城市軌道交通環境振動評價指標計算與分析

杜林林， 劉維寧， 劉衛豐， 馬 蒙

(北京交通大學土木建筑工程學院， 北京 100044)

城市軌道交通環境振動評價指標計算與分析

杜林林， 劉維寧， 劉衛豐， 馬 蒙

(北京交通大學土木建筑工程學院， 北京 100044)

衡量城市軌道交通引起的環境振動水平的指標是最大Z振級和分頻最大振級。目前，關于評價指標的計算存在著諸多混淆，影響了評價指標的計算、評價結果,甚至進一步影響線路的規劃及設計。通過詳細計算重疊系數及計權因子對最大Z振級計算結果的影響，發現當重疊系數達到3/4時，最大Z振級計算結果基本穩定；采用ISO 2631—1:1997中的頻率計權曲線更能綜合考慮軌道交通引起的環境振動對人體健康、舒適性及工作效率的影響，建議修訂《城市區域環境振動標準》(GB 10070—88)時采用此頻率計權曲線。針對分頻最大振級計算方法中的混淆問題，計算并分析線性平均、峰值保持等方法對計算結果的影響，為保證評價結果的可靠性，建議采用峰值保持法進行計算和評價。

環境振動； 評價指標； 最大Z振級； 分頻最大振級

隨著線網的不斷加密，軌道交通線路不可避免地穿越居民區并對沿線居民的正常生活產生影響[1]。現行的用于評價軌道交通環境振動水平的標準有《城市區域環境振動標準》(GB 10070—88)[2]和《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》(JGJ/T 170—2009)[3]，評價指標分別為最大Z振級(VLz，max)和分頻最大振級(VLmax)。

根據離散采樣數據計算最大Z振級和分頻最大振級時，現行標準中沒有明確指出相鄰兩幅計算波形的重疊系數，這將影響計算結果的準確性。在計算最大Z振級時，GB 10070—88仍采用ISO 2631—1：1985推薦的頻率計權曲線，該版本的計權曲線所考慮的對象是振動引起的“疲勞-熟練度降低限”，不切合目前軌道交通環境振動引起的人體健康、正常工作及舒適性等問題，較為陳舊，應予以修訂。而對于分頻最大振級，標準JGJ/T 170—2009中尚未明確指出具體的計算方法，采用分頻最大振級進行環境振動評價時，有線性平均、峰值保持等不同的算法，因為計算方法的差異往往造成計算結果的不同，嚴重影響該指標的合理運用。因此有必要對評價指標的計算方法及影響計算結果的因素進行分析研究。

本文通過計算研究重疊系數對最大Z振級及分頻最大振級的影響并給出合理的重疊系數取值，對比研究不同版本計權曲線對最大Z振級的影響，通過計算分析各個方法對分頻最大振級的影響，對分頻最大振級計算方法的選取給出一定的建議，為城市軌道交通引起環境振動評價指標的準確計算提供參考。

1 城市區域環境振動評價指標

1.1最大Z振級的測試及評價方法

GB10070—88和GB10071—88[4]中指出，為評價城市區域的環境振動水平，測量鉛垂向Z振級，采用時間計權常數為1s，采用頻率計權范圍為1～80Hz[5]，計權因子見GB10070—88。測點置于各類區域建筑物室外0.5m以內振動敏感處，必要時測點置于建筑物室內地面中央。計算時需讀取每次列車通過時的最大顯示數，每個測點連續測量20次，以20次讀值的算術平均值為評價量，然后再與GB10070—88中所給出的標準限值進行比較，以評價環境振動水平。

1.2分頻最大振級的測試及評價方法

GB10070—88規定了各種振源下城市區域環境振動測量方法及限值標準，主要用于評價城市交通干線和鐵路主次干線引起的環境振動。由于線路分布區域、軌道形式及運營條件的不同，城市軌道交通是一種既不同于城市交通干線又不同于國鐵鐵路干線的交通網，因此城市軌道交通沿線的振動評價標準應有所不同。為了解決城市軌道交通環境振動的評價問題，文獻[3]指出采用分頻最大振級作為軌道交通環境振動評價量。在4～200Hz頻率范圍內對鉛垂向振動加速度進行1/3倍頻程分析，經計權因子修正后可得1/3倍頻程中心頻率上的最大振動加速度級，即分頻最大振級，其中頻率計權因子如表1[6-7]所示，環境振動評價標準限值如表2所示。測點布置要求：與建筑物室內振動限值對應的測點宜布置在建筑物一樓室內，也可布置在建筑物基礎距外墻0.5m范圍內。每次列車通過時記錄分頻最大振級作為該次列車通過時的測量值，以每次列車通過時該測點VLmax的算術平均值作為該測點的振動評價量。

表1 JGJ/T 170—2009加速度在1/3倍頻程中心頻率的Z計權因子

表2 JGJ/T 170—2009建筑物室內振動限值

2 VLz，max和VLmax的計算方法

2.1VLz，max的計算

根據GB10070—88要求采用1s計權，時程信號可依次分為若干幅波形進行分析，對每一幅波形進行1/3倍頻程分析得到各個中心頻率對應的分頻振級,如表3所示。根據式(1)計算可得該幅波形的Z振級，依次計算可得Z振級隨時間的變化過程。

VLz=10log(∑10(VLi+αi)/10)

(1)

式中，VLz表示鉛垂向Z計權振級，簡稱Z振級，dB；VLi為1/3倍頻程各中心頻率對應的振動加速度級，dB；αi為1/3倍頻程各中心頻率的Z計權因子，dB。具體數值參見文獻[1]。

環境振動是隨機過程，具有波動性。由數據采集儀獲得的數據為離散數據，計算環境振動評價指標時，每次需要計算1s長度的樣本數據。為了使得離散數據的計算結果能真實反映連續振動過程，相鄰兩幅計算波形需要設置一定的重疊率，即重疊系數l以反應客觀實際。因而對于離散采樣所得的數據，考慮相鄰兩幅波形間的重疊，并對每幅波形進行計算，計算波形的總幅數n為

表3 各幅波形分頻振級計算示意Tab.3 Diagrammatic sketch of calculating vibration level for each waveform

(2)

式中，N為采樣點數，Fs為采樣頻率。

2.2VLmax的計算

JGJ/T170—2009中推薦采用VLmax作為評價指標[8]，卻沒有明確給出分頻最大振級的具體算法，因此在計算VLmax的過程中出現了諸多混淆，影響了環境振動評價結果。針對分頻最大振級的計算，常見的方法有線性平均、峰值保持及最大值保持。

線性平均法是指全程分析時計算出每幅波形對應的分頻加速度有效值，類似于表3中所示，然后對各中心頻率所對應的加速度有效值按式(3)進行線性平均，由平均值求得分頻振級值。根據式(4)計算各分頻振級并計權求出各分頻振級最大值作為分頻最大振級。

(3)

(4)

式中，arms，i為1/3倍頻程中心頻率fi處加速度有效值均值；arms，i，k為第k幅計算波形在1/3倍頻程中心頻率fi處的加速度有效值；i指1/3倍頻程中心頻率個數；n指對信號進行分析時，計算的波形幅數總數；a0為基準振動加速度值，取為10-6m/s2。具體數值見表1。

峰值保持即通過對全程每幅波形進行計算可得如表3所示各個時段的分頻振級值，按式(5)對各分頻求其最大值，即各頻段的最大包絡值，最后再按式(6)求出分頻最大振級。

(5)

(6)

式中，VLi，k表示第k幅計算波形在1/3倍頻程中心頻率fi處的加速度振級，dB；VLi，max為1/3倍頻程中心頻率fi處的振級最大值，dB。

最大值保持法是指全程分析過程中，按式(7)找到有效值最大值所對應的一幅波形，對應的時間為tk，對該時段內的數據進行計算可得分頻振級最大值。

(7)

式中，arms，k表示第k幅波形對應的加速度有效值；arms，max表示加速度有效值最大值。

3 VLz，max和VLmax的計算與分析

本文選用如圖1所示的振動加速度進行計算。該段加速度為地鐵列車通過過程中某建筑物一層室外外墻角處鉛垂向振動加速度響應。其中，采樣頻率為1 024 Hz，采樣時長為9.8 s，采樣點數為10 113。

圖1 建筑物室外鉛垂向振動加速度Fig.1 Vertical vibration acceleration of ground outside the buildings

3.1VLz，max的計算及影響因素分析

Z振級隨時間的變化過程如圖2所示，由圖2可以看出振動強度隨時間的變化過程，其中最大Z振級為63.96dB。

圖2 Z振級隨時間變化過程Fig.2 Changing process with time of VLz

為了保證計算效率和計算結果的穩定性，分別計算了重疊系數為0、1/2、3/4、7/8時最大Z振級的變化，如圖3所示。由圖3可知：重疊系數對最大Z振級的計算結果具有一定程度的影響，當重疊系數取3/4時，計算結果是穩定的。

圖3 Z振級隨重疊系數的變化Fig.3 Changing process with overlapping coefficient of VLz

3.2頻率計權曲線對VLz，max的影響

目前，我國《城市區域環境振動標準》(GB10070—88)采用的是ISO2631—1：1985所推薦的頻率計權曲線，它是基于等感曲線以及當時采用的“疲勞-熟練度降低限”曲線所得出的，指在一定工作時間下，引起工作者疲勞或熟練度降低的振動值。日本首先將該曲線應用到環境振動標準之中，以評價環境振動對人體的影響程度。“疲勞-熟練度降低限”是一個針對于工業作業人員振動暴露而提出的概念，無法完整地反映出軌道交通引起的環境振動對于人體的影響。對于城市區域軌道交通引起環境振動的評價來說，對象人群主要是建筑物內的人員，他們以坐姿者為多，且坐姿姿勢保持的時間一般較長，因此這些人的健康、感覺和舒適性應當著重考慮；而長時間處于立姿和臥姿的人較少，主要關心感覺和舒適度。因此，國際標準化組織在ISO2631—1：1997中提出了新的頻率計權曲線[9]，綜合考慮了振動對人體健康、舒適度、感覺等的影響，采用新版本的計權曲線更有利于客觀真實地進行環境振動評價。

兩個版本的頻率計權曲線如圖4所示，可見，兩個版本的頻率計權因子在1～4Hz及8～80Hz具有明顯的區別。下面通過計算分析計權因子的變化對Z振級計算結果的影響。

圖4 ISO 2631—1：1985和ISO 2631—1：1997頻率計權曲線對比Fig.4 Comparing of frequency weighting curves between ISO 2631—1：1985 and ISO 2631—1：1997

圖5為采用不同的頻率計權曲線時Z振級計算結果，可見：不同計權曲線所得結果的變化趨勢一致，反映了列車通過過程中Z振級隨時間的變化情況；頻率計權因子對于Z振級的計算有著顯著的影響，采用ISO2631—1：1997計權值所得計算結果比ISO2631—1：1985計權值大3.3～3.6dB。

圖5 ISO 2631—1：1985和ISO 2631—1：1997頻率計權曲線對Z振級計算結果的影響Fig.5 Influence of frequency weighting curves(ISO 2631—1：1985 and ISO 2631—1：1997)on the calculating result of VLz

為了準確反映當前軌道交通引起的環境振動對人體健康、舒適度及感覺的影響，建議對《城市區域環境振動標準》中的頻率計權因子進行修改，修改為ISO2631—1：1997中的頻率計權曲線。

3.3VLmax的計算及影響因素分析

根據本文第2部分所述，編制程序計算了重疊系數對分頻最大振級計算結果的影響，其中時間計權長度取為1s，計算頻率范圍為4～200Hz，計權因子見表3所示。分別計算了重疊系數為0、1/2、3/4、7/8時計算結果的變化，以峰值保持算法為例，計算結果如圖6所示。

圖6 重疊系數對峰值保持算法計算結果的影響Fig.6 Influence of overlapping coefficient on results of peak hold method

觀察圖6可知，重疊系數對峰值保持計算結果有一定的影響，當重疊系數取為3/4時，計算結果是穩定的。根據計算分析，重疊系數對最大值保持計算結果的影響類似于對峰值保持值的影響，重疊系數為3/4時計算結果是準確的。重疊系數對線性平均計算結果影響較小。綜合分析可知，對于分頻最大振級的計算，重疊系數取為3/4是合理的。

接下來研究不同計算方法，即采用線性平均、峰值保持及最大值保持對分頻最大振級計算結果的影響。重疊系數取為3/4，計算結果如圖7所示。

圖7 不同算法間Z計權分頻振級對比Fig.7 Comparing of Z-weighted vibration level of different calculating methods

由圖7可知，不同算法之間存在著顯著的差異：1)列車引起的環境振動主要頻率成分在20～80Hz之間，其他頻率段的響應很小；2)最大值保持與峰值保持在最大值處基本重合，但在低頻部分，最大值保持所得計算結果波動性較大，且遠低于峰值保持；3)線性平均與峰值保持時所得分頻最大振級值相差5.6dB。

根據計算結果，峰值保持算法所得結果代表了最不利的情況，為了實現城市區域安靜的軌道交通，為了保證評價結果的可靠性，建議采用峰值保持法作為分頻最大振級的計算方法，并用所得計算結果進行評價。

4 結論

1) 重疊系數對VLz，max和VLmax具有一定程度的影響，當重疊系數取為3/4時，計算結果是穩定的，對環境振動評價指標進行計算時，建議重疊系數至少取為3/4；

2) 頻率計權曲線對VLz，max具有顯著的影響，產生3.3～3.6 dB的計算差，為了準確反映當前軌道交通引起的環境振動對人體健康、舒適度及感覺的影響，建議對《城市區域環境振動標準》中的頻率計權因子進行修改，修改為ISO 2631—1：1997中的頻率計權曲線；

3) 分頻最大振級各個算法之間存在顯著的差異，為了保證計算結果的穩定性及評價結果的可靠性，建議采用峰值保持法進行計算和評價。

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YUAN Yang.Study on the artificial single-point pulse excitations method for metro train-induced environmental vibration prediction[D].Beijing， Beijing Jiaotong University， 2014.

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[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準：JGJ/T 170—2009[S].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[4] 國家環境保護局.城市區域環境振動測量方法：GB 10071—88[S].北京：中國標準出版社，1989.

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[6] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第1部分 一般要求：GB/T 13441.1—2007[S].北京：中國標準出版社，2007.

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[7] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價 第2部分：建筑物內的振動(1 Hz～80 Hz)：GB/T 13442.1—2008[S].北京：中國標準出版社，2007.

International Organization for Standardization.Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration—Part 2： Vibration in buildings(1 Hz～80 Hz)： GB/T 13442.1—2008[S].Beijing： Press of China Standards， 2007.

[8] 劉維寧，馬蒙.地鐵列車振動環境影響的預測、評估與控制[M].北京：科學出版社，2014.

LIU Weining， MA Meng.Prediction， evaluation and control of environmental vibration induced by metro rail transit[M].Beijing： Science Press， 2014.

[9] 盧偉健，姚琨，王世強，等.兩個版本的ISO 2631—1頻率計權曲線對比[C]//中國環境科學學會學術年會論文集，北京，2009，294-298.

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Computation and Analysis of Evaluation Indicators of Environmental Vibration Induced by Urban Rail Transit

DU Linlin, LIU Weining, LIU Weifeng, MA Meng

(School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044 China)

Indicators to evaluate environmental vibration induced by urban rail transit are VLzmax and VLmax. Nowadays, the confusing calculating methods of the evaluation indicators have affected the planning and design of subway lines. The influences of overlapping coefficient and frequency weighting curve on VLzmax are researched in this paper. The study found that the result of VLzmax is basically stable when the overlapping coefficient is 3/4. Frequency weighting curve in ISO 2631-1:1997 is recommended for the amendments to the GB 10070—88StandardofEnvironmentalVibrationinUrbanAreabecause the curve considers the effect of rail transit vibration on human health, comfort and productivity. Calculating methods of linear averaging, peak hold, max RMS hold have significant influences on the VLmax result, which could affect the evaluating result. To ensure the reliability of the evaluation results, peak hold method should be adopted as the calculating method.

environmental vibration; evaluation index; VLzmax; VLmax

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.007

2016-10-10

2016-10-19

杜林林,男,博士研究生,研究方向為軌道交通環境振動,linlindu07@163.com

國家自然科學基金項目(51378001);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2015YJS122)

U231.96

A

1672-6073(2017)05-0040-06

(編輯：曹雪明)