地鐵車輛段天車運(yùn)行引發(fā)上蓋物業(yè)振動(dòng)試驗(yàn)研究*

劉堂輝 涂勤明 羅信偉 陳艷明 馮青松

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，510010，廣州；2.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，330013，南昌 ∥ 第一作者，高級(jí)設(shè)計(jì)師)

0 引言

為充分利用地鐵車輛段地面和地上空間，不少城市嘗試在地鐵車輛段上蓋進(jìn)行物業(yè)開發(fā)。然而，地鐵車輛段上蓋物業(yè)的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題不容忽視。地鐵檢修庫(kù)天車在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)牛腿—柱子—車輛段平臺(tái)傳至上蓋建筑，從而引起上蓋建筑的振動(dòng)，進(jìn)而誘發(fā)二次結(jié)構(gòu)噪聲。若人長(zhǎng)期暴露在嚴(yán)重的振動(dòng)和低頻噪聲環(huán)境下，人體的心血管和神經(jīng)系統(tǒng)等生理功能可能會(huì)受到一定的損害。因此控制車輛段上蓋物業(yè)的振動(dòng)和噪聲成為上蓋物業(yè)是否開發(fā)成功的關(guān)鍵。

隨著地鐵車輛段上蓋物業(yè)這類工程的不斷發(fā)展，不少學(xué)者開始關(guān)注這類結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題。文獻(xiàn)[1-3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了地鐵車輛段列車振動(dòng)源強(qiáng)特性，并且建立了基于車輛段上蓋物業(yè)振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)的精細(xì)化有限元模型。文獻(xiàn)[4]通過(guò)地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了沈陽(yáng)某地鐵車輛段上蓋雙子樓結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。文獻(xiàn)[5-8]對(duì)廣州和深圳的地鐵車輛段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了車輛段內(nèi)地鐵振動(dòng)在車輛段地面及上蓋建筑物內(nèi)的振動(dòng)傳播規(guī)律，并采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了建筑物內(nèi)輻射的結(jié)構(gòu)噪聲。文獻(xiàn)[9]提出了預(yù)測(cè)地鐵車輛段上蓋建筑振動(dòng)的阻抗模型，該模型計(jì)算效率較高，適用于車輛段建設(shè)初期的初步預(yù)測(cè)評(píng)估。文獻(xiàn)[10]提出了屏障減振措施，對(duì)比分析了屏障不同寬度、深度及填充材料的減振效果。文獻(xiàn)[11-12]對(duì)某高架車輛段上蓋七層住宅樓振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)和理論分析，理論模型采用二維車輛-軌道耦合模型和三維車輛段結(jié)構(gòu)有限元模型，并采用動(dòng)力剛度法預(yù)測(cè)了上蓋建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。文獻(xiàn)[13]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和三維有限元模型分析了試車線和檢修線雙振源作用下車輛段上蓋建筑物的振動(dòng)特性。文獻(xiàn)[14]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了某下沉式雙層地鐵車輛段咽喉區(qū)的振動(dòng)源強(qiáng)特性及振動(dòng)在車輛段平臺(tái)的傳播規(guī)律。

上述研究更多關(guān)注地鐵列車運(yùn)行引起的車輛段及上蓋建筑物的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，對(duì)天車運(yùn)行引起車輛段的振動(dòng)問(wèn)題研究還較少。地鐵車輛檢修過(guò)程中需要使用天車，天車在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)同樣不可忽視。與地鐵列車運(yùn)行引起車輛段上蓋物業(yè)振動(dòng)不同，天車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞路徑為軌道—牛腿—柱子—車輛段平臺(tái)—上蓋建筑物，振動(dòng)能量不經(jīng)過(guò)土體的衰減直接傳至上蓋建筑物?；诖?，本文結(jié)合廣州某地鐵車輛段，通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段對(duì)天車運(yùn)行引起的振動(dòng)源強(qiáng)和上蓋建筑物振動(dòng)進(jìn)行研究，掌握天車的振動(dòng)源強(qiáng)特性及其在車輛內(nèi)的振動(dòng)傳播特征及規(guī)律，以期為地鐵車輛段減振設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 工程概況

廣州某地鐵車輛段主要由運(yùn)用庫(kù)、調(diào)機(jī)及工程車庫(kù)、聯(lián)合檢修庫(kù)、試車線構(gòu)成，其中天車主要在聯(lián)合檢修庫(kù)。車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)包括住宅、商業(yè)、休閑娛樂(lè)、幼兒園、學(xué)校等。住宅共61棟，其中54#樓—61#樓位于聯(lián)合檢修庫(kù)上方。本文試驗(yàn)斷面正上方為57#樓，該棟樓為疊墅，共3層，測(cè)試期間主體結(jié)構(gòu)已完工。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)工況

聯(lián)合檢修庫(kù)天車振動(dòng)源強(qiáng)共布置2個(gè)斷面：斷面一為天車軌道無(wú)縫斷面，編號(hào)為L(zhǎng)31-1；斷面二為天車軌道接縫斷面，編號(hào)為L(zhǎng)31-2。兩個(gè)斷面間隔一個(gè)柱間距。分別在兩個(gè)斷面的牛腿處布置振動(dòng)傳感器。此外，在聯(lián)合檢修庫(kù)上蓋57#樓內(nèi)1層和3層樓板中央和柱腳布置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。

本次試驗(yàn)分為2種工況：工況1以最大載重量5 t運(yùn)行，共運(yùn)行10次；工況2以空載運(yùn)行，共運(yùn)行5次。2種工況下的天車運(yùn)行速度約為4 km/h，天車現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行如圖1所示。

圖1 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫(kù)天車運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)

1.3 測(cè)試儀器

本次測(cè)試采集儀采用德國(guó)Head公司SQuadriga III測(cè)試系統(tǒng)，源強(qiáng)處振動(dòng)傳感器采用PCB352振動(dòng)加速度傳感器，上蓋建筑物內(nèi)采用941B型振動(dòng)加速度傳感器。源強(qiáng)處和上蓋建筑物內(nèi)振動(dòng)采樣頻率為500 Hz。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 振動(dòng)源強(qiáng)分析

聯(lián)合檢修庫(kù)在各工況下源強(qiáng)處振動(dòng)加速度響應(yīng)如表1所示，兩斷面牛腿處振動(dòng)時(shí)頻域分析如圖2～3所示?？梢钥闯?，各測(cè)次振動(dòng)加速度級(jí)離散性較小，測(cè)試結(jié)果比較理想。當(dāng)天車以最大載重量在聯(lián)合檢修庫(kù)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，無(wú)縫處和鋼軌接縫處牛腿的振動(dòng)加速度級(jí)均值分別為94.3 dB和97.6 dB。當(dāng)天車空載在聯(lián)合檢修庫(kù)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，無(wú)縫處和鋼軌接縫處牛腿的振動(dòng)加速度級(jí)均值分別為96.2 dB和99.2 dB。接縫處振動(dòng)加速度明顯較大

表1 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫(kù)源強(qiáng)振動(dòng)加速度級(jí) 單位：dB

圖2 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫(kù)斷面L31-1牛腿不同工況下的振動(dòng)時(shí)頻域響應(yīng)圖

圖3 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫(kù)斷面L31-2牛腿不同工況下的振動(dòng)時(shí)頻域響應(yīng)圖

于無(wú)縫處，兩者相差有3～4 dB。建議車輛段內(nèi)天車軌道使用無(wú)縫鋼軌，從而達(dá)到減小振動(dòng)源強(qiáng)的目的。與天車以最大載重量工況運(yùn)行相比，同一速度(4 km/h)下天車空載運(yùn)行引起的振動(dòng)源強(qiáng)響應(yīng)比滿載工況還大，兩者相差1～2 dB。天車運(yùn)行過(guò)程中，牛腿處振動(dòng)頻率分布較為分散，其中卓越頻率分布在100～150 Hz頻段。

2.2 上蓋建筑物振動(dòng)分析

車輛段上蓋建筑物室內(nèi)振動(dòng)評(píng)價(jià)量為Z振級(jí)(見(jiàn)表2)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 50355—2018《住宅建筑室內(nèi)振動(dòng)限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]。聯(lián)合檢修庫(kù)天車運(yùn)行誘發(fā)建筑物振動(dòng)響應(yīng)如表3所示?？梢钥闯?，天車以滿載在聯(lián)合檢修庫(kù)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，上蓋建筑物1層和3層樓板中央Z振級(jí)均值分別達(dá)到81.2 dB和84.9 dB，超過(guò)規(guī)范二級(jí)限值3～6 dB，這可能由于吊車振動(dòng)直接通過(guò)牛腿—柱子—上蓋平臺(tái)傳至上蓋建筑物，振動(dòng)能量不經(jīng)過(guò)土體的衰減直接傳至上蓋建筑物，而混凝土結(jié)構(gòu)阻抗較小，從而造成吊車運(yùn)行引起上蓋建筑物的振動(dòng)響應(yīng)較大。因此,在車輛段設(shè)計(jì)過(guò)程中,除了關(guān)注列車引起振動(dòng)外，還需重點(diǎn)關(guān)注天車運(yùn)行誘發(fā)上蓋物業(yè)的振動(dòng)。由于柱腳處受到梁和柱的約束作用，因此柱腳處的振動(dòng)小于樓板中央的振動(dòng)，兩者相差10～15 dB左右。吊車運(yùn)行引起上蓋建筑物振動(dòng)從1層傳至3層時(shí)，柱腳和板中振動(dòng)均有所放大。

表2 標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50355—2018中規(guī)定的住宅建筑室內(nèi)Z振級(jí)限值 單位：dB

表3 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫(kù)天車誘發(fā)上蓋物業(yè)57#樓Z振級(jí) 單位：dB

天車運(yùn)行誘發(fā)上蓋建筑物樓板中央和柱腳的1/3倍頻如圖4～5所示。從圖中可以看出，建筑內(nèi)1層板中振動(dòng)峰值發(fā)生在31.5 Hz，3層板中振動(dòng)峰值發(fā)生在25.0 Hz，這可能與樓板構(gòu)造有關(guān)，3層樓板厚度小于1層樓板，導(dǎo)致3層樓板剛度小于1層樓板，使得3層樓板的振動(dòng)峰值頻率小于一層樓板。天車以滿載和空載兩種工況運(yùn)行時(shí)，板中和柱腳振動(dòng)在6.0～12.5 Hz頻段有一定差異，在該頻率范圍，天車以滿載工況運(yùn)行引起上蓋建筑的振動(dòng)大于空載的工況，而在其它頻率范圍則相差不大。

圖4 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫(kù)天車誘發(fā)上蓋物業(yè)57#樓樓板中央測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程圖

圖5 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫(kù)天車誘發(fā)上蓋物業(yè)57#樓柱腳測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程圖

2.3 振動(dòng)傳遞分析

天車運(yùn)行引起振動(dòng)在牛腿-上蓋建筑物傳遞1/3倍頻如圖6所示。從圖中可以看出：振動(dòng)從上蓋建筑物內(nèi)1層柱腳向3層柱腳傳遞過(guò)程中，在3 Hz以內(nèi)和80 Hz以上頻率范圍會(huì)有一定衰減，而在30～60 Hz頻段則會(huì)有一定的放大，在5～20 Hz頻段基本沒(méi)有變化。在分析頻率范圍內(nèi)，1層和3層柱腳振動(dòng)相比振源牛腿處有明顯衰減；在50 Hz以上，頻率越高衰減越大；在200 Hz處衰減最大，達(dá)到30～40 dB。

圖6 廣州某地鐵車輛段聯(lián)合檢修庫(kù)天車運(yùn)行振動(dòng)傳遞1/3倍頻圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)天車運(yùn)行引起地鐵車輛段上蓋建筑物振動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，基于試驗(yàn)結(jié)果分析了天車振動(dòng)源強(qiáng)、上蓋建筑物振動(dòng)特性和振動(dòng)傳遞規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1) 天車在車輛段運(yùn)行時(shí)，接縫處牛腿振動(dòng)加速度明顯較大于無(wú)縫處，兩者相差3～4 dB。建議車輛段內(nèi)天車軌道使用無(wú)縫鋼軌，以達(dá)到減小振動(dòng)源強(qiáng)的目的。

2) 天車振動(dòng)能量通過(guò)阻抗較小的混凝土結(jié)構(gòu)直接傳至上蓋建筑物，從而造成吊車運(yùn)行引起上蓋建筑物的振動(dòng)響應(yīng)較大。因此，在車輛段設(shè)計(jì)過(guò)程中，除關(guān)注列車引起振動(dòng)外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注天車運(yùn)行誘發(fā)上蓋物業(yè)的振動(dòng)。

3) 天車以滿載和空載兩種工況運(yùn)行時(shí)，上蓋建筑物內(nèi)樓板中央和柱腳振動(dòng)在6.0～12.5 Hz頻段有一定差異，在該頻率范圍，天車以滿載工況運(yùn)行引起上蓋建筑的振動(dòng)大于空載工況，而在其它頻率范圍則相差不大。

4) 天車引起的振動(dòng)從上蓋建筑物1層柱腳向3層柱腳傳遞時(shí)，Z振級(jí)出現(xiàn)一定的增大。在小于3 Hz以內(nèi)和大于80 Hz頻率范圍會(huì)有一定衰減，而在30～60 Hz頻段則會(huì)出現(xiàn)一定的放大，在5～20 Hz頻段基本沒(méi)有變化。