劉堂輝 涂勤明 羅信偉 陳艷明 馮青松

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，510010，廣州；2.華東交通大學鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心，330013，南昌 ∥ 第一作者，高級設計師)

0 引言

為充分利用地鐵車輛段地面和地上空間，不少城市嘗試在地鐵車輛段上蓋進行物業(yè)開發(fā)。然而，地鐵車輛段上蓋物業(yè)的振動和噪聲問題不容忽視。地鐵檢修庫天車在運行過程中產(chǎn)生的振動通過牛腿—柱子—車輛段平臺傳至上蓋建筑，從而引起上蓋建筑的振動，進而誘發(fā)二次結構噪聲。若人長期暴露在嚴重的振動和低頻噪聲環(huán)境下，人體的心血管和神經(jīng)系統(tǒng)等生理功能可能會受到一定的損害。因此控制車輛段上蓋物業(yè)的振動和噪聲成為上蓋物業(yè)是否開發(fā)成功的關鍵。

隨著地鐵車輛段上蓋物業(yè)這類工程的不斷發(fā)展，不少學者開始關注這類結構的振動噪聲問題。文獻[1-3]通過現(xiàn)場實測分析了地鐵車輛段列車振動源強特性，并且建立了基于車輛段上蓋物業(yè)振動舒適度評價的精細化有限元模型。文獻[4]通過地震振動臺試驗，研究了沈陽某地鐵車輛段上蓋雙子樓結構的振動特性。文獻[5-8]對廣州和深圳的地鐵車輛段進行了現(xiàn)場實測，分析了車輛段內地鐵振動在車輛段地面及上蓋建筑物內的振動傳播規(guī)律，并采用經(jīng)驗公式計算了建筑物內輻射的結構噪聲。文獻[9]提出了預測地鐵車輛段上蓋建筑振動的阻抗模型，該模型計算效率較高，適用于車輛段建設初期的初步預測評估。文獻[10]提出了屏障減振措施，對比分析了屏障不同寬度、深度及填充材料的減振效果。文獻[11-12]對某高架車輛段上蓋七層住宅樓振動進行了實測和理論分析，理論模型采用二維車輛-軌道耦合模型和三維車輛段結構有限元模型，并采用動力剛度法預測了上蓋建筑結構的振動。文獻[13]通過現(xiàn)場實測和三維有限元模型分析了試車線和檢修線雙振源作用下車輛段上蓋建筑物的振動特性。文獻[14]通過現(xiàn)場實測分析了某下沉式雙層地鐵車輛段咽喉區(qū)的振動源強特性及振動在車輛段平臺的傳播規(guī)律。

上述研究更多關注地鐵列車運行引起的車輛段及上蓋建筑物的振動噪聲問題，對天車運行引起車輛段的振動問題研究還較少。地鐵車輛檢修過程中需要使用天車，天車在運行過程中產(chǎn)生的振動同樣不可忽視。與地鐵列車運行引起車輛段上蓋物業(yè)振動不同，天車運行產(chǎn)生的振動傳遞路徑為軌道—牛腿—柱子—車輛段平臺—上蓋建筑物，振動能量不經(jīng)過土體的衰減直接傳至上蓋建筑物?；诖耍疚慕Y合廣州某地鐵車輛段，通過采用現(xiàn)場試驗手段對天車運行引起的振動源強和上蓋建筑物振動進行研究，掌握天車的振動源強特性及其在車輛內的振動傳播特征及規(guī)律，以期為地鐵車輛段減振設計提供有益參考。

1 現(xiàn)場測試

1.1 工程概況

廣州某地鐵車輛段主要由運用庫、調機及工程車庫、聯(lián)合檢修庫、試車線構成，其中天車主要在聯(lián)合檢修庫。車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)包括住宅、商業(yè)、休閑娛樂、幼兒園、學校等。住宅共61棟，其中54#樓—61#樓位于聯(lián)合檢修庫上方。本文試驗斷面正上方為57#樓，該棟樓為疊墅，共3層，測試期間主體結構已完工。

1.2 測點布置及試驗工況

聯(lián)合檢修庫天車振動源強共布置2個斷面：斷面一為天車軌道無縫斷面，編號為L31-1；斷面二為天車軌道接縫斷面，編號為L31-2。兩個斷面間隔一個柱間距。分別在兩個斷面的牛腿處布置振動傳感器。此外，在聯(lián)合檢修庫上蓋57#樓內1層和3層樓板中央和柱腳布置振動測點。

本次試驗分為2種工況：工況1以最大載重量5 t運行，共運行10次；工況2以空載運行，共運行5次。2種工況下的天車運行速度約為4 km/h，天車現(xiàn)場運行如圖1所示。

圖1 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫天車運行現(xiàn)場

1.3 測試儀器

本次測試采集儀采用德國Head公司SQuadriga III測試系統(tǒng)，源強處振動傳感器采用PCB352振動加速度傳感器，上蓋建筑物內采用941B型振動加速度傳感器。源強處和上蓋建筑物內振動采樣頻率為500 Hz。

2 測試結果分析

2.1 振動源強分析

聯(lián)合檢修庫在各工況下源強處振動加速度響應如表1所示，兩斷面牛腿處振動時頻域分析如圖2～3所示?？梢钥闯?，各測次振動加速度級離散性較小，測試結果比較理想。當天車以最大載重量在聯(lián)合檢修庫內運行時，無縫處和鋼軌接縫處牛腿的振動加速度級均值分別為94.3 dB和97.6 dB。當天車空載在聯(lián)合檢修庫內運行時，無縫處和鋼軌接縫處牛腿的振動加速度級均值分別為96.2 dB和99.2 dB。接縫處振動加速度明顯較大

表1 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫源強振動加速度級 單位：dB

圖2 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫斷面L31-1牛腿不同工況下的振動時頻域響應圖

圖3 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫斷面L31-2牛腿不同工況下的振動時頻域響應圖

于無縫處，兩者相差有3～4 dB。建議車輛段內天車軌道使用無縫鋼軌，從而達到減小振動源強的目的。與天車以最大載重量工況運行相比，同一速度(4 km/h)下天車空載運行引起的振動源強響應比滿載工況還大，兩者相差1～2 dB。天車運行過程中，牛腿處振動頻率分布較為分散，其中卓越頻率分布在100～150 Hz頻段。

2.2 上蓋建筑物振動分析

車輛段上蓋建筑物室內振動評價量為Z振級(見表2)，評價標準參考GB/T 50355—2018《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》[15]。聯(lián)合檢修庫天車運行誘發(fā)建筑物振動響應如表3所示。可以看出，天車以滿載在聯(lián)合檢修庫內運行時，上蓋建筑物1層和3層樓板中央Z振級均值分別達到81.2 dB和84.9 dB，超過規(guī)范二級限值3～6 dB，這可能由于吊車振動直接通過牛腿—柱子—上蓋平臺傳至上蓋建筑物，振動能量不經(jīng)過土體的衰減直接傳至上蓋建筑物，而混凝土結構阻抗較小，從而造成吊車運行引起上蓋建筑物的振動響應較大。因此,在車輛段設計過程中,除了關注列車引起振動外，還需重點關注天車運行誘發(fā)上蓋物業(yè)的振動。由于柱腳處受到梁和柱的約束作用，因此柱腳處的振動小于樓板中央的振動，兩者相差10～15 dB左右。吊車運行引起上蓋建筑物振動從1層傳至3層時，柱腳和板中振動均有所放大。

表2 標準GB/T 50355—2018中規(guī)定的住宅建筑室內Z振級限值 單位：dB

表3 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫天車誘發(fā)上蓋物業(yè)57#樓Z振級 單位：dB

天車運行誘發(fā)上蓋建筑物樓板中央和柱腳的1/3倍頻如圖4～5所示。從圖中可以看出，建筑內1層板中振動峰值發(fā)生在31.5 Hz，3層板中振動峰值發(fā)生在25.0 Hz，這可能與樓板構造有關，3層樓板厚度小于1層樓板，導致3層樓板剛度小于1層樓板，使得3層樓板的振動峰值頻率小于一層樓板。天車以滿載和空載兩種工況運行時，板中和柱腳振動在6.0～12.5 Hz頻段有一定差異，在該頻率范圍，天車以滿載工況運行引起上蓋建筑的振動大于空載的工況，而在其它頻率范圍則相差不大。

圖4 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫天車誘發(fā)上蓋物業(yè)57#樓樓板中央測點1/3倍頻程圖

圖5 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫天車誘發(fā)上蓋物業(yè)57#樓柱腳測點1/3倍頻程圖

2.3 振動傳遞分析

天車運行引起振動在牛腿-上蓋建筑物傳遞1/3倍頻如圖6所示。從圖中可以看出：振動從上蓋建筑物內1層柱腳向3層柱腳傳遞過程中，在3 Hz以內和80 Hz以上頻率范圍會有一定衰減，而在30～60 Hz頻段則會有一定的放大，在5～20 Hz頻段基本沒有變化。在分析頻率范圍內，1層和3層柱腳振動相比振源牛腿處有明顯衰減；在50 Hz以上，頻率越高衰減越大；在200 Hz處衰減最大，達到30～40 dB。

圖6 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫天車運行振動傳遞1/3倍頻圖

3 結語

本文通過對天車運行引起地鐵車輛段上蓋建筑物振動進行了試驗研究，基于試驗結果分析了天車振動源強、上蓋建筑物振動特性和振動傳遞規(guī)律，得到如下結論：

1) 天車在車輛段運行時，接縫處牛腿振動加速度明顯較大于無縫處，兩者相差3～4 dB。建議車輛段內天車軌道使用無縫鋼軌，以達到減小振動源強的目的。

2) 天車振動能量通過阻抗較小的混凝土結構直接傳至上蓋建筑物，從而造成吊車運行引起上蓋建筑物的振動響應較大。因此，在車輛段設計過程中，除關注列車引起振動外，還應重點關注天車運行誘發(fā)上蓋物業(yè)的振動。

3) 天車以滿載和空載兩種工況運行時，上蓋建筑物內樓板中央和柱腳振動在6.0～12.5 Hz頻段有一定差異，在該頻率范圍，天車以滿載工況運行引起上蓋建筑的振動大于空載工況，而在其它頻率范圍則相差不大。

4) 天車引起的振動從上蓋建筑物1層柱腳向3層柱腳傳遞時，Z振級出現(xiàn)一定的增大。在小于3 Hz以內和大于80 Hz頻率范圍會有一定衰減，而在30～60 Hz頻段則會出現(xiàn)一定的放大，在5～20 Hz頻段基本沒有變化。