松軟土地區高速鐵路高架橋車致地面振動試驗研究

羅靜峰

(中國中鐵股份有限公司，北京 100039)

1 概述

高速鐵路因其安全、舒適、快速等優勢得到迅速的發展。“八縱八橫”的高速鐵路網規劃將高鐵延伸到全國各地。高速鐵路以高架橋線路為主，如京滬高速高架線路占全線的80%以上。因此，高架高速鐵路引起的環境振動影響尤為突出。車輛與軌道的耦合作用產生的振動通過橋墩、基礎傳到地基土體中，進而向四周傳播，引起附近土體的振動，可能對建筑物的安全、精密儀器的使用以及附近居民的正常生活帶來影響[1，2]。

文獻[3]對京津城際350 km/h的高鐵高架橋進行振動測試，并與現行的規范預測結果進行比較；文獻[4]對京秦客專聯調聯試階段進行振動測試，對不同車速下的地面振動響應進行分析；文獻[5]研究了北京地鐵5號線高架軌道交通引起的環境振動；文獻[6]采用有限元模擬的方法分析速度對于振動衰減的影響。文獻[7]給出了成灌鐵路高架車站以及高架橋段自由地表的振動實測結果。文獻[8-12]分別對高速鐵路的路基段和車站等結構進行環境振動測試與分析。文獻[13]對城市軌道高架橋的振動進行了監測。

關于高速鐵路高架橋引起的環境振動相關研究及現場試驗數據較少。尤其是運營一段時間后的高鐵線路，其鋼軌、橋梁、軌道不平順等因素與聯調時期已經有所變化，不宜采用聯調時期數據開展環境振動預測評估。為此，以運營高速鐵路京滬線丹昆特大橋32 m簡支梁為研究對象，開展地面振動測試與數據分析，以期為高鐵運營期的振動預測與減隔振設計提供參考。

2 高速鐵路高架橋現場測試

2.1 工程背景

研究區域表層為第四系全新統人工堆積素填土，全新統沖湖積粉質黏土、粉土、粉砂，屬于松軟土地層。

梁體全長32.6 m，計算跨徑31.5 m，設計載荷為ZK標準活載，設計速度為350 km/h，雙線。采用雙主橋墩，墩高平均為10 m，鉆孔灌注樁長為39 m。圖1為現場情況。

圖1 測試現場

2.2 測點布置與測試儀器

地面振動測點沿線路橫向布置，共設置10個測點，測點1從橋墩邊緣開始布置，以5 m間距依次布置測點2～7，測點7～10的間隔為10 m，如圖2所示。

圖4 不同位置處加速度時域曲線

測試時，在不同測點處布設鉛垂向加速度傳感器，對不同距離處的加速度進行同步采集。采用丹麥B&K 3050-B-060型土木工程振動與噪聲測試系統，傳感器通過剛性墊片與地面連接，如圖3所示。傳感器安裝在特制的方形鋼板上，方形鋼板的四條角鋼腿插入密實土體中。

圖2 測點布置(單位：m)

圖3 傳感器安裝方式

2.3 現場測試

測試車輛為京滬高鐵運行的和諧號動車組CRH380A，16節編組，采用激光測速儀測試每趟車通過時的車速。現場測試表明，列車通過該段橋梁的速度均值為298.2 km/h。考慮到振動由近橋墩測點向遠處測點傳播，不同測點在測試時有一定時間延遲。因此，采集時應完整記錄列車通過的整個過程。

2.4 測試結果

圖4為各測點加速度時程曲線，圖6為加速度峰值隨距離變化曲線。從圖中可以看出，從緊臨橋墩的測點1至距橋墩5 m的測點2，振動加速度幅值由0.129 m/s2迅速衰減至0.051 m/s2，衰減率達到60.5%；S=10 m時，振動衰減率達到75.9%。隨著距離的增加，振動衰減量逐漸減弱，在10 m 40 m時，加速度時域幅值較小，衰減更為緩慢。即在距離橋墩S≤10 m 的近地場為加速度幅值的快速衰減區，距離10 m40 m的區域為加速度幅值變化緩慢區域。

圖5為加速度頻譜曲線，從圖中可以看出，頻譜曲線的某些固定頻率處存在較大的峰值，這些峰值對應的頻率反映了列車的周期性荷載。

圖5 不同位置處加速度頻譜

圖6 加速度峰值隨距離變化曲線

3 高鐵運行引起的環境振動分析

加速度振級代表了振動的平均能量大小。《城市區域振動測量方法》(GB10071—88)給出了地面加速度振級VAL(dB)，來表示環境振動的強度。

VAL=20ln(a/a0)

(1)

式中a——加速度有效值/(m/s2)；

a0——基準加速度，取值為1×106m/s2。

圖7中給出了各測點處的頻率計權Z振級衰減曲線，列車運行引起的地面豎向加速度響應沿測線方向整體呈現衰減趨勢，且近場(S<10 m)迅速衰減，在遠場衰減較慢；在10～40 m處存在局部放大的現象，Z振級相較于時域幅值更能反映該區域能量的局部集中。在高速鐵路線位設計中，應盡量避免功能區建筑物處于能量局部集中范圍內。

圖7 各測點頻率計權Z振級衰減曲線

圖8給出了各測點豎向加速度1/3倍頻程振級，表1為幾個典型測點在不同頻段的振動衰減量比較。從圖8和表1中可以看出，各中心頻率處的分頻振級逐步衰減，振源處最大振級達到了90 dB左右。地面豎向振動的優勢頻率為25～60 Hz。該頻段振動衰減較快，從橋墩處至距離橋墩60 m處，最高衰減量為45.65 dB。在20 Hz以下頻段及60 Hz以上頻段振動衰減較為緩慢。普通的減隔振結構固有頻率一般小于20 Hz，故對于60 Hz以上高頻振動能夠實現有效衰減，而對≤20 Hz振動基本無效。因此，在減隔振設計中需要格外關注20 Hz以下低頻段振動的傳播及減隔振措施。

圖8 各測點豎向1/3倍頻程振級

表1 不同測點分頻振級衰減量 dB

4 環境振動評價

城市區域環境振動標準(GB 10070—88)規定了城市區域環境振動標準值及適用地帶范圍和監測方法，提出了各類區域豎向Z振級的標準值，如表2所示[14，15]。

對比圖7測試結果可以看出，除了橋墩旁土體豎向振級超過80 dB以外，其他區域Z振級均小于80 dB，滿足鐵路干線兩側 “鐵道外30 m，小于80 dB”的規定。在距離橋墩大于10 m的場地，觀測點的Z振級均小于70 dB，滿足普通居民和文教區的振動限值要求。在距離橋墩大于40 m位置，觀測點Z振級小于特殊住宅區所規定的最高限值(65 dB)。

表2 城市區域環境振動標準

5 結論

(1)基礎附近場地，隨著與橋墩位置距離的增加，土體的振動加速度時域幅值呈逐步遞減趨勢。各測點位置Z振級統計表明：列車運行引起的地面豎向加速度響應沿測線方向整體呈現衰減趨勢，且近場(10 m內)迅速衰減，在遠場衰減較慢；在20～30 m處存在局部放大的現象。

(2)地面豎向1/3倍頻程振級對比表明，各中心頻率處的分頻振級逐步衰減，橋墩位置處最大振級達到90 dB左右。

(3)25～60 Hz 的分頻振動較大，但衰減較快；20 Hz以下的分頻振動衰減較慢，且通常低于一般減隔振措施的減振頻率范圍，在設計減隔振措施時需要重點關注。

(4)在距離橋墩40 m以外，高鐵列車通過高架橋時，地面豎向加速度滿足《城市區域環境振動標準》中特殊住宅區的振動要求。

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