成渝高速鐵路某高架橋段地面三向振動特性分析

彭也也，賀玉龍，梅昌艮，周 青

（1.西南交通大學 地球科學與環境工程學院，成都 610031；2.四川理工學院 化學與環境工程學院，四川 自貢 643000）

高速鐵路在軌道不平順、車輪表面不光滑及車輛軸重等激勵下產生車輛-軌道-橋梁相互作用引起橋梁結構振動，并通過橋墩基礎向周圍巖土層傳播，誘發附近巖土體及鄰近建筑物二次振動，嚴重影響鐵路沿線居民的工作、學習和生活。隨著我國高速鐵路的快速發展，由此產生的環境振動問題愈加突出。由于車輛-軌道-橋梁-橋墩-土體作用系統的復雜性，現場測試仍為重要的環境振動研究手段，并能為理論分析、建模預測等提供有效的驗證。賀玉龍等[1]通過對京津城際鐵路橋梁段列車運行時的環境振動進行測試，分析了高架橋環境振動Z振級的衰減特性，并驗證了各振動預測公式的適用情況。張光明等[2]通過對成灌鐵路某橋梁段地面振動進行現場測試，研究了CRTS III型板式無砟軌道橋梁段Z振級的衰減規律。朱志輝等[3]通過比較車-橋-墩-樁-土耦合振動系統與車-橋系統及車-橋-墩系統的動力響應特性，分析了橋墩和樁基等下部結構對車橋耦合振動的影響，以及車橋耦合振動對周圍場地土垂向和橫向兩向振動的影響。李小珍等[4]對某城際快速鐵路在高架橋段引起的環境振動進行了現場實測，研究了車速等對橫向和垂向振動大小的影響。毛昆明等[5]等通過測試分析了車速、車廂數量等對滬寧城際高架橋段垂向振動大小的影響。屈暢姿等[6]通過對武廣高速鐵路現場振動測試，分析了軸重、車速等對路堤段振動特性的影響。高廣運等[7]采用薄層法對秦沈客運專線引起的地面垂向振動進行分析，并與實測結果進行了對比。

目前，大部分學者進行的振動測試主要關注垂向振動，對橫向振動測試不多，但也有學者注意到了三向振動測試的全面性及必要性。李小珍等[8]通過實測津秦客專250 km/h～385 km/h通過時的三向振動，研究了三向振動隨距離的衰減特性及車速對振動加速度級的影響。陳建國等[9]等現場實測了京廣鐵路的振動情況，研究發現列車的速度對地面水平向振動的主要頻率有影響，對垂向振動的主要頻率影響不大；列車通過時，同一點位置的垂向振動大于其他兩個水平向振動。

我國新建高鐵多采用高架橋形式，列車在高架橋段高速運行時引起的地面振動亦不可忽視。為此，本文對成渝高速鐵路某高架橋段地面三向振動進行了現場測試，以期為未來理論分析、建模等提供參考依據。

1 現場測試概況

測試選取成渝高速鐵路某高架橋段，位于簡陽市海螺鄉，設計速度350 km/h，運營列車為CRH380D型動車組，列車車輛數分別為8節編組和16節編組，列車長度為215.3 m和428.1 m。為避免其它因素干擾振動測試，所選擇的高架橋梁位于開闊的旱地中。現場測試布點如圖1所示。

圖1 現場測試布點圖

以測試橋墩上方的橋梁中心線為原點建立直角坐標系，順橋向為X軸（縱向），水平面垂直于橋梁方向為Y軸（橫向），豎直向下為Z軸（垂向），地面振動測點沿Y軸方向共布置5個測點，分別距橋梁中心線7.5 m、15 m、22.5 m、30 m、45 m，在各個測點處均布置縱向、橫向、垂向加速度拾振器。

測試采用東方振動和噪聲技術研究所INV3062-C1(S)24位智能數據采集系統，垂向和水平向941B型拾振器（H、V），采樣頻率640 Hz。

2 地面三向振動幅值隨距離的衰減

以內線（成都至重慶）16節車輛編組為例，列車實際運行速度為295 km/h左右。地面三向振動在各測點加速度最大值及有效值如表1所列。

通過表1可以看出：在同一距離處，橫向、縱向加速度最大值及有效值均大于垂向；近場橫向加速度最大值及有效值大于縱向，而遠場橫向加速度最大值及有效值均與縱向相當。

表1 不同距離處地面三向加速度最大值及有效值

限于篇幅，僅給出地面橫向振動加速度時程曲線，如圖2所示。

由表1，地面垂向振動加速度有效值在不同距離間的差值分別為：4.7 mm/s2、3.8 mm/s2、2.2 mm/s2、0.7 mm/s2。可見，近場測點垂向加速度值出現明顯衰減，垂向加速度有效值衰減速率為0.304 mm/s2?m-1，隨距離的增加，衰減速度逐漸變緩。

地面縱向振動加速度有效值在不同距離間的差值分別為：7 mm/s2、9.5 mm/s2、1.5 mm/s2、1.7 mm/s2。縱向加速度有效值衰減速率為0.525 mm/s2?m-1。

地面橫向振動加速度有效值在不同距離間的差值分別為：10.3 mm/s2、10.9 mm/s2、6.2 mm/s2、1.6 mm/s2。橫向加速度有效值衰減速率為0.773 mm/s2?m-1。

圖2 橫向振動加速度時程曲線

從地面三向振動加速度有效值的衰減速率看，橫向加速度有效值衰減速率最大，縱向次之，垂向最小；隨著距線路中心線距離的增加，三向加速度值均呈現明顯減小趨勢，衰減速率逐漸變緩。

3 三向振動主頻隨距離的變化

不同距離處地面三向振動最優頻率及加速度值如表2所列。

3.1 垂向主頻變化分析

由表2，隨著距離的增加，垂向最優頻率由30.4 Hz逐漸減小為9.6 Hz；從30 m到45 m，最優頻率9.6 Hz的加速度值衰減很小，這表明垂向振動的高頻成分均隨著距離增大而衰減迅速，而低頻成分隨距離的衰減較緩，即低頻振動比高頻振動傳播得更遠。

表2 不同距離處地面三向振動最優頻率及加速度值

3.2 水平向主頻變化分析

隨著距離的增加，縱向最優頻率由68.8 Hz逐漸減小為9.6 Hz，但從30 m到45 m，最優頻率9.6 Hz的加速度值出現反彈現象。橫向最優頻率則由64 Hz逐漸減小為6.4 Hz。

限于篇幅，僅給出地面橫向振動加速度頻譜曲線，如圖3所示。

圖3 不同距離處橫向頻譜圖

由圖3可知，隨著距離的增加，橫向優勢頻率64 Hz的加速度值由7.5 m處的24.74 mm/s2衰減至45 m處的0.61 mm/s2，衰減量為24.13 mm/s2；同時，另一優勢頻率9.6 Hz的加速度值由7.5 m處的21.98 mm/s2衰減至45 m處的5.49 mm/s2，衰減量達16.49 mm/s2。這表明橫向優勢頻率隨距離的變化規律與垂向和縱向存在一定差異，橫向振動的高頻和低頻成分均衰減較快。

綜合表2和圖3，隨著距離的增大，不管是垂向、縱向還是橫向，振動優勢頻率均由高頻向低頻變化，遠場振動均表現為低頻占優。

4 三向振動加速度級對比分析

4.1 未計權三向加速度級對比分析

未計權三向加速度級如圖4所示。

圖4表明，未計權三向加速度級中，橫向最大，縱向次之，垂向最小，不管在近場還是遠場，水平向未計權加速度級均大于垂向。橫向與縱向及垂向未計權加速度級間的差值分別為0 dB～3.1 dB和5.8 dB～7.3 dB，均小于8 dB，因此不能隨意忽略某向振動。在近場，三向振動未計權加速度級均衰減較快，遠場三向振動衰減速率有所減緩。近場橫向加速度級大于縱向，但在30 m至45 m之間，二者已基本相等。因此，從振動能量傳播方面來說，地面三向振動均不可忽略。

圖4 未計權三向加速度級

4.2 計權后三向加速度級對比分析

根據 GB/T 13441.1-2007（ISO 2631-1:1997）給出的1/3倍頻程下基本頻率計權[10]，對垂向振動采用Wk計權，縱向、橫向振動采用Wd計權，結果如圖5所示。

圖5 計權后三向加速度級

圖5表明，垂向計權加速度級在整個測試區間內均大于縱向和橫向，垂向比水平向加速度級高2.8 dB～5.7 dB。這表明即使經過計權后，縱向和橫向振動也不能隨意忽略。

未計權的振動加速度是客觀量，反映了振動幅值絕對值大小，而計權后的加速度是主觀量，反映了人體對于振動的響應。在研究高速鐵路運營引起的振動能量隨距離的衰減時，應考慮三向振動；而在進行高速鐵路振動的環境影響評價時，可以垂向振動為主，水平向振動為輔。

5 結語

通過對成渝高鐵高架橋段地面三向振動現場測試結果進行時域和頻域分析，得到以下結論。

（1）地面三向振動加速度幅值及有效值均隨距離的增大而衰減；三向振動能量近場主要集中在6 Hz～72 Hz范圍內，高頻振動較低頻振動衰減快，三向振動在遠場優勢頻率均趨向于10 Hz左右；

（2）地面橫向、縱向振動未計權加速度級均較垂向振動大，但三者之間的差值均小于8 dB，從振動能量傳播方面來說，三向振動均不宜忽略；

（3）地面垂向計權加速度級大于縱向和橫向，但橫向與垂向計權加速度級相差不大，建議在進行高速鐵路振動的環境影響評價時，以垂向振動為主，水平向振動為輔。