地鐵沿線建筑物室內振動樓層分布試驗研究

田野

（同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

作者簡介：田野（1979-），男，博士，從事軌道交通減振降噪技術研究。

城市軌道交通在運營過程中，列車車輪與鋼軌之間產生沖擊振動，經過軌枕、道床，傳遞至隧道或橋梁基礎，再傳遞給地面，并通過周圍地層向外傳播，進一步誘發鄰近建筑物室內振動和二次噪聲，對建筑物的結構安全及其居民的工作和日常生活產生影響[1]。

振動在建筑物層間的傳遞受振源距離、頻譜特性、建筑結構自振特性等多重因素影響，其分布規律較為復雜。部分研究表明[2]，地鐵沿線建筑物室內振動隨樓層增高而逐漸減小。為進一步探討室內振動樓層分布規律，選取某地鐵沿線建筑進行振動測試，分析振動傳遞規律，為后續減振降噪研究提供實測數據支撐。

1 振動測試概況

振動測試選取某地鐵線路一側的9 層框架結構商場建筑，線路中線距離建筑物外墻約22m。此建筑物層高4.5m，主體結構已封頂，尚未砌筑隔墻。測試斷面選取建筑物最接近線路的角柱位置，距離線路中線約22m。測點布置在1～5 層樓板上(參見圖1、圖2)。地鐵線路在測試斷面位置為緩和曲線，埋深6.3m，列車為6 節編組A 型車，行駛速度約58～60km/h。

圖1 振動測試現場照片

圖2 振動測試測點布置示意圖

測試傳感器采用壓電加速度傳感器，采集垂向振動信號，并經信號調理器放大處理。

2 室內振動時程

測試數據經截取和篩選，獲得不同時刻地鐵運營引起的建筑物室內振動加速度時程數據，選取某時刻數據，如圖3 所示：

圖3 某時刻樓層垂向振動加速度時程(單位：m/s2)

從圖3 中可知，不同樓層時程最大值基本相仿，為0.01m/s2左右，但背景振動差異明顯，隨著樓層增高，從0.001m/s2逐漸增大到0.005m/s2左右，導致列車引起的建筑物振動逐漸“淹沒”在背景振動之中。

3 室內振動振級

對測試獲取的室內垂向加速度時程數據按照《GB 10071-88 城市區域環境振動測量方法》中的規定，計算振動加速度Z 振級VLzmax和累計百分Z 振級LVz10。具體結果參見表1、圖4：

表1 地鐵引起的建筑物室內振動加速度振級(dB)

圖4 室內振動加速度振級樓層分布圖

對比《GB 10070-88 城市區域環境振動標準》中關于混合區和商業中心區晝間75dB、夜間72dB 的限值可知，地鐵引起的建筑物室內振動振級不超標。

此外，從上述振級數值可知，室內振動加速度Z 振級VLzmax隨著樓層增高從1 層的53.29dB 逐漸增大到5層的59.34dB，增加了6.05dB；VLz10從52.58dB 增大到58.27dB，增加了5.69dB。

顯然室內振動從底層到高層呈現逐漸增大的分布規律。為探究其原因，繪制不同樓層室內振動的1/3 倍頻程圖形，如圖5、表2 所示：

表2 不同樓層1/3 倍頻程垂向加速度振級(dB)

圖5 不同樓層1/3 倍頻程垂向加速度振級示意圖(dB)

從圖5 中可以看出，不同頻段的振動其分頻振級數值和樓層分布差異較大。其中10Hz、40～50Hz 左右其分頻振級最大；10Hz 振動隨著樓層增加從38.33dB 迅速增大 到 52.81dB； 而 40Hz 振 動 從 50.27dB 增 大 到51.11dB，50Hz 振動從46.49dB 增大至50.60dB，增加值并不明顯。

顯然，本案例中地鐵引起的建筑物室內振動隨樓層增加逐漸增大的現象主要由10Hz 左右分頻振動的樓層分布規律所控制。

4 室內背景振動分析

為進一步分析室內振動不同頻段的含義與決定因素，分析測試數據中背景振動的規律。振級數值參見表3，樓層分布參見圖6：

表3 室內背景振動加速度振級(dB)

圖6 室內背景振動加速度振級樓層分布圖

從上述振級數值可知，室內背景振動VLzmax隨著樓層增高從1 層的42.37dB 逐漸增大到5 層的52.30dB，增加了9.93dB；VLz10從39.89dB 增大到50.05 dB，增加了10.16dB。相較于地鐵引起的室內振動，背景振動的振級隨著樓層增高其增加速度更快，從而導致較高樓層的地鐵運營引起的室內振動逐漸“淹沒”在室內背景振動之中。

進一步繪制室內背景振動的1/3 倍頻程圖形，如圖7、表4 所示：

圖7 背景振動1/3 倍頻程垂向加速度振級示意圖(dB)

表4 背景振動1/3 倍頻程垂向加速度振級(dB)

從圖7 中可以看出，背景振動分頻振級峰值主要是10Hz 頻段，且其樓層分布規律也呈現隨樓層增加逐漸增大的現象，即從1 層的28.65dB 增大到5 層的43.20dB。易知這種規律是受結構自振特性的影響[3]，即10Hz 頻率是結構豎向振動頻率值，且其對應振型幅值逐層增大。

5 結構自振特性分析

為進一步確認上述頻率值為結構豎向振動頻率，對測試的建筑物建立有限元模型，分析其自振特性。其前11 階振型為平動、扭轉振型，第12 階豎向振動振型如圖8 所示：

圖8 建筑物豎向振動振型

第12 階自振頻率值為9.4Hz，與前述10Hz 值較為接近。

通過對背景振動和結構自振特性的分析，可知地鐵運營引起的建筑物室內振動，其頻率成份中的10Hz 頻段受結構豎向自振特性影響發生共振，振幅逐層放大，而原振幅最大的P2 共振頻率40～50Hz 頻段則變化不明顯。不同頻段振幅的不同變化規律的組合，導致了建筑物室內振動呈現出隨樓層增加逐漸增大的規律。

6 結論

本文通過對地鐵沿線建筑物室內振動的測試與數據分析，揭示了一種室內振動樓層分布規律。

6.1 地鐵運營引起的建筑物室內振動以及室內背景振動均逐層增大，背景振動增大速度較快。

6.2 本案例中，10Hz 頻段受結構豎向自振特性影響發生共振，振幅逐層放大，而其它頻段變化較小。不同頻段振幅的不同變化規律的組合，導致了建筑物室內振動呈現出隨樓層增加逐漸增大的規律。

6.3 地鐵運營傳遞至地面的振動的頻譜特性與列車車型、車速、軌道結構、線路埋深、建筑物與線路距離[4]等因素相關，在此基礎上疊加結構豎向自振特性因素，可望獲得多種室內振動樓層分布規律。