鄔玉斌 宋瑞祥 何 蕾 吳雅南 劉必?zé)?/p>

(北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所， 100054， 北京∥第一作者， 研究員)

地鐵車輛段咽喉區(qū)具有軌縫多道岔多、曲率半徑小等特點(diǎn)，是車輛段振動(dòng)噪聲影響最為嚴(yán)重的區(qū)域，也是車輛段上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)工程振動(dòng)控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。部分學(xué)者對(duì)車輛段咽喉區(qū)地鐵列車通過(guò)產(chǎn)生的振動(dòng)源強(qiáng)及其正上方車輛段平臺(tái)和上蓋建筑的振動(dòng)響應(yīng)開(kāi)展了一些測(cè)試研究工作[1-4]，但關(guān)于咽喉區(qū)線路臨近地區(qū)建筑物的振動(dòng)影響研究還未見(jiàn)有報(bào)道。由于建筑基礎(chǔ)條件、振動(dòng)傳播路徑等方面存在差異，咽喉區(qū)上蓋建筑物的振動(dòng)響應(yīng)必然有別于臨近地區(qū)建筑物振動(dòng)響應(yīng)的特征。

另外，地鐵車輛段咽喉區(qū)多為地面線，列車運(yùn)行產(chǎn)生的振波在巖土中的傳播過(guò)程、頻率特征及對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理也不完全同于地鐵正線和其他地下線路[5-11]，因此有必要對(duì)車輛段咽喉區(qū)臨近地區(qū)建筑物的振動(dòng)響應(yīng)特征進(jìn)行研究，為車輛段物業(yè)開(kāi)發(fā)的振動(dòng)控制提供參考依據(jù)。

1 測(cè)試方案

1.1 測(cè)試對(duì)象

本文以某地鐵車輛段咽喉區(qū)臨近的新建建筑物為研究對(duì)象進(jìn)行測(cè)試分析。該建筑物與車輛段咽喉區(qū)線路的最小距離約為31 m，咽喉區(qū)線路的設(shè)計(jì)車速為25 km/h，列車采用6節(jié)編組B型車。該建筑物為地下2層、地上18層的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑基底埋深為9 m，采用筏板基礎(chǔ)，建筑物沿線路方向長(zhǎng)為105 m，如圖1所示。

圖1 地鐵咽喉區(qū)線路與測(cè)試建筑物的位置示意圖

1.2 測(cè)試方案

本次測(cè)試儀器包括：①INV3018C 8通道24位高精度采集儀，其最高采樣頻率為51.2 kHz，動(dòng)態(tài)范圍為0～110 dB；②Bruel&Kjaer8344型加速度傳感器；③DASP數(shù)據(jù)采集及分析軟件。

如圖2所示，建筑物的西側(cè)為減振墊碎石道床地面線，東側(cè)為地面線轉(zhuǎn)為地下線的U型槽整體道床過(guò)渡段。布設(shè)3個(gè)場(chǎng)地土測(cè)點(diǎn)，其中：測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2對(duì)應(yīng)減振墊碎石道床地面線；測(cè)點(diǎn)3對(duì)應(yīng)U型槽整體道床線路。此外，針對(duì)源強(qiáng)特點(diǎn)在建筑物的東、西兩端4個(gè)房間的中心點(diǎn)處布設(shè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，其中：房間1和房間3的幾何形狀相似；房間2和房間4的幾何形狀相似。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

本次研究共開(kāi)展了3次測(cè)試：第1次為建筑物修至12層時(shí)，對(duì)3個(gè)場(chǎng)地土測(cè)點(diǎn)及4個(gè)房間的1層樓板進(jìn)行同步測(cè)試；第2次為建筑物主體結(jié)構(gòu)完成、室內(nèi)未砌筑隔墻時(shí)，對(duì)不同樓層的房間1和房間2進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試；第3次為建筑物的1～8層砌筑隔墻完成、其余樓層尚未砌筑隔墻時(shí)，對(duì)房間1(1層、4層、12層、16層)和房間2(1層、4層、6層、12層、16層、18層)進(jìn)行有無(wú)隔墻的對(duì)比測(cè)試。

1.3 評(píng)價(jià)量

地鐵列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)以豎向振動(dòng)為主，因此本文僅對(duì)豎向加速度進(jìn)行測(cè)試分析，并以全頻段振動(dòng)加速度級(jí)作為評(píng)價(jià)量。振動(dòng)加速度級(jí)的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：

L——振動(dòng)加速度級(jí)，dB；

a——振動(dòng)加速度有效值，m/s2；

a0——基準(zhǔn)加速度，a0取10-6m/s2；

a(t)——加速度時(shí)程；

T——加速度持續(xù)時(shí)間，s。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 對(duì)場(chǎng)地土的振動(dòng)測(cè)試

振動(dòng)測(cè)試時(shí)停止了其他干擾振源，并進(jìn)行了背景環(huán)境振動(dòng)測(cè)試。如圖3所示，地面背景環(huán)境振動(dòng)實(shí)測(cè)加速度峰值僅約0.000 4 m/s2，說(shuō)明測(cè)試條件良好、外界振動(dòng)干擾非常小。

圖3 背景振動(dòng)加速度時(shí)程圖

對(duì)場(chǎng)地土的3個(gè)測(cè)點(diǎn)和建筑物第1層4個(gè)房間的樓板中心點(diǎn)進(jìn)行同步地鐵列車振動(dòng)測(cè)試。圖4為場(chǎng)地土測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)得到的典型地鐵列車振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。由圖4可知，由于列車運(yùn)行速度較慢，其振動(dòng)影響的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，約為32 s。

如圖5所示，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度頻譜特性存在較大差異：測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2靠近減振墊碎石道床地面線，其低頻振動(dòng)相對(duì)顯著，主要振動(dòng)頻率集中在10～20 Hz，最大振動(dòng)峰值約為12 Hz。由于測(cè)點(diǎn)1靠近道岔，其振動(dòng)影響大于測(cè)點(diǎn)2；測(cè)點(diǎn)3的高頻振動(dòng)成分更多，主要振動(dòng)頻率集中在50～70 Hz之間，最大振動(dòng)峰值約為63 Hz。

a) 測(cè)點(diǎn)1

b) 測(cè)點(diǎn)2

c) 測(cè)點(diǎn)3

圖5 場(chǎng)地土3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度頻譜

圖6為場(chǎng)地土3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)時(shí)程曲線，可以看出：測(cè)點(diǎn)3的振動(dòng)最大，測(cè)點(diǎn)1的振動(dòng)其次，測(cè)點(diǎn)2的振動(dòng)最小。這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的線路無(wú)軌道減振措施，而測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的線路采用了減振墊+碎石道床的減振措施。測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3的振動(dòng)加速度級(jí)峰值分別為82.0 dB、78.2 dB和84.3 dB。

2.2 對(duì)建筑物1層樓板的振動(dòng)測(cè)試

圖7為測(cè)試建筑物1層樓板的振動(dòng)加速度級(jí)時(shí)程曲線圖。如圖7 a)所示，位于建筑物西側(cè)的房間1和房間2的振動(dòng)響應(yīng)相差不大，其實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度級(jí)最大值分別為79.8 dB和78.7 dB。相比室外場(chǎng)地土測(cè)點(diǎn)1的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，房間1和房間2的振動(dòng)加速度級(jí)最大值分別衰減了2.2 dB和3.5 dB；如圖7 b)所示，位于建筑物東側(cè)的房間3和房間4的振動(dòng)差異明顯，房間4振動(dòng)明顯小于房間3，兩者的振動(dòng)加速度級(jí)最大值相差4.3 dB。相比室外場(chǎng)地土測(cè)點(diǎn)3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，房間3和房間4的振動(dòng)加速度級(jí)最大值分別衰減了6.3 dB和10.7 dB。

圖6 場(chǎng)地土3個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)時(shí)程曲線

a) 建筑物西側(cè)

b) 建筑物東側(cè)

由此可知，測(cè)試建筑物東側(cè)場(chǎng)地的土振動(dòng)實(shí)測(cè)值大于西側(cè)的土振動(dòng)實(shí)測(cè)值，但西側(cè)房間室內(nèi)的振動(dòng)大于東側(cè)房間室內(nèi)的振動(dòng)，這說(shuō)明低頻列車振動(dòng)荷載對(duì)西側(cè)室內(nèi)樓板的激勵(lì)作用更為顯著。

圖8為測(cè)試建筑物1層樓板的室內(nèi)振動(dòng)加速度頻譜圖。從圖8可以看出，4個(gè)房間在10～12 Hz均存在振動(dòng)波峰，這與圖5的場(chǎng)地土振動(dòng)波峰相接近。此外，房間1在38 Hz存在1個(gè)非常明顯的振動(dòng)波峰;房間2振動(dòng)頻率范圍較廣、存在多個(gè)頻率波峰，房間2樓板振動(dòng)主頻為22 Hz左右，這說(shuō)明即使在相同荷載作用下，不同房間的振動(dòng)響應(yīng)也可能存在較大差異。

圖8 測(cè)試建筑物1層樓板的實(shí)測(cè)加速度頻譜

本文對(duì)房間1和房間2的1樓樓板進(jìn)行了模態(tài)分析。這2個(gè)房間的樓板厚度均為0.11 m，房間1的尺寸為6.3 m(長(zhǎng))×8.2 m(寬)，房間2的尺寸為7.6 m(長(zhǎng))×4.7 m(寬)。樓板材料參數(shù)均按C25混凝土參數(shù)取值。由于樓板由剪力墻或斷面尺寸較大的梁構(gòu)件分割而成，樓板四周邊界采用全約束固定。如圖9所示，房間1和房間2的樓板第1階固有頻率分別為38 Hz和22 Hz，樓板振動(dòng)響應(yīng)的實(shí)測(cè)頻率峰值與樓板固有頻率的計(jì)算結(jié)果較為接近。

a) 房間1(38 Hz)

由于房間2的固有頻率相對(duì)較低，且同地鐵列車振源主頻接近，所以雖然房間2距離地鐵線路較遠(yuǎn)，但其振動(dòng)響應(yīng)與房間1相比并無(wú)較大衰減。建筑物東側(cè)的振源主頻較高，且大于房間3和房間4樓板的第1階自振頻率，地鐵列車激振源強(qiáng)主頻和樓板自振頻率無(wú)共振現(xiàn)象，因房間4與地鐵線路的距離較遠(yuǎn)，其振動(dòng)小于房間3的振動(dòng)。房間3和房間4的振動(dòng)頻率集中在50～80 Hz，這與東側(cè)地鐵列車振源頻譜特征相吻合。由此可知：建筑物樓板振動(dòng)響應(yīng)受到樓板自振特性及源強(qiáng)頻率特性的共同影響，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免地鐵列車振動(dòng)荷載與建筑樓板的共振作用。

2.3 振動(dòng)隨樓層的分布規(guī)律測(cè)試

為了解地鐵列車振動(dòng)影響隨樓層的分布規(guī)律，在主體結(jié)構(gòu)完成、尚未砌筑隔墻時(shí)，對(duì)不同樓層所對(duì)應(yīng)的房間1和房間2的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試。如圖10所示，樓板振動(dòng)隨樓層的遞增呈波動(dòng)性變化，在相同列車荷載作用下，2個(gè)房間的振動(dòng)變化規(guī)律有所不同：房間1的振動(dòng)最大值出現(xiàn)在第4層，房間2的振動(dòng)最大值出現(xiàn)在第12層；在1～10層房間1的振動(dòng)大于房間2的振動(dòng)，在11層及以上房間2的振動(dòng)大于房間1的振動(dòng)。

圖10 測(cè)試建筑物各樓層內(nèi)房間1和房間2的振動(dòng)加速度級(jí)

圖11給出了10 Hz、35 Hz、60 Hz、80 Hz 4個(gè)頻率下振動(dòng)加速度級(jí)隨樓層的變化情況。從圖11可以看出：①房間1在 10 Hz和35 Hz下的振動(dòng)較大，在35 Hz下振動(dòng)隨樓層升高而增大，在10 Hz下振動(dòng)隨樓層升高呈衰減趨勢(shì)；在60 Hz和80 Hz高頻下房間1的振動(dòng)相對(duì)較小，僅隨樓層小幅度波動(dòng)變化。②房間2的低頻振動(dòng)較為顯著，10 Hz下的振動(dòng)最大，且隨樓層升高線性增大;房間2在35 Hz下振動(dòng)隨樓層呈波動(dòng)性衰減，60 Hz和80 Hz高頻下的振動(dòng)隨樓層變化不大。

a) 房間1

b) 房間2

2.4 隔墻對(duì)樓板振動(dòng)的影響測(cè)試

建筑物室內(nèi)增設(shè)隔墻后會(huì)改變樓板的自振頻率特性，進(jìn)而影響室內(nèi)樓板的地鐵列車振動(dòng)響應(yīng)特征和分布規(guī)律。為此，對(duì)房間1和房間2在有隔墻振(1～8層)和無(wú)隔墻(9～18層)2種情況進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。

a) 無(wú)隔墻的樓層

實(shí)測(cè)結(jié)果表明：隔墻可降低樓板的振動(dòng)加速度級(jí)。對(duì)于有隔墻的1層和4層，房間1實(shí)測(cè)得到的振動(dòng)加速度級(jí)分別為69.8 dB和68.9 dB，2個(gè)樓層的振動(dòng)加速度級(jí)平均值為69.4 dB；對(duì)于無(wú)隔墻的12層和16層，房間1實(shí)測(cè)得到的振動(dòng)加速度級(jí)分別為74.3 dB和76.2 dB，2個(gè)樓層的振動(dòng)加速度級(jí)平均值為75.3 dB。由此可計(jì)算得到，增設(shè)隔墻后樓板振動(dòng)的平均減小量為5.9 dB。

房間2的測(cè)試結(jié)果如下：對(duì)于有隔墻的1層、4層和6層，房間2實(shí)測(cè)得到的振動(dòng)加速度級(jí)分別為70.7 dB、69 dB和69.3 dB，3個(gè)樓層的振動(dòng)加速度級(jí)平均值為69.7 dB；對(duì)于無(wú)隔墻的12層、16層和18層，房間2實(shí)測(cè)得到的振動(dòng)加速度級(jí)分別為82.6 dB、79.2 dB和78.7 dB，3個(gè)樓層的振動(dòng)加速度級(jí)平均值為80.2 dB。由此可計(jì)算得到，增設(shè)隔墻后樓板振動(dòng)的平均減小量為10.5 dB。

圖13為房間1、房間2的振動(dòng)加速度1/3倍頻程譜。如圖13所示，隔墻能夠改變樓板的振動(dòng)頻譜特征。砌筑隔墻后，房間1的樓板振動(dòng)峰值從砌筑隔墻前的31.5 Hz提高至50.0 Hz，房間2的樓板振動(dòng)峰值則由砌筑隔墻前20.0 Hz增加至25.0 Hz，這說(shuō)明隔墻增加后提高了樓板固有頻率，避開(kāi)了地鐵列車的振動(dòng)主頻，從而降低了地鐵列車振動(dòng)對(duì)模板的影響。

3 結(jié)論

1) 地鐵車輛段咽喉區(qū)的振源具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響強(qiáng)度大、頻譜特性復(fù)雜等特點(diǎn)。咽喉區(qū)減振墊碎石道床地面線路附近場(chǎng)地土的振動(dòng)頻率集中在10～20 Hz，最大振動(dòng)主頻約為12 Hz。咽喉區(qū)U型槽整體道床線路附近場(chǎng)地土的振動(dòng)頻率集中在50～70 Hz，最大振動(dòng)主頻約為63 Hz。

a) 房間1

b) 房間2

2) 樓板振動(dòng)響應(yīng)受振源頻率特征和樓板自振特性共同影響。當(dāng)?shù)罔F振源主頻同樓板固有頻率相同或接近時(shí)，由于共振作用建筑物樓板振動(dòng)響應(yīng)一般較為嚴(yán)重。地鐵振源主頻越低,對(duì)建筑物樓板的激振作用也更為明顯。

3) 建筑物室內(nèi)不同區(qū)域內(nèi)的振動(dòng)隨樓層的變化規(guī)律不完全相同。樓板振動(dòng)隨樓層呈波動(dòng)性變化，個(gè)別低頻振動(dòng)可能隨樓層升高而放大。

4) 砌筑隔墻能夠改變樓板的振動(dòng)特性，并對(duì)樓板振動(dòng)起到明顯的衰減作用。