謝偉平，楊友志，李偉

(1.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430000；2.金華市金義東軌道交通有限公司，浙江 金華321000)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市用地逐漸緊張，合理規(guī)劃資源是城市健康發(fā)展的必然要求。高架車站作為人流量相對(duì)集中的場(chǎng)所，具有較大的商業(yè)開發(fā)潛質(zhì)，可以有效緩解城市用地的壓力。然而，高架車站的軌行區(qū)直接穿過站房，受振動(dòng)和噪聲影響較為嚴(yán)重。針對(duì)高架車站的車致振動(dòng)和噪聲問題，國內(nèi)外學(xué)者通常采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究。冉汶民等[1?2]在頻域上進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究了高架車站的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律；李小珍等[3]現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了某高架車站的振動(dòng)傳播規(guī)律，研究結(jié)果表明：豎向振動(dòng)比水平向大，且振動(dòng)持時(shí)更長(zhǎng)。以上研究對(duì)象均為“橋建分離”型高架車站，由于“橋建分離”和“橋建合一”型高架車站的振動(dòng)傳遞路徑存在較大差異，前者軌道梁與站房結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，振動(dòng)傳遞路徑為軌道梁?橋墩?基礎(chǔ)?站房；后者軌道梁直接剛接在站房結(jié)構(gòu)框架梁上，振動(dòng)傳遞路徑為軌道梁?站房。因此，“橋建分離”型高架車站的研究成果不能直接應(yīng)用于“橋建合一”型高架車站?！皹蚪ê弦弧毙透呒苘囌痉矫?，王國波等[4?7]采用有限元分析方法對(duì)鐵路高架站的振動(dòng)衰減規(guī)律進(jìn)行了研究；楊娜等[8?9]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了鐵路高架車站的振動(dòng)和噪聲響應(yīng)，給出了不同區(qū)域振動(dòng)和噪聲的優(yōu)勢(shì)頻段和衰減規(guī)律。以上研究均為“橋建合一”型鐵路高架站，由于鐵路高架站和地鐵高架站的振源和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性存在一定差異，因此鐵路高架站的研究成果不完全適用于地鐵高架站?！皹蚪ê弦弧毙偷罔F高架車站方面，劉楓[10]采用能量統(tǒng)計(jì)法對(duì)站廳層噪聲進(jìn)行分析，并研究了材料阻尼比、彈性模量和密度等對(duì)噪聲的影響；李冬冬等[11?12]采用ansys對(duì)高架車站進(jìn)行瞬態(tài)分析，研究了車速和載客量等因素對(duì)站房?jī)?nèi)振動(dòng)的影響。以上均采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究，“橋建合一”型地鐵高架車站的振動(dòng)與結(jié)構(gòu)噪聲測(cè)試研究相對(duì)缺乏。為了研究“橋建合一”型地鐵高架車站的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲響應(yīng)規(guī)律，本文選擇某典型“橋建合一”型地鐵高架車站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并基于測(cè)試結(jié)果對(duì)不同功能區(qū)進(jìn)行了舒適度評(píng)價(jià)。

1 測(cè)試概況

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)選擇某典型“橋建合一”地鐵高架車站，如圖1～2所示。站房共有3層，分別為地面層、站廳層和站臺(tái)層，軌行區(qū)兩側(cè)為懸挑結(jié)構(gòu)。站房縱向全長(zhǎng)142.8 m，最大跨度12 m；橫向全長(zhǎng)23 m，最大跨度為8 m；地面層層高為8 m，站廳層層高為7.2 m。軌行區(qū)采用一般減振措施，主要由60 kg/m鋼軌、普通彈性扣件和長(zhǎng)軌枕整體道床組成。

圖1 高架車站剖面圖Fig.1 Elevated station profile

測(cè)試采用丹麥B&K 3050-B-060型土木工程振動(dòng)與噪聲測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)備參數(shù)見表1，傳感器和測(cè)試照片見圖3。

圖3 傳感器和測(cè)試照片F(xiàn)ig.3 Sensors and test photos

表1 設(shè)備參數(shù)Table 1 Parameter of apparatus

圖2 高架車站立面圖Fig.2 Elevation of the elevated station

站廳層設(shè)3個(gè)振動(dòng)傳感器，分別為柱底(1號(hào))、樓板中心(2號(hào))和懸挑端部(3號(hào))；休息室設(shè)1個(gè)振動(dòng)傳感器和2個(gè)噪聲傳感器，振動(dòng)傳感器布置在樓板中心處(4號(hào))，噪聲傳感器分別布置在樓板中心處(5號(hào))和距墻面垂直距離1 m處(6號(hào))，均垂直于樓板高1.2 m；站臺(tái)層設(shè)3個(gè)振動(dòng)傳感器，分別為近軌側(cè)柱頂(7號(hào))、樓板中心(8號(hào))和懸挑端部(9號(hào))；具體測(cè)點(diǎn)位置見圖1～2。振動(dòng)傳感器測(cè)量量為鉛垂向加速度，采樣頻率為500 Hz；噪聲傳感器分別測(cè)量樓頂板方向(5號(hào))和墻體方向(6號(hào))的聲壓數(shù)據(jù)，采樣頻率為14 200 Hz；測(cè)試工況為列車上行進(jìn)站、上行出站、下行進(jìn)站和下行出站，每組工況各測(cè)5趟車。

2 振動(dòng)分析

2.1 樓板自振頻率分析

為了得到站房?jī)?nèi)樓板的一階豎彎頻率，選擇典型樓板進(jìn)行自振頻率分析，其中站廳層典型樓板厚度為0.15 m，縱向跨度為10.4 m，橫向跨度為7 m，站臺(tái)層典型樓板厚度為0.15 m，縱向跨度為5.87 m，橫向跨度為5.1 m。根據(jù)樓板的振型特點(diǎn)，在樓板中心處施加沖擊荷載，分析得到站廳層樓板的一階豎彎頻率為28.91 Hz，站臺(tái)層樓板的一階豎彎頻率為31.25 Hz，頻譜圖如圖4。

圖4 樓板自由衰減頻譜圖Fig.4 Free attenuation spectrum diagram of floor slab

2.2 時(shí)程分析

為了得到列車到發(fā)站時(shí)站房?jī)?nèi)的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，分別實(shí)測(cè)了柱頂/底、樓板中心和懸挑端部的振動(dòng)。列車通過測(cè)試斷面的速度關(guān)系：上行進(jìn)站＞下行出站＞下行進(jìn)站＞上行出站；列車?？奎c(diǎn)與測(cè)試斷面的距離關(guān)系：上行進(jìn)站=下行出站＜上行出站=下行進(jìn)站。圖5(a)為列車到發(fā)站時(shí)站廳層樓板中心處的加速度時(shí)程圖；圖5(b)為列車上行進(jìn)站時(shí)站臺(tái)層的加速度時(shí)程圖；圖5(c)為列車上行進(jìn)站時(shí)站廳層的加速度時(shí)程圖；表2為列車上行進(jìn)站時(shí)站臺(tái)層和站廳層不同位置的加速度峰值平均值。分析可得以下結(jié)論:

圖5 時(shí)程圖Fig.5 Schedule chart

表2 加速度峰值Table 2 peak of acceleration m/s2

1)由圖5(a)可知，列車上行進(jìn)站時(shí)測(cè)試區(qū)振動(dòng)最大，故列車車速越快，振動(dòng)傳播距離越短，激起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)越大；

2)由圖5(b)和表2可知，列車上行進(jìn)站時(shí)站臺(tái)層加速度峰值大小關(guān)系為：樓板中心＞柱頂＞懸挑端部；由圖5(b)和表3可知，列車上行進(jìn)站時(shí)站廳層加速度峰值大小關(guān)系為：樓板中心>懸挑端部＞柱底。故列車到發(fā)站時(shí)，樓板中心處為振動(dòng)敏感區(qū)；

3)“橋建合一”地鐵高架車站受車致振動(dòng)影響更為嚴(yán)重，列車上行進(jìn)站時(shí)，站廳層的峰值加速度為0.127～0.350 m/s2，是“橋建分離”型高架車站實(shí)測(cè)峰值加速度0.055 m/s2的2～6倍[1]。

2.3 頻域分析

為了進(jìn)一步研究站房?jī)?nèi)的振動(dòng)衰減規(guī)律，分別對(duì)站臺(tái)層和站廳層進(jìn)行了頻譜分析，圖6(a)～6(c)為列車上行進(jìn)站時(shí)站臺(tái)層近軌側(cè)柱頂、樓板中心處和懸挑端部的加速度頻譜圖；圖6(d)～6(f)為列車上行進(jìn)站時(shí)站廳層柱底、樓板中心處和懸挑端部的加速度頻譜圖；圖7為列車到發(fā)站時(shí)站廳層樓板中心的1/3倍頻程加速度級(jí)；圖8為列車上行進(jìn)站時(shí)站臺(tái)層、站廳層和休息室樓板中心的1/3倍頻程加速度級(jí)。分析可得以下結(jié)論：

1)由圖6(a)～6(f)可知，樓板的振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻段為10～60 Hz，振動(dòng)經(jīng)柱頂/柱底傳遞到樓板中心時(shí)，10～60 Hz的振動(dòng)被放大，并在樓板一階豎彎頻率附近出現(xiàn)共振，60 Hz以上的振動(dòng)衰減較為明顯；

2)對(duì)比圖6(a)～6(c)和圖6(d)～6(f)可知，振動(dòng)經(jīng)柱頂/底傳遞到懸挑遠(yuǎn)端時(shí)，站廳層懸挑端的優(yōu)勢(shì)頻段為10～60 Hz，站臺(tái)層懸挑端的優(yōu)勢(shì)頻段為20～50 Hz。這一現(xiàn)象可能是站臺(tái)層懸挑端部受雨棚立柱約束作用的影響。

圖6 頻譜圖Fig.6 Power spectrum

3)由圖7可知，列車到發(fā)站時(shí)，站廳層樓板中心處的加速度級(jí)變化趨勢(shì)基本一致，大小關(guān)系為：上行進(jìn)站＞下行出站＞下行進(jìn)站＞上行出站；由圖8可知，列車上行進(jìn)站時(shí)，站臺(tái)層加速度級(jí)在1～200 Hz中心頻率上的加速度級(jí)均大于站廳層，最大差值為38.7 dB。

圖7 站廳層樓板加速度級(jí)Fig.7 Acceleration level of floor slab of station hall

圖8 列車上行進(jìn)站Fig.8 Train goes up to the station

2.4 振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)

目前，國內(nèi)對(duì)車致振動(dòng)的評(píng)價(jià)量主要采用國標(biāo)GB10070?88規(guī)定的最大Z振級(jí)，該標(biāo)準(zhǔn)主要適用于評(píng)價(jià)列車通過對(duì)周邊環(huán)境的振動(dòng)影響，未對(duì)地鐵高架車站這類建筑進(jìn)行振動(dòng)限值規(guī)定。因此，本文參考國外標(biāo)準(zhǔn)ISO 10137—2007[14]進(jìn)行振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)。

ISO 10137—2007規(guī)定了舒適度評(píng)價(jià)的2種方法：1)當(dāng)加速度峰值與計(jì)權(quán)均方根加速度比值小于6時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為計(jì)權(quán)均方根加速度，評(píng)價(jià)限值為振動(dòng)基本曲線與倍乘因子的乘積，計(jì)權(quán)系數(shù)采用Wd；2)當(dāng)其比值大于6時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為4次方振動(dòng)計(jì)量值。

城市軌道交通高架車站屬于人流量較大的公共建筑，服務(wù)對(duì)象主要為乘客和車站工作人員。前者主要活動(dòng)場(chǎng)所為站臺(tái)層，雖然人口基數(shù)大，但在車站的停留時(shí)間較短，對(duì)車站振動(dòng)的忍受閾值較高，故不對(duì)站臺(tái)層進(jìn)行舒適度評(píng)價(jià)；后者主要活動(dòng)場(chǎng)所為站廳層和休息室，需要長(zhǎng)期在車站辦公和休息，受車站振動(dòng)影響較大，故需要對(duì)站廳層和休息室進(jìn)行舒適度評(píng)價(jià)?？紤]到人在工作和休息時(shí)對(duì)振動(dòng)的敏感程度不同，本文根據(jù)不同區(qū)域的功能特點(diǎn)，參考ISO 10137—2007規(guī)定的基準(zhǔn)曲線(本文取0.005 m/s2)和不同場(chǎng)所倍乘因子的取值，給出了站房?jī)?nèi)不同區(qū)域的振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)限值，如表3。

表3 舒適度評(píng)價(jià)限值Table 3 Comfort evaluation limit m/s2

表4 為列車到發(fā)站時(shí)不同測(cè)點(diǎn)的計(jì)權(quán)均方根加速度，分析結(jié)果可知：列車上行進(jìn)站時(shí)，區(qū)域Ⅰ不符合舒適度標(biāo)準(zhǔn)。

表4 振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)Table 4 Evaluation of vibration comfort m/s2

為了進(jìn)一步研究列車到發(fā)站時(shí)站房的振動(dòng)舒適度水平，給出了計(jì)權(quán)時(shí)間為1 s的計(jì)權(quán)加速度均方根時(shí)程曲線。由圖9可知，列車上行進(jìn)站時(shí)，區(qū)域Ⅰ～Ⅱ均會(huì)出現(xiàn)舒適度超標(biāo)時(shí)段，其中區(qū)域Ⅰ超標(biāo)持時(shí)達(dá)6.277 s，占列車通過時(shí)間的42%；區(qū)域Ⅱ超標(biāo)持時(shí)達(dá)5.426 s，占列車通過時(shí)間的36%。

圖9 計(jì)權(quán)均方根加速度Fig.9 Acceleration at the root of mean square

3 結(jié)構(gòu)噪聲分析

3.1 時(shí)域分析

為了得到列車到發(fā)站時(shí)休息室內(nèi)(區(qū)域Ⅱ)的結(jié)構(gòu)噪聲規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了門窗緊閉狀態(tài)下休息室內(nèi)的聲壓數(shù)據(jù)。圖10為不同到發(fā)站工況下5號(hào)測(cè)點(diǎn)的聲壓時(shí)程曲線；圖11為不同到發(fā)站工況下6號(hào)測(cè)點(diǎn)的聲壓時(shí)程曲線。由圖10～11可知，與樓板振動(dòng)規(guī)律相同，不同到發(fā)站工況下站房?jī)?nèi)結(jié)構(gòu)噪聲的大小關(guān)系為：上行進(jìn)站＞下行出站＞下行進(jìn)站＞上行出站。

圖10 休息室聲壓Fig.10 Sound pressure in the lounge

圖11 休息室聲壓頻譜Fig.11 Spectrum of sound pressure in the lounge

3.2 頻譜分析

為了進(jìn)一步分析列車到發(fā)站時(shí)休息室的結(jié)構(gòu)噪聲規(guī)律，對(duì)聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻譜分析，圖11為列車上行進(jìn)站時(shí)5號(hào)測(cè)點(diǎn)和6號(hào)測(cè)點(diǎn)的聲壓頻譜圖，圖12為列車到發(fā)站時(shí)5號(hào)和6號(hào)測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)分頻聲壓級(jí)曲線。由圖11可知，與站廳層樓板振動(dòng)頻譜圖類似，休息室內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲的優(yōu)勢(shì)頻段為10～60 Hz，分析可知：門窗緊閉條件下，室內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲與結(jié)構(gòu)振動(dòng)的相關(guān)性較大。由圖12可知，不同到發(fā)站工況下，休息室內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲大小為：上行進(jìn)站＞下行出站＞下行進(jìn)站＞上行出站。

圖12 A計(jì)權(quán)分頻聲壓級(jí)Fig.12 Lounge A on frequency division sound pressure level

3.3 結(jié)構(gòu)噪聲評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)休息室內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)員工休息的影響程度，采用城市軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJT 170—2009[15]規(guī)定的等效連續(xù)A聲級(jí)作為結(jié)構(gòu)噪聲的評(píng)價(jià)量，選擇標(biāo)準(zhǔn)中定義的2類區(qū)域(居住、商業(yè)混合區(qū))作為評(píng)價(jià)依據(jù)。由表5可知，列車上行進(jìn)站、下行進(jìn)站和下行出站時(shí)站廳層休息室的結(jié)構(gòu)噪聲均不滿足規(guī)范要求的限值，超標(biāo)量最高為21.02 dB。

表5 結(jié)構(gòu)噪聲評(píng)價(jià)Table 5 Structural noise evaluation dB(A)

4 結(jié)論

1)地鐵“橋建合一”高架車站受車致振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲影響比“橋建分離”高架車站嚴(yán)重，前者站廳層峰值加速度是后者的2～6倍。

2)樓板的振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻段為10～60 Hz，相比于柱頂/底，樓板10～60 Hz的振動(dòng)被放大，并在樓板一階豎彎頻率附近出現(xiàn)共振；受雨棚立柱的約束作用，站臺(tái)層懸挑端部的振動(dòng)放大程度弱于站廳層。

3)對(duì)站廳層不同功能區(qū)進(jìn)行振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)時(shí)，站廳層(區(qū)域Ⅰ)不滿足舒適度要求，同時(shí)各功能區(qū)均出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)時(shí)段，站廳層(區(qū)域Ⅰ)超標(biāo)時(shí)段占列車通過時(shí)段的42%，休息室(區(qū)域Ⅱ)占36%。

4)相比于振動(dòng)影響，地鐵“橋建合一”高架車站的結(jié)構(gòu)噪聲超標(biāo)更為嚴(yán)重，最高可達(dá)21.02 dB；頻譜分析可知，休息室內(nèi)的聲壓頻譜圖與站房?jī)?nèi)樓板加速度頻譜圖趨勢(shì)一致，優(yōu)勢(shì)頻段均為10～60 Hz，因此可通過局部樓板減振來達(dá)到降噪效果。