區(qū)域的容許限值，如表1所示。該標(biāo)準(zhǔn)采用分貝（dB）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，即

其中，a0為參考加速度，取值為10－6ms－2；arms為振動(dòng)加速度有效值，ms－2。arms需根據(jù)加速度時(shí)程a（t）計(jì)算得到。

對(duì)加速度時(shí)程a（t）進(jìn)行頻域分析，可以得到加速度時(shí)程的自功率譜密度函數(shù)（單邊譜）Ga（f）。然后根據(jù)Ga（f）計(jì)算振動(dòng)加速度有效值arms，進(jìn)而計(jì)算振級(jí)，并于規(guī)范提供的振級(jí)限值做比較，進(jìn)行舒適性評(píng)價(jià)。

表1 《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》給出的VLZ（dB）限值

振動(dòng)加速度有效值的計(jì)算主要有3種方法：采用離散加權(quán)因子計(jì)算總加權(quán)加速度均方根值、采用連續(xù)加權(quán)函數(shù)計(jì)算總加權(quán)加速度均方根值、等效連續(xù)均方根值。本文選取連續(xù)加權(quán)函數(shù)計(jì)算總加權(quán)加速度均方根值，加權(quán)加速度均方根可以表示為

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50355—2005）規(guī)定了住宅建筑室內(nèi)的鉛垂向振動(dòng)加速度級(jí)（La）應(yīng)符合規(guī)定值。我國(guó)除住宅外尚無其它公共建筑室內(nèi)振動(dòng)限值的標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)定，因此只有參照《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—88）的相應(yīng)限值規(guī)定，采用加速度振動(dòng)級(jí)來評(píng)價(jià)列車振動(dòng)對(duì)候車舒適度的影響。

2 實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目概況

某大型橋建合一鐵路高架車站，南北橫跨26條鐵路線，其中正線4條，到發(fā)線22條。主站房南北長(zhǎng)約364 m，東向?qū)捈s170 m，地上主要部分共兩層（局部有夾層和錯(cuò)層），第一層為站臺(tái)層標(biāo)高8.8 m，第二層為候車廳標(biāo)高20.8 m，屋頂標(biāo)高47.6 m。為降低高速列車通過對(duì)候車廳振動(dòng)的影響，在正線軌道和到發(fā)線軌道間設(shè)置了結(jié)構(gòu)縫，從而有效控制高速列車對(duì)建筑物振動(dòng)的直接影響。設(shè)縫后鐵路正線將站房候車區(qū)南北劃分為3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域A、B、C。

2.2 列車車輛—橋建合一車站結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

根據(jù)秦沈客運(yùn)專線綜合試驗(yàn)已有成果，建立列車車輛模型和相應(yīng)列車激勵(lì)。根據(jù)現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范，采用ANSYS通用有限元軟件建立車站整體有限元模型。

鐵路正線將站房劃分為A、B、C，3個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域。A區(qū)域中有到發(fā)線7條，B區(qū)域中有到發(fā)線10條，C區(qū)域中有到發(fā)線5條。A區(qū)域中軌道以次命名為1～7號(hào)。根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—88）中監(jiān)測(cè)點(diǎn)在建筑物室外0.5 m以內(nèi)振動(dòng)敏感處，必要時(shí)測(cè)量點(diǎn)置于建筑物室內(nèi)地面中央的規(guī)定，選取A區(qū)域中候車廳地面中央為加速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，命名為A1。車站軌道較多，完全的理論工況組合數(shù)量巨大，且受篇幅限制，本文僅就A區(qū)域?yàn)槔?，選取了每條軌道單獨(dú)制動(dòng)和啟動(dòng)，共計(jì)14個(gè)單軌激勵(lì)工況。根據(jù)單軌激勵(lì)的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本區(qū)域內(nèi)軌道主要影響本區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)其他區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)影響很小的特點(diǎn)，選取了2個(gè)不利工況組合，詳見表1。

表1 分析工況與說明

利用Block Lanczos方法計(jì)算了車站整體的動(dòng)力特性，按列車車輛和橋建合一車站耦合動(dòng)力相互作用分析計(jì)算出工況1～14每條軌道列車單軌道激勵(lì)和不利組合工況15、16下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1的時(shí)程響應(yīng)與自功率譜結(jié)果。受篇幅限制，本文僅列出組合工況15條件下，A1監(jiān)測(cè)點(diǎn)X向的計(jì)算結(jié)果。

2.3 候車舒適度評(píng)價(jià)

工況15下A1點(diǎn)的加速度時(shí)程（X方向）

工況15下A1點(diǎn)自功率譜密度函數(shù)（X方向）

根據(jù)上述分析結(jié)果計(jì)算出不同工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的加速度振級(jí)指標(biāo)，根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》鐵路干線兩側(cè)限值為80 dB的規(guī)定，進(jìn)行車站的候車舒適度評(píng)價(jià)。受篇幅限制，表3僅列出了2個(gè)不利組合工況條件下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度振級(jí)指標(biāo)。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)加速度振級(jí)指標(biāo) dB

綜合各不利組合工況的舒適性分析結(jié)果，候車廳監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1的最大分貝值為66.45 dB；小于標(biāo)準(zhǔn)限值80 dB，滿足舒適度要求，同樣通過相應(yīng)的計(jì)算可以評(píng)價(jià)其它區(qū)域的候車舒適度，這里就不再一一贅述。

3 結(jié) 論

雖然分析結(jié)果表明列車運(yùn)營(yíng)對(duì)候車舒適度的影響滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但其加速度振級(jí)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)限值已比較接近。因此對(duì)于大型“橋建合一”車站即使強(qiáng)度與變形滿足規(guī)范要求，樓蓋候車舒適度也有可能不滿足使用要求，有必要進(jìn)行候車舒適度的分析和評(píng)價(jià)。經(jīng)算例分析，所采用的基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的加速度振動(dòng)級(jí)舒適度評(píng)價(jià)方法，依據(jù)的限值明確規(guī)定有一定的約束力，實(shí)用性強(qiáng)，可供同類車站分析與評(píng)價(jià)參考。

由于列車運(yùn)營(yíng)對(duì)“橋建合一”車站的影響是個(gè)十分復(fù)雜的問題，本文也僅探討和試算了到發(fā)線列車的直接震動(dòng)影響，并沒有考慮正線列車高速通過等對(duì)車站的間接震動(dòng)影響，所采用的《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 10070—88）的規(guī)定限值，也針對(duì)軌道兩側(cè)并不是直接根據(jù)“橋建合一”車站提出的，因此尚有不完善的地方。

隨著軌道交通的快速發(fā)展，中國(guó)已建和在建的同類車站越來越多。建議有關(guān)方面組織力量對(duì)“橋建合一”車站列車振動(dòng)的候車舒適性評(píng)價(jià)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，收集和實(shí)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，總結(jié)有效隔振和減振措施，制定公共建筑特別是“橋建合一”車站的振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)，為列車振動(dòng)對(duì)候車舒適性的分析和評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.GB 10070—88城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

［2］西南交通大學(xué)，中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.合肥南站列車動(dòng)載作用下候車舒適度和結(jié)構(gòu)安全研究報(bào)告［R］.成都：西南交通大學(xué).

［3］何浩祥，閆維明.豎向環(huán)境振動(dòng)下人與結(jié)構(gòu)相互作用及舒適度研究［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2008，21（5）：446-451.

［4］盛平，王軼.大型站橋合一客站建筑的舒適度研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（12）：43-45.

［5］梅正君，朱家文.振動(dòng)對(duì)建筑物安全與室內(nèi)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)［J］.住宅科技，2011，39（1）：25-27.

［6］顏鋒，錢基宏.武漢火車站高速列車對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（1）：25-27.

［7］周德良，李愛群.長(zhǎng)沙南站大跨度候車廳樓蓋豎向舒適度分析與檢測(cè)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2011（Sup4）：167-169.

［8］張曉春，張辰辰.地鐵列車振動(dòng)對(duì)臨近建筑內(nèi)人體舒適度的影響研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38（6）：836-840

（編輯 王秀玲）

The Evaluation Method of Vibration Comfortable Level in Bridge-Architecture Composite Station

Liu Haixin1，Li Hui2，XuTunfei2，Kang Junli2，Du Qiao2
（1.The Institute of Communication Planning and Design of Jiangsu Province，Nanjing 210005，P.R.China；2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，P.R.China）

To solve the problem of comfortable level on vehicle vibration in railway station，this article summarizes current building comfortable level analysis and evaluation standards and methods，and the comfortable level of railway station is discussed.According to the Standard of City Region Environmental Vibration，some bridge-station combined structure is taken as an example，the standard scale of acceleration vibration is used to evaluate the comfortable level of the railway station.The methods and evaluation process provided in this article can serve as an reference.

bridge-architecture composite structure；vibration；dynamic response；acceleration vibration leve；comfort

U270.38

A

1674-4764（2013）S2-0136-04

10.11835／j.issn.1674-4764.2013.S2.035

2013-09-30

劉海鑫，男，高級(jí)工程師，主要從事道路、橋梁、建筑、鐵道等設(shè)計(jì)研究，（E-mail）723223682＠qq.com。

book=139,ebook=28