高架軌道交通附近自由地表振動試驗研究

李小珍，劉全民，張 迅，張志俊，李亞東

(西南交通大學 土木工程學院，成都 610031)

高架軌道交通在軌道不平順、車輪不圓度及車輛軸重等激勵下產生車輛-軌道-橋梁動力相互作用引起結構振動，并通過橋墩基礎與周圍土層相互作用進一步誘發(fā)附近土體及鄰近建筑物二次振動及噪聲，嚴重影響沿線居住者的生活、工作。隨軌道交通密度不斷增加、荷載不斷增大，由此產生的環(huán)境振動問題愈加突出。

由于車輛-軌道-橋梁-基礎-土體相互作用系統(tǒng)的復雜性，現場測試仍為重要的環(huán)境振動研究手段，并能為理論分析、預測提供有效的實測數據驗證。文獻[1-3]對各型高速列車通過路基區(qū)段時引起的地面振動進行測試。夏禾等[4]對沈陽-哈爾濱鐵路線簡支鋼梁橋附近地面振動進行試驗研究，分析振動的衰減規(guī)律。蔣通等[5]分析現場實測與數值模擬的上海高架軌道交通明珠線所致環(huán)境振動。高廣運等[6]采用薄層法對秦沈客運專線引起的地面振動進行分析，并與實測結果對比。陳建國等[7]對北京地鐵5號線高橋路段進行環(huán)境振動試驗，對比普通軌枕與梯形軌枕引起環(huán)境振動的差異。以上研究均獲得大量有價值結論，對環(huán)境振動研究具有積極作用。

已有環(huán)境振動試驗多針對高鐵路基區(qū)段或地鐵高架區(qū)段，而對高鐵或城際快鐵高架區(qū)段環(huán)境振動理論、現場實測較少。我國新建高鐵或城際快鐵多采用高架結構形式。普通無砟軌道剛度大、彈性差，會增加車輛、軌道振動。用無砟軌道，列車在高架區(qū)段高速運行時引起的地面振動亦不可忽視；為此，本文對某城際快鐵高架結構區(qū)段環(huán)境振動進行現場試驗研究，以期為理論研究提供參考。

1 試驗概況

某城際快鐵32 m 雙線混凝土簡支箱梁為單箱單室結構，梁體全長32.6 m，梁高2.354 m，雙肢形橋墩，墩高3～4 m。設計為ZC活載，設計速度200 km/h，二期恒載153.6 kN/m，線間距4.4 m。采用CRTS-Ⅲ型板式無砟軌道，WJ-8C型扣件系統(tǒng)，橫向靜剛度5.0×107kN/m，垂向靜剛度3.5×107kN/m。該城際快速鐵路運營列車為CRH1動車組，列車編組2(2M+1T)+(1M+1T)，編組長度213.5 m，列車定員668人。

為避免其它因素對地面振動干擾，選待測高架橋梁位于開闊的田野段，見圖1，測點布置見圖2。其中，橋墩測試斷面(C3-C3)距上行中心線0 m、7.5 m、15 m、30 m、60 m處均布置橫向、垂向加速度拾振器，依次編號為S1～S5；在測試橋墩相鄰兩跨跨中距上行中心線30 m處布置垂向拾振器，編號S6、S7。橫向拾振器用H表示，垂向拾振器用V表示。

圖1 測試現場

圖2 測點布置圖(單位：m)

測試采用中國工程力學研究所891-Ⅱ型加速度傳感器及東方振動和噪聲技術研究所INV306U智能數據采集系統(tǒng)。該傳感器頻率響應范圍寬、低頻效果好，適合測試結構物及地面振動。用多普勒測速儀測量車速。測試儀器試驗前均已標定。地面拾振器布置為：人工挖出長0.4 m、寬0.4 m、深0.5 m土坑；將1.5 m普通腳手架鋼管打入土體，鋼管頂端露出坑底0.5 m；在土坑內現澆混凝土，抹平其頂面；待混凝土硬化后用粘合劑將拾振器固定于混凝土，使拾振器的幾何軸線水平，并確保拾振器方向與所測振動方向一致。采樣頻率設為1 024 Hz，滿足Shannon采樣定理。實測均為運營列車，測試工況見表1。

表1 測試工況

2 環(huán)境振動評價方法

振動對建筑物與人體影響實際為振動能量傳遞結果，加速度有效值能較好反映此特性，因此在環(huán)境振動分析中，振動強度一般以加速度有效值表示。本文以振動加速度級分析振動傳播規(guī)律，定義：

VAL=20lg(arms/aref) (dB)

(1)

式中：aref=10-6m/s2為基準加速度；arms為振動加速度有效值(m/s2)：

(2)

為減小背景振動對觀測數據影響，在頻域采用消除背景振動影響[8]公式：

(3)

式中：VAL為去除背景振動后加速度級；VALA為含背景振動加速度級；VALB為背景振動加速度級。

人體對Z向振動最敏感，因此評價振動時，本文Z振級VLZ按全身振動Z計權因子[9]計算振動加速度級。

3 測試結果分析

以工況10為例，近軌最高運行車速為162 km/h，距近軌中心線30 m處測點S4、S6、S7的實測Z振級VLZ分別為62.7 dB、60.2 dB、59.7 dB，均小于80 dB，滿足《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》(GB 10070-88)規(guī)定。

3.1 加速度時域分析

工況8時S1～S5豎向、橫向加速度峰值對比見圖3。由圖3看出，隨橫向距離的增加，豎向、橫向加速度峰值均快速衰減，但在7.5 m處出現振動反彈增大區(qū)，與文獻[4,7,10-11]一致，但反彈增大區(qū)出現位置不同。有研究認為此因振動波在基巖面與地表面間多次反射所致，與振動頻率、波速、基巖深度、土層特性等有關。關于反彈增大區(qū)原因尚待進一步研究。同位置橫向加速度較豎向大。

工況8時測點S2(R=7.5 m)、S4(R=30 m)豎向、橫向加速度時程曲線見圖4、圖5。由兩圖看出，近場S2處，加速度時程出現周期性峰值，并可清晰分辨出每個輪對影響；遠場S4處，輪對產生的周期性峰值已不明顯。其原因可能為近場S2的振動主要受測試斷面(C3-C3)所在橋墩影響，相鄰兩跨橋墩影響較小；而相鄰兩跨橋墩與測試斷面(C3-C3)所在橋墩對遠場S4振動影響相當，且不同橋墩間存在振動相位差。

為驗證此推測，測點S2豎向、橫向加速度局部見圖6，測點S2、S3豎向加速度局部見圖7。由兩圖看出，測點S2豎向、橫向振動相位基本一致；而因傳播距離不同，測點S2、S3振動存在相位差，該現象將在后面的振動加速度級時程圖上觀察到。

圖3 S1～S5豎向、橫向加速度峰值對比

圖5 S4振動加速度時程(工況8)

3.2 VAL時域分析

據所測振動加速度時程，按式(1)～式(3)計算得VAL時程。測點S2～S5豎向、橫向VAL時程對比曲線見圖8、圖9。由兩圖可辨別出輪對周期性加載現象。列車8節(jié)編組，對應VAL時程圖中9個峰值，列車速度135 km/h，駛過測試斷面時間約5.59 s，VAL時程圖首尾峰值時間差為5.56 s，由此間接驗證本次試驗的可靠性。

圖8 S2～S5豎向VAL時程對比(工況8)

工況8測點S1～S5豎向、橫向VAL峰值見圖10。由圖10看出，隨距離的增加，VAL快速衰減，且在7.5 m處有反彈增大現象。在7.5～15 m范圍，豎向振動與橫向振動分別衰減7.3 dB、7.5 dB，衰減速率為0.97 dB/m、1.00 dB/m；在15～30 m范圍，豎向振動與橫向振動分別衰減8.5 dB、9.5 dB，衰減速率為0.57 dB/m、0.63 dB/m；在30～60 m范圍，豎向振動與橫向振動分別衰減10.1 dB、5.0 dB，衰減速率為0.34 dB/m、0.17 dB/m，即離線路越遠，振動衰減越慢，地面VAL隨距離變化滿足對數關系。測點S2豎向、橫向VAL時程對比曲線見圖11。由圖11看出：橫向VAL較豎向大3.9～9.0 dB，與文獻[10-11]路基區(qū)段測試結果不同(地面3方向振動中豎向加速度最大，垂直線路水平向次之，平行線路水平向最小)。本文認為其原因可能為路基區(qū)段主要承受列車豎向沖擊作用，故地面豎向振動最大；而對高架橋梁區(qū)段，豎向振動通過樁基礎傳遞到較深土層中，橫向振動在淺層土體中通過橋墩身、承臺、基礎與周圍土體相互作用傳播到地面較遠區(qū)域，故地面橫向振動較豎向大。距軌道中心線30 m處，橋墩所在斷面測點S4豎向VAL峰值為71.3 dB，相鄰兩跨跨中斷面測點S6、S7豎向VAL峰值為67.8 dB、67.3 dB，見圖12。

圖11 S2豎向、橫向VAL時程對比(工況8)

圖12 S4、S6、S7豎向VAL時程對比(工況8)

橋墩所在斷面(C3-C3)地面振動較相鄰兩跨跨中斷面地面振動大3.5～4.0 dB，此因箱梁按一定間隔支承在橋墩上，車橋體系振動通過離散位置橋墩基礎傳遞給土體。高架軌道交通對環(huán)境振動影響可視為具有一定間隔的離散點振源；各點振源到跨中斷面地面測點距離越遠，振動衰減越大。

3.3 加速度頻域分析

工況8測點S2(R=7.5 m)、S4(R=30 m)豎向、橫向加速度頻譜曲線見圖13、圖14。由兩圖看出，頻譜曲線幾個較高峰值點反映出列車周期性加載現象。峰值頻率15.01 Hz及倍頻30.02 Hz、46.03 Hz、73.05 Hz對應列車固定軸距加載頻率f=135/3.6/2.5=15.0 Hz，故該激勵源為移動軸重荷載。

圖13 S2振動加速度頻譜(工況8)

圖14 S4振動加速度頻譜(工況8)

3.4 VAL頻域分析

工況8測點S2～S5在1/3倍頻程內豎向、橫向VAL對比曲線見圖15、圖16。由兩圖看出，地面豎向振動的優(yōu)勢頻率范圍為10～100 Hz，橫向振動的優(yōu)勢頻率為4～100 Hz，橫向振動頻率范圍更寬。

圖15 S2～S5豎向VAL 1/3倍頻程圖(工況8)

圖16 S2～S5橫向VAL 1/3倍頻程圖(工況8)

對土體豎向振動，從7.5 m處到60 m處，16 Hz時衰減12.2 dB；40 Hz時衰減24.7 dB；80 Hz時衰減33.6 dB。對土體橫向振動，從7.5 m處到60 m處，16 Hz時衰減12.8 dB；40 Hz時衰減15.3 dB；80 Hz時衰減34.4 dB。近場，土體振動以高頻為主；遠場，土體振動以低頻為主；因此，隨距離的增加，高頻振動衰減快，低頻振動衰減慢，低頻振動傳播更遠，反映出土體對高頻振動的高阻尼效應。

4 環(huán)境振動影響因素分析

在影響環(huán)境振動諸多因素中，列車運行軌道與速度為兩重要因素。不同列車運行軌道、速度時測點S2豎向、橫向VAL變化規(guī)律見圖17、圖18。由兩圖看出，隨列車速度的提高，地面振動呈增大趨勢，增大速率為0.036～0.049 dB/(km/h)。雖列車遠軌運行速度相對較高，但其引起的地面振動豎向、橫向VAL較近軌運行時平均減小3.5 dB、4.4 dB，說明雙線高架橋引起的環(huán)境振動偏載效應突出。

圖17 列車運行軌道及速度對S2豎向VAL影響

圖18 列車運行軌道及速度對S2橫向VAL影響

5 結 論

對城際快鐵列車高架橋運行引起附近自由場地環(huán)境振動現場測試及結果分析，結論如下：

(1) 該城際快鐵高架區(qū)段自由場地環(huán)境振動滿足《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》限值要求。

(2) 據近場地面振動加速度時程出現的周期性峰值可清晰分辨出每個輪對；而遠場列車輪對產生的周期性峰值不明顯。

(3) 高架軌道交通所致地面橫向水平振動較豎向振動大，橋墩截面地面豎向VAL較跨中截面大3.5～4.0 dB。

(4) 地面豎向振動優(yōu)勢頻率在10～100 Hz范圍，橫向振動優(yōu)勢頻率范圍4～100 Hz，低頻振動在橫向傳播遠。

(5) 列車運行軌道對地面振動大小影響高于車速影響，雙線高架橋偏載效應突出，VAL隨車速變化規(guī)律為0.036～0.049 dB/(km/h)。

(6) 高架軌道交通所致環(huán)境振動應視為車輛-軌道-橋梁-基礎-土體相互作用系統(tǒng)。本文測試結果可為理論分析、數值模型提供實測數據驗證。

[1] Adolfsson K, Andreasson B, Bengtson P E, et al. High speed lines on soft ground. Evaluation and analyses of measurements from the west coast line[R]. Banverket, Sweden,1999.

[2] Degrande G, Schillemans L. Free field vibrations during the passage of a thalys high-speed train at variable speed [J].Journal of Sound and Vibration,2001,247(1):131-144.

[3] Auersch L. The excitation of ground vibration by rail traffic:theory of vehicle-track-soil interaction and measurements on high-speed lines[J]. Journal of Sound and Vibration, 2005, 284(1/2):103-132.

[4] Xia H, Zhang N, Cao Y M. Experimental study of train induced vibrations of environments and buildings[J]. Journal of Sound and Vibration,2005,280(3/5):1017-1029.

[5] 蔣通, 張昕. 高架軌道交通引起環(huán)境振動的實測與數值模擬[J]. 同濟大學學報, 2004, 32(5): 565-569.

JIANG Tong, ZHANG Xin. In situ experimental and numerical predictions of environmental vibration by urban viaduct rail transit[J]. Journal of Tongji University, 2004, 32(5): 565-569.

[6] 高廣運,李志毅,馮世進,等.秦沈鐵路列車運行引起的地面振動實測與分析[J].巖土力學,2007,28(9):1817-1827.

GAO Guang-yun, LI Zhi-yi, FENG Shi-jin, et al. Experimental results and numerical predictions of ground vibration induced by high-speed train running on Qin-Shen railway[J].Rock and Soil Mechanics,2007, 28(9): 1817-1827.

[7] 陳建國,夏禾,姚錦寶.高架軌道交通列車對周圍環(huán)境振動影響的試驗研究[J].振動與沖擊,2011,30(2):159-163.

CHEN Jian-guo, XIA He, YAO Jin-bao. Test for environment vibration induced by trains on viaduct[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(2):159-163.

[8] 邱俊杰. 高架軌道交通引起環(huán)境振動的實測與評價方法研究[D]. 武漢:武漢理工大學, 2005.

[9] ISO2631-1, Mechanical vibration and shock-eVALuation of human exposure to whole-body vibration-part 1: General requirements[S]. 1997.

[10] 陳建國, 夏禾, 陳樹禮, 等. 運行列車引起的周圍地面振動規(guī)律研究[J]. 工程力學, 2010, 27(1): 98-103.

CHEN Jian-guo, XIA He, CHEN Shu-li, et al. Investigation on running-train-induced ground vibration near railway[J].Engineering Mechanics,2010,27(1):98-103.

[11] 夏禾. 交通環(huán)境振動工程[M]. 北京: 科學出版社, 2010: 206-212.