張錦東 盧家森 羅曉群 張其林

摘要：為分析城市有軌電車運(yùn)行引發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度，基于MATLAB設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度的計(jì)算程序，可結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)舒適度進(jìn)行分析。采用某有軌電車運(yùn)行中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析車輛段和行車段電車引發(fā)的振動(dòng)，研究有軌電車的振動(dòng)響應(yīng)特性。分析結(jié)果表明：有軌電車運(yùn)行引發(fā)的高頻振動(dòng)傳至上蓋結(jié)構(gòu)幾乎已完全消散;上蓋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率集中在16～20 Hz區(qū)間，以有軌電車的低頻振動(dòng)和結(jié)構(gòu)相關(guān)附屬機(jī)器的振動(dòng)為主。減小有軌電車的行駛速度、增加建筑物與振動(dòng)源的距離或控制樓內(nèi)附屬機(jī)器的振動(dòng)可明顯控制振動(dòng)。在加速過(guò)程中，電車與地面和軌道會(huì)產(chǎn)生共振，因此存在振動(dòng)加速度級(jí)的極大值。

關(guān)鍵詞：有軌電車;上蓋結(jié)構(gòu);振動(dòng)舒適度;振動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TU317

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1006-0871（2019）02-0042-05

0?引?言

隨著軌道交通的迅速發(fā)展，負(fù)責(zé)列車日常檢修與維護(hù)的車輛段也越來(lái)越多。目前，增加車輛段土地利用率的常見(jiàn)做法是在車輛段上蓋大平臺(tái)上進(jìn)行商業(yè)開(kāi)發(fā)，建設(shè)住宅以及商業(yè)區(qū)等。列車檢修維護(hù)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)沿下部結(jié)構(gòu)向上傳播，造成上部建筑結(jié)構(gòu)的二次振動(dòng)。此類振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性不會(huì)產(chǎn)生影響，但會(huì)影響建筑物內(nèi)居住者的舒適度，降低建筑的適用性能。

國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)地鐵車輛段的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行相關(guān)研究。曾澤民[1]對(duì)地鐵車輛段的振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，提出相應(yīng)的減振措施;王曉盼[2]對(duì)有軌電車軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳遞特性和行車動(dòng)力特性進(jìn)行分析，為軌道結(jié)構(gòu)的減振研究提供理論指導(dǎo);徐連萍等[3]對(duì)有軌電車的噪聲機(jī)理進(jìn)行研究，提出噪聲控制的關(guān)鍵技術(shù);羅錕等[4]提出實(shí)現(xiàn)輪軌耦合仿真的改進(jìn)方法，研究有軌電車誘發(fā)的大地振動(dòng)特性?；诘罔F或有軌電車振動(dòng)控制的一系列研究成果，學(xué)者們分別提出上蓋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模擬方法[5]、減振降噪方法[6]和其他相關(guān)設(shè)計(jì)方法[7-8]。本文根據(jù)珠海有軌電車車輛段和行車段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)相關(guān)程序，分析有軌電車運(yùn)行時(shí)上蓋和沿線建筑的振動(dòng)規(guī)律，分析結(jié)果對(duì)提高地鐵上蓋物業(yè)適用性和城市土地綜合利用效率具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1?振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和程序建立

1.1?參考標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，以鉛垂向Z振級(jí)作為振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，參考《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》（GB/T 10071—1988）[9]、《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50355—2018）[10]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）[11]，在1～80 Hz頻率范圍內(nèi)采用分頻限值，考慮人體對(duì)不同頻率振動(dòng)敏感性差異，采用1/3倍頻程譜進(jìn)行分析。

1.2?1/3倍頻程譜分析與鉛垂向Z振級(jí)計(jì)算

1/3倍頻程譜常用于聲學(xué)、人體振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)等測(cè)試分析中，由一系列頻率點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)附近頻帶內(nèi)信號(hào)的有效值構(gòu)成。各頻率點(diǎn)被稱為中心頻率fc，中心頻率附近的頻帶處于下限頻率fl和上限頻率fu之間。

在整個(gè)分析頻率內(nèi)按照不同的中心頻率對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，計(jì)算濾波后數(shù)據(jù)的有效值，得到每個(gè)中心頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)加速度有效值。

中心頻率的計(jì)權(quán)因子取值按《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50355—2018）相關(guān)規(guī)定，見(jiàn)表1。

根據(jù)表1中的中心頻率，由式（1）和（2）確定帶通濾波的上、下限頻率，得到各頻帶內(nèi)的振動(dòng)加速度有效值，再由式（3）和（4）計(jì)算得到鉛垂向Z振級(jí)。

1.3?振動(dòng)舒適度計(jì)算程序

采用MATLAB建立振動(dòng)舒適度計(jì)算程序，輸入現(xiàn)場(chǎng)采集的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)采樣規(guī)則，設(shè)置1/2采樣頻率的低通濾波器進(jìn)行低通濾波后，再進(jìn)行1/3倍頻程分析，計(jì)算鉛垂向Z振級(jí)。根據(jù)鉛垂向Z振級(jí)判斷振動(dòng)舒適度是否滿足要求，并保存計(jì)算結(jié)果，輸出圖片。振動(dòng)舒適度計(jì)算流程見(jiàn)圖1。本程序可用于現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，也可以與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度分析。

2?振動(dòng)舒適度分析

2.1?工程概況

應(yīng)用上述程序，對(duì)珠?，F(xiàn)代有軌電車1號(hào)線的車輛段和行車段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析有軌電車運(yùn)行對(duì)沿線和上蓋建筑振動(dòng)舒適度的影響。

在車輛段的上蓋建筑中設(shè)置34個(gè)測(cè)點(diǎn)，研究電車引發(fā)的振動(dòng)在豎直方向的傳播規(guī)律;在行車段軌道附近設(shè)置24個(gè)測(cè)點(diǎn)，研究電車引發(fā)的振動(dòng)在水平方向的傳播規(guī)律。在設(shè)定的測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，用前文的振動(dòng)舒適度計(jì)算程序計(jì)算電車行駛過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)處的鉛垂向Z振級(jí)。

現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備采用東方所3062T云智慧采集儀，采樣頻率為256 Hz;采用朗斯LC0132T型加速度傳感器，靈敏度為50 000 mV/g，量程為0.1g，頻率范圍0.05～500.00 Hz，分辨率為0.000 000 4g。車輛段上蓋結(jié)構(gòu)建筑分布見(jiàn)圖2，其中虛線處為上蓋結(jié)構(gòu)下部的車輛檢修和停車庫(kù)。行車段沿線測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3，車輛段上蓋結(jié)構(gòu)的測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)表2。

2.2?上蓋結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度分析

從電車進(jìn)入車輛段至車輛完全停止，大約需要6 min時(shí)間，因此每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集時(shí)長(zhǎng)為300 s，采集時(shí)間為電車開(kāi)始進(jìn)入車輛段園區(qū)內(nèi)到車輛完全停止。限于篇幅，僅列出綜合樓右4F第3層測(cè)點(diǎn)1的加速度時(shí)程曲線、1/3倍頻程譜的分析結(jié)果以及鉛垂向Z振級(jí)隨時(shí)間的變化關(guān)系，見(jiàn)圖4。各測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程譜分析結(jié)果相似，各測(cè)點(diǎn)在16～20 Hz的中心點(diǎn)處具有最大峰值，說(shuō)明測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)主要集中在16～20 Hz區(qū)間，電車引起的高頻振動(dòng)在上蓋結(jié)構(gòu)中幾乎完全消散，振動(dòng)能量集中的區(qū)域是車輛段內(nèi)的機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)引發(fā)的振動(dòng)以及電車運(yùn)行傳至上蓋結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)。由測(cè)點(diǎn)的鉛垂向Z振級(jí)隨時(shí)間的變化可知，電車運(yùn)行過(guò)程對(duì)上蓋結(jié)構(gòu)造成一定影響，測(cè)點(diǎn)處鉛垂向Z振級(jí)在電車運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)較明顯增加。

根據(jù)《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），軌道沿線建筑物按功能劃分為5類區(qū)域判斷建筑物室內(nèi)振動(dòng)是否達(dá)到或超過(guò)限值，見(jiàn)表3。

有軌電車運(yùn)行時(shí)段為6：00—22：00，有軌電車的車輛段測(cè)點(diǎn)均為辦公區(qū)域，因此采用鉛垂向Z振級(jí)為70 dB判斷其鉛垂向Z振級(jí)是否符合規(guī)范要求。

綜合樓右4F、左5F和車輛段上蓋結(jié)構(gòu)的34個(gè)測(cè)點(diǎn)因電車收發(fā)車或電車檢修引發(fā)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的鉛垂向Z振級(jí)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。參考《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），綜合樓的振級(jí)限值為70 dB。由圖5可知：綜合樓右4F、左5F和車輛段上蓋結(jié)構(gòu)的鉛垂向Z振級(jí)約為64 dB，未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，綜合樓和車輛段上蓋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)舒適度滿足要求。

2.3?電車運(yùn)行沿線振動(dòng)規(guī)律分析

不同運(yùn)行速度下軌道附近各測(cè)點(diǎn)的鉛垂向Z振級(jí)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6，1～5號(hào)測(cè)點(diǎn)分別為折線內(nèi)距離軌道5、10、15、20和30 m的測(cè)點(diǎn)，可以看出：絕大部分測(cè)點(diǎn)的鉛垂向Z振級(jí)已經(jīng)超出規(guī)范給出的交通干線兩側(cè)區(qū)域的限值75 dB。在一定范圍內(nèi)減小電車的行駛速度或增加建筑物與振動(dòng)源的距離可明顯減小振動(dòng)加速度級(jí)。在行車速度為5 km/h時(shí)，距離軌道的水平距離大于20 m即可保證其鉛垂向Z振級(jí)符合規(guī)范的要求;當(dāng)行車速度大于5 km/h時(shí)，若要滿足規(guī)范對(duì)振動(dòng)舒適度的要求，則建筑軌道水平距離須大于30 m。

車速和建筑物與振動(dòng)源距離對(duì)鉛垂向Z振級(jí)的影響見(jiàn)圖7。由此可知，沿線振動(dòng)加速度級(jí)并不隨車速的增長(zhǎng)而一直增長(zhǎng)。在車速為20 km/h時(shí)，除距離軌道水平距離為15 m的測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)均具有最大振動(dòng)加速度級(jí)，說(shuō)明在車速為20 km/h時(shí)，車輛的行駛可引發(fā)車輛與地面和軌道的共振。因此，車輛在駛出車輛段的加速區(qū)間內(nèi)，應(yīng)盡量避免長(zhǎng)時(shí)間在20 km/h左右的速度下行駛，以免引起較大的振動(dòng)，影響周圍建筑內(nèi)的振動(dòng)舒適度。

3?結(jié)?論

設(shè)計(jì)振動(dòng)舒適度分析程序，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)舒適度進(jìn)行判斷。應(yīng)用此程序分析珠海有軌電車1號(hào)線的車輛段綜合樓和有軌電車沿線建筑的振動(dòng)和噪聲，參考《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》（GB/T 10071—1988）、《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50355—2018）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）的相關(guān)規(guī)定，得出結(jié)論和建議如下。

（1）有軌電車的收發(fā)車和檢修振動(dòng)不影響上蓋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)舒適度，有軌電車運(yùn)行引發(fā)的高頻振動(dòng)傳至上蓋結(jié)構(gòu)幾乎已完全消散，上蓋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)以有軌電車傳至上部的低頻振動(dòng)以及結(jié)構(gòu)相關(guān)附屬機(jī)器的振動(dòng)為主，可通過(guò)控制樓內(nèi)附屬機(jī)器的振動(dòng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)舒適度進(jìn)行有效控制。

（2）減小有軌電車的行駛速度或者增加建筑物與振動(dòng)源的距離可明顯控制振動(dòng)加速度級(jí)。在不同的運(yùn)行速度下，有軌電車運(yùn)行引發(fā)的振動(dòng)在水平距離大于30 m時(shí)幾乎完全衰減。在車輛段區(qū)間內(nèi)，由于電車的行駛速度很慢，水平距離大于20 m即可保證其鉛垂向Z振級(jí)符合規(guī)范對(duì)上蓋結(jié)構(gòu)的鉛垂向Z振級(jí)的要求。

（3）車輛段的上蓋結(jié)構(gòu)與振動(dòng)源距離普遍大于20 m，若考慮振動(dòng)在豎向的衰減因素，上蓋結(jié)構(gòu)幾乎不會(huì)受有軌電車收發(fā)車和檢修振動(dòng)的影響。

（4）在車輛駛出車輛段后的加速過(guò)程中，振動(dòng)加速度級(jí)在某速度區(qū)間內(nèi)會(huì)因車輛與地面和軌道的共振而產(chǎn)生振動(dòng)加速度級(jí)的極大值。在本文工程中，車速為20 km/h時(shí)振動(dòng)加速度級(jí)達(dá)到最大，應(yīng)盡量避免車輛長(zhǎng)時(shí)間以20 km/h左右的速度行駛。

本文建立的振動(dòng)舒適度分析程序可用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，也可與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度分析，具有一定的工程實(shí)際意義。

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（編輯?武曉英）