何鑒辭,童湘雄,唐 劍,易 強(qiáng),王 平

(1.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 3.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,重慶 400023)

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，高速鐵路得到了迅猛發(fā)展，由于新建線路的增多，高速鐵路誘發(fā)的環(huán)境問題越來越突出，列車經(jīng)過高架路橋時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)會經(jīng)橋墩傳遞到地面，由此會對周邊建筑物產(chǎn)生不利影響，建筑物振動(dòng)產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)噪聲又會嚴(yán)重影響居民的生活質(zhì)量。因此，在工程實(shí)踐中，如何將振動(dòng)減小到環(huán)境影響允許范圍之內(nèi)就成了很重要的任務(wù)。研究軌道交通振動(dòng)對建筑物的影響及控制措施，首先需要確定能量的“產(chǎn)生”，即確定軌道交通的振源?，F(xiàn)場實(shí)測能得到實(shí)際線路典型段的振源激勵(lì)的振動(dòng)信號，對記錄的信號處理可直接得到其統(tǒng)計(jì)規(guī)律，對研究典型荷載的振源強(qiáng)度、頻譜成分和分布規(guī)律具有重要的指導(dǎo)意義。

其次，振動(dòng)波在不同介質(zhì)中傳遞衰減特性差別較大，對距離線路中心線不同距離測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測試，總結(jié)分析不同距離測點(diǎn)振動(dòng)優(yōu)勢頻率，并統(tǒng)計(jì)振動(dòng)波隨距離的衰減公式，可以為測試地區(qū)市域快線的減振設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持[1-6]。

以前，環(huán)境振動(dòng)測試多以普速鐵路和城市軌道交通為主，近十年來高速鐵路的振動(dòng)危害越來越被關(guān)注，已經(jīng)有不少學(xué)者做了初步探索。夏禾等人分析了振動(dòng)產(chǎn)生的原因，列車速度影響，振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度分布等特點(diǎn)，并對列車周圍地面及建筑物振動(dòng)影響做了試驗(yàn)研究[7]；賀玉龍等對350 km/h高速鐵路通過路堤、橋梁、路橋過渡段時(shí)產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)做了測試分析[8]；劉慶杰等從測試和數(shù)值分析兩方面出發(fā)，對高架軌道誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行了研究，分析在簡諧點(diǎn)荷載作用下，大地振動(dòng)的特性及其衰減規(guī)律[9]；馬利衡等對滬寧城際高速鐵路列車運(yùn)行引起的周圍環(huán)境振動(dòng)特性和振動(dòng)傳播規(guī)律，以及振動(dòng)對京滬鐵路地基沉降的影響進(jìn)行了研究[10]。

但是，國內(nèi)現(xiàn)有高鐵環(huán)境振動(dòng)測試大都在直線段進(jìn)行，且地質(zhì)條件多為偏北方地帶，因此對高速鐵路經(jīng)過曲線段和沿海地質(zhì)條件的環(huán)境振動(dòng)測試很有必要。依托廣深港高鐵測試項(xiàng)目，主要通過對運(yùn)行速度為300 km/h的高速列車通過高架橋的振動(dòng)加速度級進(jìn)行測試，分析了列車通過直線段和曲線段時(shí)各自的衰減規(guī)律及其頻譜特性[11]，以期為今后的高鐵建設(shè)提供寶貴的數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)概況

1.1 斷面選擇與測點(diǎn)布置

結(jié)合廣深高鐵的具體情況，選擇4個(gè)測試斷面，分別為高架線路直線段和曲線段的跨中斷面和橋墩斷面，其中曲線段曲線半徑為7 000 m，橋墩高度都在25 m左右，4個(gè)斷面地質(zhì)情況類似，地表均被淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土覆蓋，橋墩周圍有較厚回填土。

傳感器布置情況如下：對于高架段地面環(huán)境振動(dòng)，垂直于橋向方向共設(shè)有2個(gè)測試斷面，分別為橋墩斷面和跨中斷面，橋墩斷面測點(diǎn)的布設(shè)從墩腳開始為第一個(gè)點(diǎn)，依次設(shè)置6個(gè)測試點(diǎn)(Tp1～Tp6)，即距離右軌中心0、7.5、15、30、45、60 m處布設(shè)測點(diǎn)，跨中斷面的6個(gè)測試點(diǎn)平行對齊于橋墩斷面的6個(gè)測試點(diǎn)。每個(gè)測試點(diǎn)布置1個(gè)拾振儀，以捕捉垂向的振動(dòng)情況，共12個(gè)測點(diǎn)。測點(diǎn)布置見圖1。

圖1 高架橋墩斷面環(huán)境振動(dòng)測點(diǎn)布置示意(單位：m)

1.2 測試內(nèi)容

測試內(nèi)容主要為環(huán)境振動(dòng)振源及其振動(dòng)衰減特性，計(jì)劃在高速鐵路列車正常運(yùn)行情況下，在高架段進(jìn)行測試，分析不同線路的環(huán)境振動(dòng)加速度級。

1.3 測試儀器

數(shù)據(jù)采集儀采用的是拾振器和北京東方所DASP網(wǎng)絡(luò)式智能采集儀，其適用于振動(dòng)噪聲、車載試驗(yàn)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析；拾振器的有效分析頻率范圍為0～200 Hz，DASP采集儀的采樣頻率設(shè)置為1024。拾振器布置方式：挖土至20 cm深，在其中水平放置1塊鋼板，并用土壤將其壓實(shí)，最后將拾振器放置在上面。

2 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)處理方法

通過傅里葉積分變換對有著較好效果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)信號分析得到振動(dòng)加速度頻譜，然后通過1/3倍頻程譜分別對直、曲段橋墩和跨中斷面的鉛錘Z振級進(jìn)行頻域分析[12-13]。具體計(jì)算公式如下。

(1)振動(dòng)加速度級VAL

VAL=20lg(arms/a0)

(1)

式中VAL——振動(dòng)加速度級，dB；

arms——振動(dòng)加速度有效值，m/s2；

a0——基準(zhǔn)加速度，取1×10-6m/s2。

(2)Z振級VLz

按IS02631-1-1997規(guī)定的全身鉛垂方向振動(dòng)不同頻率計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動(dòng)加速度級，記為Z，單位dB。計(jì)算方法與式(1)完全相同，只不過公式中加速度取鉛垂方向的修正值。

(2)

(3)

其中T——振動(dòng)測量的平均時(shí)間，s；

aw——經(jīng)過頻率記權(quán)的加速度，m/s2。

3 測試結(jié)果分析

3.1 加速度分析

現(xiàn)場測試中，對通過各測試斷面20趟列車的加速度時(shí)程進(jìn)行記錄，平均速度為300 km/h。并選出10組效果較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了避免采集數(shù)據(jù)中其他振動(dòng)的干擾，數(shù)據(jù)處理前均采用了濾波處理。提取數(shù)據(jù)，得到各測點(diǎn)最大加速度值如表1和圖2所示。

表1 各測點(diǎn)最大加速度

圖2 最大加速度衰減對比

由表1和圖2可知，無論是跨中斷面還是橋墩斷面，曲線段振動(dòng)加速度值均大于直線段振動(dòng)加速度值；跨中與橋墩處都表現(xiàn)為，隨著線路中心距離的增加加速度逐漸減小，這種衰減現(xiàn)象在0～15 m范圍內(nèi)尤其明顯；當(dāng)距離大于15 m后加速度衰減的速度明顯降低，且隨著距離接近60 m，曲線段與直線段的加速度差值逐漸減小，這種現(xiàn)象在橋墩處更明顯。

圖3 總振級衰減對比曲線

在相同距離情況下，橋墩斷面振動(dòng)加速度值均大于跨中斷面振動(dòng)加速度值，且隨著距離的增加，兩者的加速度值逐漸趨于一致。

3.2 總振級分析

列車以300 km/h左右速度分別通過高架直線段和曲線段時(shí)環(huán)境振動(dòng)Z振級如表2和圖3所示。

表2 各測點(diǎn)總振級

由表2可知，直線段跨中斷面、橋墩斷面和曲線段跨中斷面、橋墩斷面，在30 m處的Z振級分別為68、68、69、72 dB，均低于80 dB限制，滿足《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB10070—88)[14]的規(guī)定。

直線地段橋墩斷面環(huán)境振動(dòng)高于橋梁跨中斷面3～7 dB；曲線地段橋墩斷面環(huán)境振動(dòng)高于橋梁跨中斷面2～10 dB，曲線段環(huán)境振動(dòng)高于直線段環(huán)境振動(dòng)1～6 dB，且在橋墩斷面更加明顯。對于直線段，橋墩和跨中振源環(huán)境振動(dòng)分別為84 dB和77 dB，曲線段橋墩和跨中振源環(huán)境振動(dòng)分別為90 dB和80 dB，曲線段跨中和橋墩斷面的Z振級比直線段大6 dB和3 dB。對比圖3(a)、圖3(b)的衰減特性可知，高速列車運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)隨著距線路中心距離的增加，環(huán)境振動(dòng)逐漸減小，且距離大于15 m后衰減速度降低。橋墩斷面環(huán)境振動(dòng)均大于跨中斷面環(huán)境振動(dòng)，曲線段環(huán)境振動(dòng)高于直線段環(huán)境振動(dòng)，但對于直線段橋墩斷面和曲線段跨中斷面，在0～25 m范圍內(nèi)，前者較高，在大于25 m范圍內(nèi)后者較高。

3.3 頻譜特性分析

分別繪制1～200 Hz范圍內(nèi)，直、曲段橋梁跨中斷面和橋墩斷面的1/3倍頻程譜圖，如圖4、圖5所示。

分析圖4、圖5可知，直線段和曲線段的環(huán)境振動(dòng)主要為200 Hz以下的低頻振動(dòng)，主頻集中在8～80 Hz范圍內(nèi)，且在5～12.5 Hz和20～80 Hz范圍內(nèi)存在2個(gè)明顯的峰值，這與已有文獻(xiàn)相吻合[15]。此外，頻譜圖曲線均呈現(xiàn)出，在5～20 Hz低頻率范圍內(nèi)密集，而在20～80 Hz較高頻率范圍內(nèi)較為疏散的現(xiàn)象，以直線段橋墩斷面為例進(jìn)行具體分析，在0 m處，頻率為8 Hz和60 Hz時(shí)的Z振級分別為68 dB和82 dB，當(dāng)距離為60 m時(shí)，Z振級分別為55 dB和43 dB，8 Hz處衰減了13 dB，而60 Hz處衰減了39 dB，這說明高頻部分的Z振級衰減速度大于低頻部分的Z振級衰減速度，可以推知低頻部分在土體中傳播的距離更遠(yuǎn)。

圖4 直線段1/3倍頻程譜

圖5 曲線段1/3倍頻程譜

由圖4、圖5可知，0～60 m范圍內(nèi)，直線段橋梁跨中斷面的主頻隨距離變化依次為31.5、10、10、10、10、10 Hz，主頻處的Z振級分別為72、71、69、66、55、51 dB，而橋墩斷面的主頻隨距離變化依次為63、40、25、8、8、20 Hz，主頻處的Z振級分別為82、76、67、64、66、60 dB；曲線段橋梁跨中斷面的主頻隨距離變化依次為63、25、16、8、8、8 Hz，主頻處的Z振級分別為75、66、65、64、67、66 dB，而橋墩斷面的主頻隨距離變化依次為31.5、25、10、10、10、6.3 Hz，主頻處的Z振級分別為89、81、74、64、65、65 dB。由以上數(shù)據(jù)可知，直線段和曲線段都表現(xiàn)為，隨著中心距離的增加，主頻頻率逐漸由高頻率變?yōu)榈皖l率；此外，在0～30 m的范圍內(nèi)，主頻振級隨中心距離增加而降低，然而在45 m處，直線橋墩斷面、曲線跨中和橋墩斷面的主頻振級有所增大，根據(jù)文獻(xiàn)[16]可知，這是由于底部基巖反射導(dǎo)致的振動(dòng)加劇所至。

4 結(jié)論

通過對廣深港高鐵線路中某區(qū)間的直線段和曲線段的橋梁跨中和橋墩斷面進(jìn)行測試，對這4種工況的Z振級和頻譜特性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論。

(1)當(dāng)距離線路中心線30 m時(shí)，該高鐵線路直線段和曲線段鉛錘Z振級均低于80 dB，符合《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

(2)速度為300 km/h的情況下，曲線段的振動(dòng)源強(qiáng)大于直線段的振動(dòng)源強(qiáng)，橋墩處大6 dB，跨中處大3 dB；隨著距離增加，直曲段的Z振級都逐漸降低，在0～15 m范圍內(nèi)降幅最為明顯，當(dāng)距離大于15 m時(shí)，衰減幅度放緩。

(3)當(dāng)距離在0～25 m時(shí)，直線段橋墩斷面相比曲線段跨中斷面Z振級更大，當(dāng)距離大于25 m時(shí)，結(jié)果相反；總的來看，曲線段環(huán)境振動(dòng)大于直線段環(huán)境振動(dòng)，橋墩處環(huán)境振動(dòng)大于跨中處環(huán)境振動(dòng)。

(4)高速列車通過直、曲段時(shí)引發(fā)環(huán)境振動(dòng)，源強(qiáng)處的主頻主要在31.5～63 Hz范圍內(nèi)，且在5～12.5 Hz和20～80 Hz范圍內(nèi)存在著兩個(gè)明顯的峰值。

(5)當(dāng)距離中線距離較近時(shí)，對環(huán)境振動(dòng)影響較大的主要為25～80 Hz范圍內(nèi)的高頻部分；當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，環(huán)境振動(dòng)的優(yōu)勢頻率在10 Hz左右。

(6)在45 m處，直線橋墩斷面、曲線跨中和橋墩斷面的主頻振級相比30 m處都有所增大，且主頻都為低頻，這是由于低頻振動(dòng)能量在土層中的傳播距離更遠(yuǎn)，再由下層基巖反射導(dǎo)致的振動(dòng)加強(qiáng)。

[1] 夏禾，曹艷梅.軌道交通引起的環(huán)境振動(dòng)問題[J].鐵道學(xué)報(bào)與工程學(xué)報(bào)，2004(1):1-8.

[2] 陳建國，于秀梅，魏顯峰.軌道交通振動(dòng)對環(huán)境影響的研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(1):82-85.

[3] 賀玉龍，向怡.鄭西高速鐵路渭南北高架車站環(huán)境振動(dòng)測試分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012(3):152-154.

[4] 高廣運(yùn)，李志毅，馮世進(jìn)，等.秦-沈鐵路列車運(yùn)行引起的地面振動(dòng)實(shí)測與分析[J].巖土力學(xué)，2007(9):1817-1822.

[5] 雷曉燕，劉慶杰，朱成九.高架軌道誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)預(yù)測與評價(jià)研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2008(6):108-113.

[6] 孫麒云，張鶴年.城市軌道交通引起的地面振動(dòng)實(shí)測與分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(7):98-101.

[7] 夏禾，張楠，曹艷梅.列車對周圍地面及建筑物振動(dòng)影響的試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2004(4):93-98.

[8] 賀玉龍，周青，董海山，等.350 km/h高速鐵路不同線路形式處環(huán)境振動(dòng)測試分析[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2013(4):56-58.

[9] 劉慶杰，雷曉燕，許士強(qiáng)，等.高架軌道系統(tǒng)誘發(fā)環(huán)境振動(dòng)的實(shí)測與數(shù)值分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2008(5):23-29.

[10] 馬利衡，梁青槐，谷愛軍，等.滬寧城際鐵路振動(dòng)對周圍環(huán)境及鄰近鐵路地基沉降的影響研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2015(2):98-105.

[11] 李小珍，劉全民，張迅，等.高架軌道交通附近自由地表振動(dòng)試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2014(16):56-61.

[12] 李成輝.振動(dòng)理論與分析基礎(chǔ)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2015：35-40.

[13] 王濟(jì)，胡曉.Matlab在振動(dòng)信號處理中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2006：134-135.

[14] 國家環(huán)境保護(hù)局.GB10070—88 城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988.

[15] 劉騰，雷曉燕，劉慶杰.高速鐵路沿線地面環(huán)境振動(dòng)特性的實(shí)測與分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(4):19-22.

[16] 陳建國，夏禾，姚錦寶.高架軌道交通列車對周圍環(huán)境振動(dòng)影響的試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2011(2):159-163.