田野

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

作者簡(jiǎn)介：田野（1979-），男，博士，從事軌道交通減振降噪技術(shù)研究。

城市軌道交通在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，列車(chē)車(chē)輪與鋼軌之間產(chǎn)生沖擊振動(dòng)，經(jīng)過(guò)軌枕、道床，傳遞至隧道或橋梁基礎(chǔ)，再傳遞給地面，并通過(guò)周?chē)貙酉蛲鈧鞑?，進(jìn)一步誘發(fā)鄰近建筑物室內(nèi)振動(dòng)和二次噪聲，對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)安全及其居民的工作和日常生活產(chǎn)生影響[1]。

振動(dòng)在建筑物層間的傳遞受振源距離、頻譜特性、建筑結(jié)構(gòu)自振特性等多重因素影響，其分布規(guī)律較為復(fù)雜。部分研究表明[2]，地鐵沿線(xiàn)建筑物室內(nèi)振動(dòng)隨樓層增高而逐漸減小。為進(jìn)一步探討室內(nèi)振動(dòng)樓層分布規(guī)律，選取某地鐵沿線(xiàn)建筑進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，分析振動(dòng)傳遞規(guī)律，為后續(xù)減振降噪研究提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。

1 振動(dòng)測(cè)試概況

振動(dòng)測(cè)試選取某地鐵線(xiàn)路一側(cè)的9 層框架結(jié)構(gòu)商場(chǎng)建筑，線(xiàn)路中線(xiàn)距離建筑物外墻約22m。此建筑物層高4.5m，主體結(jié)構(gòu)已封頂，尚未砌筑隔墻。測(cè)試斷面選取建筑物最接近線(xiàn)路的角柱位置，距離線(xiàn)路中線(xiàn)約22m。測(cè)點(diǎn)布置在1～5 層樓板上(參見(jiàn)圖1、圖2)。地鐵線(xiàn)路在測(cè)試斷面位置為緩和曲線(xiàn)，埋深6.3m，列車(chē)為6 節(jié)編組A 型車(chē)，行駛速度約58～60km/h。

圖1 振動(dòng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置示意圖

測(cè)試傳感器采用壓電加速度傳感器，采集垂向振動(dòng)信號(hào)，并經(jīng)信號(hào)調(diào)理器放大處理。

2 室內(nèi)振動(dòng)時(shí)程

測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)截取和篩選，獲得不同時(shí)刻地鐵運(yùn)營(yíng)引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，選取某時(shí)刻數(shù)據(jù)，如圖3 所示：

圖3 某時(shí)刻樓層垂向振動(dòng)加速度時(shí)程(單位：m/s2)

從圖3 中可知，不同樓層時(shí)程最大值基本相仿，為0.01m/s2左右，但背景振動(dòng)差異明顯，隨著樓層增高，從0.001m/s2逐漸增大到0.005m/s2左右，導(dǎo)致列車(chē)引起的建筑物振動(dòng)逐漸“淹沒(méi)”在背景振動(dòng)之中。

3 室內(nèi)振動(dòng)振級(jí)

對(duì)測(cè)試獲取的室內(nèi)垂向加速度時(shí)程數(shù)據(jù)按照《GB 10071-88 城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》中的規(guī)定，計(jì)算振動(dòng)加速度Z 振級(jí)VLzmax和累計(jì)百分Z 振級(jí)LVz10。具體結(jié)果參見(jiàn)表1、圖4：

表1 地鐵引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)加速度振級(jí)(dB)

圖4 室內(nèi)振動(dòng)加速度振級(jí)樓層分布圖

對(duì)比《GB 10070-88 城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于混合區(qū)和商業(yè)中心區(qū)晝間75dB、夜間72dB 的限值可知，地鐵引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)振級(jí)不超標(biāo)。

此外，從上述振級(jí)數(shù)值可知，室內(nèi)振動(dòng)加速度Z 振級(jí)VLzmax隨著樓層增高從1 層的53.29dB 逐漸增大到5層的59.34dB，增加了6.05dB；VLz10從52.58dB 增大到58.27dB，增加了5.69dB。

顯然室內(nèi)振動(dòng)從底層到高層呈現(xiàn)逐漸增大的分布規(guī)律。為探究其原因，繪制不同樓層室內(nèi)振動(dòng)的1/3 倍頻程圖形，如圖5、表2 所示：

表2 不同樓層1/3 倍頻程垂向加速度振級(jí)(dB)

圖5 不同樓層1/3 倍頻程垂向加速度振級(jí)示意圖(dB)

從圖5 中可以看出，不同頻段的振動(dòng)其分頻振級(jí)數(shù)值和樓層分布差異較大。其中10Hz、40～50Hz 左右其分頻振級(jí)最大；10Hz 振動(dòng)隨著樓層增加從38.33dB 迅速增大 到 52.81dB； 而 40Hz 振 動(dòng) 從 50.27dB 增 大 到51.11dB，50Hz 振動(dòng)從46.49dB 增大至50.60dB，增加值并不明顯。

顯然，本案例中地鐵引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)隨樓層增加逐漸增大的現(xiàn)象主要由10Hz 左右分頻振動(dòng)的樓層分布規(guī)律所控制。

4 室內(nèi)背景振動(dòng)分析

為進(jìn)一步分析室內(nèi)振動(dòng)不同頻段的含義與決定因素，分析測(cè)試數(shù)據(jù)中背景振動(dòng)的規(guī)律。振級(jí)數(shù)值參見(jiàn)表3，樓層分布參見(jiàn)圖6：

表3 室內(nèi)背景振動(dòng)加速度振級(jí)(dB)

圖6 室內(nèi)背景振動(dòng)加速度振級(jí)樓層分布圖

從上述振級(jí)數(shù)值可知，室內(nèi)背景振動(dòng)VLzmax隨著樓層增高從1 層的42.37dB 逐漸增大到5 層的52.30dB，增加了9.93dB；VLz10從39.89dB 增大到50.05 dB，增加了10.16dB。相較于地鐵引起的室內(nèi)振動(dòng)，背景振動(dòng)的振級(jí)隨著樓層增高其增加速度更快，從而導(dǎo)致較高樓層的地鐵運(yùn)營(yíng)引起的室內(nèi)振動(dòng)逐漸“淹沒(méi)”在室內(nèi)背景振動(dòng)之中。

進(jìn)一步繪制室內(nèi)背景振動(dòng)的1/3 倍頻程圖形，如圖7、表4 所示：

圖7 背景振動(dòng)1/3 倍頻程垂向加速度振級(jí)示意圖(dB)

表4 背景振動(dòng)1/3 倍頻程垂向加速度振級(jí)(dB)

從圖7 中可以看出，背景振動(dòng)分頻振級(jí)峰值主要是10Hz 頻段，且其樓層分布規(guī)律也呈現(xiàn)隨樓層增加逐漸增大的現(xiàn)象，即從1 層的28.65dB 增大到5 層的43.20dB。易知這種規(guī)律是受結(jié)構(gòu)自振特性的影響[3]，即10Hz 頻率是結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)頻率值，且其對(duì)應(yīng)振型幅值逐層增大。

5 結(jié)構(gòu)自振特性分析

為進(jìn)一步確認(rèn)上述頻率值為結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)頻率，對(duì)測(cè)試的建筑物建立有限元模型，分析其自振特性。其前11 階振型為平動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振型，第12 階豎向振動(dòng)振型如圖8 所示：

圖8 建筑物豎向振動(dòng)振型

第12 階自振頻率值為9.4Hz，與前述10Hz 值較為接近。

通過(guò)對(duì)背景振動(dòng)和結(jié)構(gòu)自振特性的分析，可知地鐵運(yùn)營(yíng)引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)，其頻率成份中的10Hz 頻段受結(jié)構(gòu)豎向自振特性影響發(fā)生共振，振幅逐層放大，而原振幅最大的P2 共振頻率40～50Hz 頻段則變化不明顯。不同頻段振幅的不同變化規(guī)律的組合，導(dǎo)致了建筑物室內(nèi)振動(dòng)呈現(xiàn)出隨樓層增加逐漸增大的規(guī)律。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)地鐵沿線(xiàn)建筑物室內(nèi)振動(dòng)的測(cè)試與數(shù)據(jù)分析，揭示了一種室內(nèi)振動(dòng)樓層分布規(guī)律。

6.1 地鐵運(yùn)營(yíng)引起的建筑物室內(nèi)振動(dòng)以及室內(nèi)背景振動(dòng)均逐層增大，背景振動(dòng)增大速度較快。

6.2 本案例中，10Hz 頻段受結(jié)構(gòu)豎向自振特性影響發(fā)生共振，振幅逐層放大，而其它頻段變化較小。不同頻段振幅的不同變化規(guī)律的組合，導(dǎo)致了建筑物室內(nèi)振動(dòng)呈現(xiàn)出隨樓層增加逐漸增大的規(guī)律。

6.3 地鐵運(yùn)營(yíng)傳遞至地面的振動(dòng)的頻譜特性與列車(chē)車(chē)型、車(chē)速、軌道結(jié)構(gòu)、線(xiàn)路埋深、建筑物與線(xiàn)路距離[4]等因素相關(guān)，在此基礎(chǔ)上疊加結(jié)構(gòu)豎向自振特性因素，可望獲得多種室內(nèi)振動(dòng)樓層分布規(guī)律。