陳以庭，馮讀貝，陸林興，王 煒，楊吉忠，金旭煒

（1．中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031；2．中國民用航空中南地區(qū)空中交通管理局廣西分局，南寧 530049；3．廣西機場管理集團有限責(zé)任公司，南寧 530033）

《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》[1]提出推進集民航、高鐵、地鐵及汽車等多種運輸方式于一體的大型綜合交通運輸樞紐的建設(shè)，其中，“零換乘”對大型綜合交通樞紐的設(shè)計提出了技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是空鐵聯(lián)運模式下高速鐵路和快速地鐵下穿航站樓、塔臺、跑道、信標(biāo)臺等機場建（構(gòu)）筑物時引起的車致振動問題，引起設(shè)計人員高度重視。

列車運行產(chǎn)生的振動主要以低頻振動為主，振動經(jīng)由大地傳播至地上結(jié)構(gòu)，持續(xù)的低頻振動會造成人身體及心理上的不適。早在1900 年，倫敦地鐵中央線運行產(chǎn)生的振動已被投訴擾民[2]；張向東等[3]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振級達到65.0 dB 時，環(huán)境振動會影響人的睡眠，人長期處于振動環(huán)境會對人體生理產(chǎn)生不容忽視的危險；劉衛(wèi)豐等[4-5]對北京地鐵進行現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，列車運行引起的振動會導(dǎo)致建筑物內(nèi)精密儀器精度下降，甚至?xí)p壞精密儀器。因此，在大型綜合交通樞紐建設(shè)中必須要考慮車致振動的影響。

機場塔臺屬于航空運輸管制設(shè)施，根據(jù)《民用航空空中交通管理規(guī)則》[6]要求，塔臺管制員連續(xù)執(zhí)勤時間不得超過6 h，從事雷達管制的管制員連續(xù)執(zhí)勤時間不得超過2 h。然而，當(dāng)高速列車近距離經(jīng)過塔臺時，輪軌動載荷會引起塔臺工作層面的振動，同時還會引發(fā)結(jié)構(gòu)二次噪聲，直接影響塔臺工作人員的工作狀態(tài)。因此，有必要對列車近距離穿越塔臺時產(chǎn)生的車致振動影響開展研究，且目前尚無針對航空管制塔臺區(qū)域車致振動及二次結(jié)構(gòu)噪聲限值的相關(guān)規(guī)定和研究，國內(nèi)外尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可供借鑒。

依據(jù)《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限制及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]（JGJ/T 170—2009）（簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》），以國內(nèi)某在建機場綜合交通樞紐項目為研究對象，對250 km/h 高速鐵路和120 km/h 快速地鐵近距離穿越塔臺時引起的振動進行分析，并對塔臺功能層的振動響應(yīng)進行評價，研究成果可為高速鐵路和快速地鐵引入機場樞紐相關(guān)設(shè)計提供參考和依據(jù)。

1 項目概況

某新建機場為集航空、高速鐵路、快速地鐵和公路于一體的綜合交通樞紐，高鐵和地鐵線路臨近機場塔臺，高鐵和地鐵線路距塔臺中心最近距離分別為48 m和85 m，高鐵與地鐵隧道覆土厚度均約9 m，線路與塔臺相對位置關(guān)系如圖1 所示。高速鐵路機場站為兩臺夾四線雙島式車站，其中含兩條正線，高鐵線路存在正線穿越塔臺的情況，運行時速為250 km/h；地鐵機場站距離塔臺580 m，地鐵穿越塔臺區(qū)域存在高速通過現(xiàn)象，最高運行時速為120 km/h。

圖1 線路與塔臺相對位置關(guān)系Fig.1 Relationship of position between lines and tower

2 分析模型

2.1 塔臺模型

塔臺地上高度約89 m，主體為鋼筋混凝土核心筒體結(jié)構(gòu)，筒體直徑為14 m，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，底部伸入到中等風(fēng)化灰?guī)r層中，承臺坐落于硬塑狀粉質(zhì)黏土層中。塔臺核心筒體結(jié)構(gòu)厚度為500 mm、內(nèi)部隔墻厚度為200 mm、樓板厚度為120 mm，均采用殼單元模擬，靠近頂部為7個主要的功能層，外部環(huán)形功能區(qū)為框架結(jié)構(gòu)，其中框架梁尺寸分別為600 mm×800 mm、400mm×500mm、400mm×800mm 及300 mm×600 mm，均采用梁單元模擬，底部的承臺為正六邊形棱柱體，邊長9.2 m，高2.0 m，采用實體單元模擬，承臺下部樁基礎(chǔ)直徑為1.5 m，長為17.5 m，采用梁單元模擬，塔臺模型[2]如圖2 所示。

圖2 塔臺模型Fig.2 Model of tower

對塔臺進行模態(tài)分析，得到塔臺部分振型如圖3所示，前20 階自振頻率如表1 所示，塔臺前5 階振型均為水平方向，從第6 階振型開始豎直方向占主導(dǎo)作用。從圖3（a）可知，塔臺第1 階振型為沿著水平方向的整體側(cè)移；從圖3（b）可知，塔臺第3 階振型為繞著豎向的轉(zhuǎn)動；從圖3（c）和表1 可知，塔臺第14 階振型自振頻率為7.85 Hz，塔臺頂部管制指揮層和設(shè)備夾層的振動顯著，整體變形呈現(xiàn)蝴蝶狀；從圖3（d）和表1可知，塔臺第20 階振型自振頻率為11.39 Hz，氣象觀察層振動顯著，整體變形呈波浪狀。

表1 塔臺前20 階自振頻率Tab.1 Natural vibration frequency of the first 20 modes of the tower

圖3 塔臺振型Fig.3 Mode of tower vibration

2.2 隧道-大地-塔臺三維模型

大地尺寸沿隧道方向取120 m，垂直于隧道方向取160 m，豎向取55 m。隧道包括新建高鐵和地鐵隧道，高鐵隧道為單洞，在臨近塔臺區(qū)段由四線變?yōu)殡p線；地鐵隧道為單洞雙線，上行線和下行線之間由柱分隔，隧道-大地-塔臺三維模型如圖4 所示。巖土體共包含5 層，土體的計算參數(shù)如表2 所示。

圖4 隧道-大地-塔臺相互作用分析模型Fig.4 Analysis model of tunnel-ground-tower interaction

表2 土層計算參數(shù)Tab.2 Soil layer calculation parameters

在動力分析過程中，波動的頻率成分與土體的波速特性會影響波傳播的精度，網(wǎng)格尺寸受輸入波的最短波長限制，Lysmer 等[8]的研究表明，網(wǎng)格尺寸必須小于輸入波形最短波長的1/8～1/10。根據(jù)上述原則，最終土體的網(wǎng)格尺寸控制在0.3～2 m，遠離隧道與塔臺的網(wǎng)格適當(dāng)放大，既可滿足計算需求又可提高計算效率。動力分析過程中，需要設(shè)置阻尼參數(shù)來模擬振動的傳遞衰減，本研究采用Rayleigh 阻尼來計算，阻尼比取值0.05；分析過程中模型邊界會發(fā)生波的反射，對動力結(jié)果會產(chǎn)生影響，為消除邊界反射波的影響，模型的外圍四周需添加三維粘彈性人工邊界，人工邊界等效為連續(xù)分布的并聯(lián)彈簧-阻尼器系統(tǒng)[9]。

2.3 列車-軌道模型

為模擬列車在實際線路上的運行情況，基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論[10]，分別建立高鐵、地鐵列車空間動力學(xué)模型。其中，輪軌接觸模型采用Hertz 非線性彈性接觸理論[11]確定輪軌法向力，按照Kalker 線性理論[12]計算輪軌蠕滑力，然后采用沈式理論[5，13]進行非線性修正，長波不平順采用《高速鐵路無砟軌道不平順譜》[14]（TB/T 3352—2014），短波不平順采用中國鐵道科學(xué)研究院建議的功率譜密度函數(shù)變換而得，其波長范圍為0.01～1.00 m。在列車-軌道相互作用分布式仿真平臺[15]上實現(xiàn)車輛運行行為的模擬。通過塔臺的高鐵列車為CRH2 型，高鐵軌道形式為CRTS I 型雙塊式無砟軌道，地鐵列車為6B 型車，地鐵軌道形式為整體道床。高鐵和地鐵典型輪軌動荷載時程如圖5 所示。

圖5 輪軌動荷載時程Fig.5 Time history of wheel rail load

3 振動的傳播

基于構(gòu)建的三維模型，以高鐵列車運行為目標(biāo)，研究車致振動在綜合交通樞紐場地地表和塔臺筒體表面的傳播規(guī)律。地表從高鐵隧道邊界開始，每10 m布設(shè)1 個測點，共布設(shè)9 個測點，距離為80 m。塔臺筒體上從近地面開始，每上升10 m 布設(shè)1 個測點，共布設(shè)9 個測點，高度為80 m，地表及塔臺筒體測點的布置如圖6 所示。

圖6 地表及塔臺筒體測點布置Fig.6 Layout of measuring points on ground and tower shell

3.1 振動沿地表的傳播

高鐵列車以250 km/h 速度穿越機場塔臺時，地表測點的峰值振動加速度如圖7 所示，地表測點的豎向振動加速度頻譜如圖8 所示。

圖7 地表測點豎向峰值振動加速度Fig.7 Vertical peak vibration acceleration at the measurement points of ground surface

圖8 地表測點的豎向振動加速度頻譜Fig.8 Vertical vibration acceleration spectrum at the measurement points of ground surface

由圖7 可知，地表峰值振動加速度前30 m（測點1～4）的范圍內(nèi)衰減較快，距離隧道邊界30 m 處衰減程度達到36%；30～50 m（測點4～6）范圍內(nèi)，振動衰減逐漸趨于平緩；50～80 m（測點6～8）范圍內(nèi)，振動衰減進入平臺段，峰值基本保持在0.012 m/s2左右。測點3加速度相比于測點2 和4 的加速度有明顯增加，說明列車運行引起的振動在地表上并不隨距離的增加而單調(diào)衰減，而是存在一個振動反彈區(qū)，場地中振動放大區(qū)域大約在距高鐵隧道邊界的20 m 處。

由圖8 可知，地面車致振動主頻集中在20～40 Hz；整個4～60 Hz 范圍內(nèi)的振動加速度幅值隨著距振源距離的增加而衰減。31.5 Hz 主頻處的振動加速度幅值衰減速度最快。

3.2 振動沿塔臺筒體的傳播

高鐵列車穿越機場塔臺時，塔臺筒體測點的豎向峰值振動加速度如圖9 所示。由圖9 可知，塔臺筒體的豎向峰值振動加速度在近地面處（T1）最大，達到0.020 m/s2，T2～T6 范圍內(nèi)豎向峰值振動加速度衰減趨于平緩，T6 和T8 位置豎向峰值振動加速度有明顯放大現(xiàn)象，從T1～T9 豎向峰值振動加速度的衰減達到75%。

圖9 塔臺筒體測點豎向峰值振動加速度Fig.9 Vertical peak vibration acceleration at the measuring points of tower shell

4 塔臺車致振動響應(yīng)

4.1 分析工況

高鐵存在高速和減速穿越塔臺的情況，地鐵通過塔臺運行仍處于高速，本研究僅對高速通過的最不利荷載工況進行分析，分析工況如下：高鐵列車運行（工況1 為250 km/h）、地鐵列車運行（工況2 為120 km/h）、高鐵和地鐵列車同時高速運行（工況3 為高鐵250km/h，地鐵120 km/h）。

4.2 塔臺測點布置

塔臺電梯間與功能區(qū)的劃分如圖10 所示，塔臺測點編號如表3 所示，測點均布置在樓板中間。

表3 塔臺測點編號Tab.3 Number of measuring point of tower

圖10 塔臺電梯間與功能區(qū)的劃分Fig.10 Division of tower elevator and functional area

4.3 振動加速度

在功能區(qū)（QX-1 和XS-1）和電梯間（GZ-2 和XZ-2）各取2 個測點，以研究振動加速度在塔臺的傳播規(guī)律。3 種不同工況下測點的振動加速度時程和頻譜如圖11 所示。

由圖11（a）和圖11（c）可知，工況1 的振動加速度幅值在整個時域內(nèi)遠大于工況2，工況3 的振動加速度幅值相比工況2 略有增加，說明高鐵列車引起的塔臺車致振動響應(yīng)遠大于地鐵列車運行時引起的塔臺車致振動響應(yīng)，當(dāng)兩種列車同時穿越塔臺時振動會產(chǎn)生一定的疊加效應(yīng)；由圖11（e）和圖11（g）可知，工況1 和工況3 的加速度幅值趨于一致，說明兩種列車同時穿越時對塔臺功能區(qū)的振動疊加效應(yīng)遠不及塔臺電梯間顯著。

由圖11（b）和圖11（d）可知，GZ-2 和XZ-2 測點的振動加速度頻譜主要集中在40～60 Hz，說明塔臺電梯間振動頻率分布相對集中，兩測點的振動主頻均為46.4 Hz，GZ-2 測點在46.4 Hz 之后有兩個明顯峰值，XZ-2 測點則呈現(xiàn)多個峰值，但兩測點在頻率小于46.4 Hz 時振動頻率分布基本一致，隨著塔臺高度增加50～60 Hz 頻率振動衰減較快，30～46.4 Hz 頻率振動衰減緩慢。

圖11 塔臺測點3 種不同工況下振動加速度時程和頻譜Fig.11 Time history and spectrum of vibration acceleration at tower measuring points under 3 different conditions

由圖11（f）和圖11（h）可知，QX-1 和XS-1 測點的振動加速度頻譜主要集中在30～70 Hz，QX-1 測點呈現(xiàn)多個較為明顯的峰值，分別分布在10～20 Hz、30～50 Hz 和60～70 Hz，振動主頻集中在40.8 Hz 附近；XS-1測點呈現(xiàn)兩個較為明顯的峰值，分別分布在40～50 Hz和60～70 Hz，振動主頻集中在46.4 Hz 附近，其中62.6 Hz附近的振動較為顯著。這說明塔臺功能區(qū)車致振動影響頻率豐富，且隨著塔臺高度的增加，60～70 Hz 頻率振動逐漸衰減，但10.0～20.4 Hz 頻率振動有所放大。

4.4 振動評價標(biāo)準(zhǔn)

針對塔臺工作人員的工作性質(zhì)以及舒適性的要求，依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》0 類區(qū)域夜間標(biāo)準(zhǔn)（62 dB）對塔臺的車致振動響應(yīng)進行評價。

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》要求的評價方法，需對建筑物內(nèi)地面測點的分頻最大振動加速度級（簡稱分頻最大振級）進行評價，振動關(guān)注的頻段為4～200 Hz。

采用不同頻率垂向振動計權(quán)因子修正后的振動加速度級即為計權(quán)振動加速度級，其計算方法如下

式中：eVAL為計權(quán)振動加速度級；a0為基準(zhǔn)加速度，取值為10-6m/s2；arms為頻率計權(quán)振動加速度，計權(quán)振動加速度的計算公式為

式中：T 為振動過程的平均時間；ar（t）為隨時間變化的頻率計權(quán)振動加速度。

4.5 1/3 倍頻程振動加速度級

3 種不同工況下的1/3 倍頻程振動加速度級[13]如圖12 所示，其中測點選取與4.3 節(jié)相同。

圖12 塔臺測點3 種不同工況下1/3 倍頻程振動加速度級Fig.12 1/3 octave vibration acceleration level of tower at measuring points under 3 different conditions

由圖12（a）和圖12（b）可知，在3 種工況下，GZ-2和XZ-2 測點的振動加速度級在4～200 Hz 頻率范圍內(nèi)振級變化趨勢基本一致，分頻最大振級均出現(xiàn)在50 Hz 左右，GZ-2 測點工況3 的分頻最大振級達到79.5 dB，比工況1 增大約4 dB，比工況2 增大約26 dB，兩測點在30～63 Hz 頻率振級明顯增大，大于80 Hz 頻率振動快速衰減。

由圖12（c）和圖12（d）可知，QX-1 和XS-1 測點的振動加速度級在4～30 Hz 頻率范圍內(nèi)，工況1 和工況3 相近，在30～200 Hz 范圍內(nèi)，工況3 的振動加速度級大于工況1，尤其在63 Hz 處，幅值相差最大，說明高鐵和地鐵同時運行通過塔臺時，對塔臺功能區(qū)的振動疊加作用主要在30～200 Hz 頻率；兩測點在3 種不同工況條件下，6.3 Hz 和12.5 Hz 處附近振級均出現(xiàn)峰值，這主要與塔臺固有頻率接近，由于共振導(dǎo)致低頻段振動放大，兩測點在63 Hz 附近，工況2 和工況1、3的振級最為接近，但是均小于60 dB。綜合以上分析，車致振動對塔臺功能區(qū)的影響相比電梯間更小。

4.6 振動評價

塔臺功能區(qū)和電梯間3 種不同工況下振動加速度級如表4 和表5 所示。

由表4 和表5 可知，工況1 下，塔臺功能區(qū)GZ-1和SJ-1 振動超標(biāo)，分別超出夜間限值4.8 dB 和4.6 dB，塔臺電梯間振動均超標(biāo)，整體超標(biāo)率達到7.4%～21.9%；工況2 下，塔臺振動均未超標(biāo)。工況3 下，除GZ-1 和SJ-1 外，塔臺功能區(qū)振動超標(biāo)區(qū)域有所增加，XZ-1、S-1 和XX-1 層3 個功能區(qū)振動亦超標(biāo)，塔臺功能區(qū)振級相比工況1 增加約0.4～3.6 dB；塔臺電梯間振動均超標(biāo)，電梯間振級相比工況1 增加約3.9～4.6 dB；塔臺功能區(qū)和電梯間整體超標(biāo)率達到0.97%～28.2%。

表5 塔臺電梯間的振動加速度級Tab.5 Vibration acceleration level of tower elevator room

振動沿著塔臺向上部傳遞過程中，塔臺電梯間現(xiàn)場指揮設(shè)備層至休息及值班層振動基本呈減小趨勢；從氣象觀察層至頂部管制指揮層，塔臺電梯間和功能區(qū)振動基本均呈放大趨勢，說明塔臺頂部存在振動放大的現(xiàn)象，頂部功能層車致振動的響應(yīng)更加顯著，這給振動控制帶來不小的難度。另一方面，設(shè)備夾層和管制指揮層功能區(qū)僅與塔臺筒體相連，不與下部功能區(qū)相接，造成其自由度的增加，也致使其振動響應(yīng)有所增加。

5 結(jié)語

在未采取任何減隔振措施的前提下，對高鐵和地鐵分別以250 km/h 和120 km/h 在3 種工況下近距離穿越新建機場塔臺區(qū)域時引起的振動進行分析，得到以下結(jié)論。

（1）高鐵運行作用下，引起地面振動主頻集中在20～40 Hz 范圍，31.5 Hz 主頻處的振動加速度幅值隨著距振源距離的增加而衰減速度最快，地表車致振動并不隨著距離高鐵振源的增加單調(diào)衰減，在距離隧道邊界20 m 處存在一個振動反彈區(qū)；塔臺筒體豎向振動在距地面高度10～50 m 的范圍衰減趨于平緩，距地面80 m 處峰值振動加速度衰減達到75%。

（2）塔臺電梯間車致振動主頻集中在40～60 Hz，隨著塔臺高度的增加，50～60 Hz 頻率的振動衰減較快，30～46.4 Hz 頻率振動衰減緩慢；塔臺功能區(qū)車致振動主頻集中在30～70 Hz，隨著塔臺高度的增加，60～70 Hz頻率振動逐漸衰減，10～20.4 Hz 頻率振動有所放大。

（3）高鐵運行情況下，塔臺電梯間及功能區(qū)SJ-1和GZ-1 振動超標(biāo)，電梯間和功能區(qū)分頻最大振級達到75.6 dB 和66.8 dB；地鐵運行情況下，塔臺分頻最大振級為42.1～56.8 dB，振動均未超標(biāo)；高鐵和地鐵同時運行情況下，塔臺車致振動響應(yīng)相比于僅高鐵或地鐵運行時有所疊加，超標(biāo)區(qū)域相比于僅高鐵運行時增加3個功能區(qū)，電梯間和功能區(qū)分頻最大振級達79.5 dB 和67.5 dB，整體超標(biāo)率達到0.97%～28.2%。