雙層車輛段上蓋建筑振動及結(jié)構(gòu)噪聲特性分析?

農(nóng)興中， 羅信偉， 馮青松， 陳艷明， 余 超， 劉慶杰

（1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣州，510010）

（2.華東交通大學鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心 南昌，330013）

引 言

我國正大力推動軌道交通發(fā)展［1］，地鐵作為現(xiàn)代城市的重要交通工具之一，具有客流量大、安全、準時、方便及舒適等優(yōu)點。目前，國內(nèi)外仍是以地面單層車輛段為主。雙層車輛段相比地面單層車輛段，進一步提高了土地的利用率，相同的面積可以停放更多列車，在土地緊張且列車眾多的大城市更加適用。雖然雙層式車輛段應用前景廣闊，但地鐵在其中運行時對環(huán)境振動產(chǎn)生的影響同樣不容忽視［2-4］，其中既包括振動超標，也存在振動引發(fā)的二次結(jié)構(gòu)噪聲超標問題。與單層車輛段不同，地鐵在2 層運行時，振動不經(jīng)過土體衰減作用，直接由立柱上傳至平臺，從而對上蓋建筑物內(nèi)居民生活舒適度造成影響。

國內(nèi)外已有關于地鐵運行引起上蓋建筑振動傳播規(guī)律的現(xiàn)場測試及分析報道［5-8］。Liu［9］測試了某隧道不同測點的振動加速度，對位于振動敏感區(qū)建筑物內(nèi)部的振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲進行采集分析，研究了振源特性及其引發(fā)的地面振動傳播規(guī)律。Zou等［10-11］通過對廣州和深圳某車輛段咽喉區(qū)和試車線進行現(xiàn)場實測，分析了振動在地面和建筑物的傳播規(guī)律，得知振動能量通過立柱上傳至平臺時，會導致某些頻段范圍內(nèi)平臺振動放大。馮青松等［12］以廣州某地鐵車輛段為研究對象，實測了試車線與庫內(nèi)線列車運行引起的地面振動加速度，并建立車輛段上蓋建筑模型，分析雙振源激勵對上蓋建筑物樓板振動的影響。陳艷明等［13］實測分析了下沉式車輛段地鐵振動沿蓋板的傳播規(guī)律，并結(jié)合國內(nèi)相關標準進行了評價。

上述研究主要分析地下線路或單層車輛段上蓋建筑物的振動噪聲問題，而對雙層車輛段車致振動沿上蓋建筑傳播特性及其引發(fā)的二次結(jié)構(gòu)噪聲問題研究較少。為掌握地面雙層車輛段咽喉區(qū)振動傳播規(guī)律，筆者對深圳橫崗雙層車輛段咽喉區(qū)及其上蓋建筑進行現(xiàn)場實測，通過對測試結(jié)果進行頻譜分析與相關性分析，研究振動傳播規(guī)律及其與建筑物內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲之間的聯(lián)系。研究結(jié)果可為地鐵車輛段及上蓋建筑減振降噪設計提供參考依據(jù)。

1 現(xiàn)場測試

該雙層車輛段為典型雙層車輛基地，上蓋大平臺（平臺高為12.3 m），平臺之上為架空層（層高為5.6 m），架空層之上為住宅。上蓋結(jié)構(gòu)類型為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)，總高度為13 層52 m，安全等級為二級，車輛段建筑與上蓋物業(yè)之間無特殊減振結(jié)構(gòu)。本次測試斷面布置在振動情況最復雜的咽喉區(qū)（1 層為L63 道岔，2 層為L-13 股道），3#居民樓距離咽喉區(qū)位置最近，為振動和噪聲敏感區(qū)域，其中咽喉區(qū)和上蓋建筑測點布置如圖1 所示。上蓋建筑中的振動與噪聲測點均布置在每層樓板中心位置，噪聲測點距離地面1.2 m。測試期間保證門窗緊閉，防止空氣噪聲造成干擾，影響測試結(jié)果。本次測試共采集20 組列車出庫時經(jīng)過咽喉區(qū)的數(shù)據(jù)，并分別在1，2 層選取4 組測試結(jié)果良好的行車數(shù)據(jù)作為對比工況進行分析。

圖1 測點布置圖（單位：m）Fig.1 Schematic diagram of measuring points (unit:m)

測試采用的數(shù)據(jù)采集儀包括NI CRIO-9031 和SQuadriga III 測試 系 統(tǒng)、DIC24 和NI9181 便 攜 式 數(shù)據(jù)采集儀。其中：NI CRIO-9031 用于車輛段內(nèi)振動源強測試，并采用觸發(fā)采樣的方式進行監(jiān)測；NI9181 便攜式數(shù)據(jù)采集儀、SQuadriga III 和DIC24數(shù)據(jù)采集儀用于車輛段上蓋建筑物內(nèi)振動噪聲測試?，F(xiàn)場測點布置如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場測點布置圖Fig.2 Field layout of measuring points

2 測試結(jié)果及分析

2.1 環(huán)境振動及噪聲評價方法

2.1.1 振動評價方法

振動對于建筑物和人體的影響主要表現(xiàn)在振動能量方面，而加速度有效值是反映振動能量的重要指標。通常以振動加速度級分析振動傳播規(guī)律，定義為

其中：aref=10-6m/s2，為基準加速度；arms為振動加速度有效值。

按規(guī)定的頻率計權(quán)曲線對振動加速度級計權(quán)修正后得到的單值評價量，稱為振動級VL。在對建筑物振動評價時，采用全身振動Z 計權(quán)因子對振動級進行修正，記為Z 振級VLZ。

2.1.2 噪聲評價方法

為了描述人耳對聲音強弱變化響應的特性，引入聲壓級的概念來表示聲音的大小。聲壓級LP的表達式為

其中：pref=2×10-5Pa，為基準聲壓；prms為聲壓有效值。

由于聲壓級只反映聲音強弱對人體的影響，為了使聲音的客觀度量和人耳主觀感覺一致，采用A計權(quán)網(wǎng)絡對聲壓級進行修正，記為A 聲級LA。

2.2 振動源強特性

咽喉區(qū)1 層和2 層測點時頻圖分別如圖3，4 所示。由圖可知，由于道岔的沖擊作用，咽喉區(qū)1 層測點主頻帶相較于2 層的主頻帶更寬。對于1 層軌枕測點，其主頻段在50~500 Hz；2 層測點有較明顯的主頻段，軌枕主頻集中在50~300 Hz 之間；承重柱主頻集中在50~100 Hz 之間。其中，振動在軌枕傳至承重柱時，1 層和2 層均在大于150 Hz 的高頻區(qū)間下降迅速。

圖3 咽喉區(qū)1 層測點時頻圖Fig.3 Time-frequency spectrum of the 1st floor of throat area

圖4 咽喉區(qū)2 層測點時頻圖Fig.4 Time-frequency spectrum of the 2nd floor of throat area

咽喉區(qū)測點振動響應如表1所示。由表可知：1層軌枕垂向加速度峰值和振動加速度級均大于2 層；1 層承重柱垂向加速度峰值和振動加速度級均小于2 層。這主要是因為1 層軌道位于地下基礎上，而2 層軌道直接位于混凝土板上，1 層軌枕的支承剛度遠大于2 層，且軌枕振動的高頻部分又被基礎土層吸收一部分，導致1 層振動從軌枕傳至承重柱衰減大于2 層。

表1 咽喉區(qū)測點振動響應Tab.1 Vibration response of measuring point

圖5 為咽喉區(qū)測點1/3 倍頻程圖。由圖可知：1 層軌枕振動加速度級全程都大于2 層軌枕；8~80 Hz 頻段內(nèi)，1 層承重柱振動加速度級大于2 層承重柱；80 Hz 以上頻段，1 層承重柱振動加速度級小于2 層承重柱；2 層軌枕和2 層承重柱1/3 倍頻程變化趨勢一致，在12.5~80 Hz 頻段內(nèi)上升迅速，并在中心頻率80 Hz 處達到峰值，然后略微下降再緩慢上升；1 層軌枕在50 Hz 以上頻段呈上升趨勢，而1 層承重柱呈下降趨勢。

圖5 咽喉區(qū)測點1/3 倍頻程Fig.5 1/3 octave band spectrum of throat area

為了更直觀地展現(xiàn)振動從軌枕至承重柱的傳遞損失，采用分頻段傳遞損失比來分析其衰減情況。分頻段傳遞損失比［14］可定義為

其中：ηi為軌枕-承重柱第i個1/3 倍頻段的傳遞損失比；Ti為軌枕 第i個1/3 倍頻段 振 動 加速 度 級；Bi為承重柱第i個1/3 倍頻段振動加速度級。

軌枕-承重柱分頻傳遞損失比如圖6 所示，可以看出：1 層軌枕-承重柱振動加速度損失比始終大于2 層；1 層傳遞損失比最大為0.62，2 層傳遞損失比最大為0.55；在25~80 Hz 頻段內(nèi)，傳遞損失比達到最低水平；在80 Hz 以上頻段，1 層損失比上升速度明顯大于2 層，這說明1 層振動源強高頻衰減速度要明顯大于2 層。

圖6 軌枕-承重柱分頻傳遞損失比Fig.6 Transfer loss ratio of sleeper-column frequency division

由此可知，即使1 層軌枕處振動響應大于2 層軌枕，但在傳播過程中由于高頻段的能量迅速損耗，導致1 層承重柱的振動響應小于2 層。

2.3 振動及二次結(jié)構(gòu)噪聲傳播規(guī)律

2.3.1 振動傳播規(guī)律

為分析咽喉區(qū)1，2 層行車沿上蓋建筑物的傳播規(guī)律，測試記錄列車分別通過車輛段1 層L63 道岔和2 層L-13（分別記為工況1 和工況2）時，3#各樓層測點的振動響應。

表2 為3#樓Z 振級統(tǒng)計表。由表可知，當列車經(jīng)過咽喉區(qū)2 層L-13 股道時，各樓層Z 振級比經(jīng)過1 層L63 道岔時的大2~8 dB。按照表2 各測點Z 振級數(shù)據(jù)，將其分為列車1 層通過和2 層通過2 種工況，上蓋建筑各樓層Z 振級如圖7 所示。除頂層外，各樓層Z 振級變化并不明顯，頂層則出現(xiàn)了一定的振動放大現(xiàn)象。這可能是由于振動沿樓層傳至頂層時，上部已無傳遞能量結(jié)構(gòu)，這時入射波與反射波的疊加作用使得能量放大。

表2 3#樓Z 振級統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of Z vibration level of the 3rd building

圖7 上蓋建筑各樓層Z 振級Fig.7 Z vibration level of each measuring point of the over-track building

為進一步研究建筑結(jié)構(gòu)對振動傳遞的影響，繪制咽喉區(qū)1，2 層行車時引起3#樓各層1/3 倍頻程如圖8 所示。由圖可以看出，在50 Hz 范圍內(nèi)，各樓層1/3 倍頻程中心頻率對應的加速度級相差較小，其衰減主要出現(xiàn)在50 Hz 以上。其中：頂層在50 Hz 范圍內(nèi)加速度級大于其他各樓層，而在50 Hz 以上衰減迅速；各樓層加速度級在頻率8 Hz 處存在峰值，這可能是由于測點所處樓板在該頻段處有局部彎曲振動模態(tài)。

圖8 各樓層振動1/3 倍頻程Fig.8 1/3 octave band spectrums of each floor vibration

2.3.2 二次結(jié)構(gòu)噪聲傳播規(guī)律

地鐵經(jīng)過時產(chǎn)生的振動通過土層傳遞到周圍建筑物基礎，引起建筑物振動，進而引發(fā)結(jié)構(gòu)的二次結(jié)構(gòu)噪聲。人體能感知到的聲音頻率范圍在20 Hz~20 kHz，在封閉空間內(nèi)，室外高頻空氣噪聲對室內(nèi)聲場影響不大，室內(nèi)聲音主要由列車運行時建筑物結(jié)構(gòu)振動引發(fā)?；诖耍治隽说罔F列車經(jīng)過咽喉區(qū)時周圍建筑物內(nèi)產(chǎn)生的二次結(jié)構(gòu)噪聲時頻特性。

選取上蓋建筑-1 層噪聲測點，當列車分別經(jīng)過咽喉區(qū)1 層和2 層時，上蓋建筑-1 層二次結(jié)構(gòu)噪聲時頻如圖9 所示。相較于背景噪聲，車致振動引發(fā)的二次結(jié)構(gòu)噪聲在40~60 Hz 出現(xiàn)明顯的放大效應，預測這是建筑物中容易激發(fā)的噪聲頻段。

圖9 上蓋建筑-1 層二次結(jié)構(gòu)噪聲時頻圖Fig.9 Time-frequency spectrum of secondary noise on the1st floor underground of the over-track building

2.3.3 振動和二次結(jié)構(gòu)噪聲相關性分析

列車分別在車輛段1，2 層行車時，上蓋建筑-1 層振動及二次結(jié)構(gòu)噪聲1/3 倍頻程如圖10 所示。不論是1 層行車還是2 層行車，-1 層振動加速度級和二次結(jié)構(gòu)噪聲聲壓級均在40 Hz 附近達到最大值，然后整體呈遞減趨勢。其中80 Hz 以上頻段，1 層行車引起的振動及二次結(jié)構(gòu)噪聲響應均明顯小于2 層行車，這是由于1 層行車時，80 Hz 以上高頻能量經(jīng)過土層大幅衰減。

分別計算出列車1 層運行和2 層運行時，上蓋建筑物內(nèi)各層測點振動總級值與二次結(jié)構(gòu)噪聲總級值，對其進行線性回歸分析，得到振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲相關性擬合曲線如圖11 所示，擬合度分別為0.92和0.95，基本證明了二次結(jié)構(gòu)噪聲和車致上蓋建筑物振動之間的相關性。

圖11 振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲相關性擬合曲線Fig.11 Fitting curve of correlation between vibration and secondary structure noise

進一步利用振動信號X(t)和噪聲信號Y(t)的互功率譜SXY(ω)分析兩信號間在不同頻率點上的相關性，互功率譜密度函數(shù)定義如下

其中：RXY為互相關函數(shù)。

SXY(ω)越大，表明兩信號的相應頻率關聯(lián)度越高；若SXY(ω)=0，表明其相應頻率分量正交。

咽喉區(qū)1，2 層行車時，上蓋建筑-1 層振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲互譜分析見圖12。在頻率為40 Hz 附近，振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲之間的相關性最大，即樓板振動輻射噪聲對二次結(jié)構(gòu)噪聲貢獻主要在40 Hz附近。

圖12 振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲互譜分析Fig.12 Cross spectrum analysis of vibration and secondary structure noise

2.4 單個頻率段振動及噪聲傳播規(guī)律

為研究單個頻率段振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲沿上蓋建筑的傳播規(guī)律，選取1/3 倍頻程中心頻率分別為10，40，80 和125 Hz，繪制各測點振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲隨樓層的變化曲面，并將同頻率不同測點振動加速度級/聲壓級用各異特征曲面連接，各中心頻率處加速度級/聲壓級隨樓層的變化如圖13 所示。

圖13 各中心頻率處加速度級/聲壓級隨樓層的變化Fig.13 Variation trend of acceleration level / sound pressure level at each center frequency with floor

由圖13 可以看出：中心頻率為10 Hz 時，振動加速度級隨樓層增加而增大，而二次結(jié)構(gòu)噪聲聲壓級在頂層出現(xiàn)明顯下降趨勢；中心頻率為80 和125 Hz 時，振動在高層變化趨勢趨向穩(wěn)定，而二次結(jié)構(gòu)存在一定上升趨勢，其中當中心頻率為80 Hz時，在建筑物中層存在振動放大現(xiàn)象；中心頻率為40 Hz 時，無論是1 層行車還是2 層行車，加速度級和聲壓級隨樓層的變化趨勢基本保持一致，即振動在中心頻率為40 Hz 附近處對二次結(jié)構(gòu)噪聲的影響明顯，而到高頻處影響并不直接。由圖10 可知，上蓋建筑-1 層處振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲在40 Hz 附近都達到了峰值，因此在未來考慮車輛段上蓋建筑振動與二次結(jié)構(gòu)噪聲影響時，應重點關注1/3 倍頻程中心頻率40 Hz 處的響應。

2.5 振動及二次結(jié)構(gòu)噪聲評價

2.5.1 上蓋建筑振動評價

由表2 可知，當列車通過咽喉區(qū)時，該棟樓的Z振級均小于GB 10070—1988 《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》中居民、文教區(qū)夜間限值67 dB。由圖8 可知，根據(jù)GB/T 5035—2018 《住宅建筑室內(nèi)振動限值及測量方法標準》對上蓋建筑振動進行評價，各測點均沒有超過對應頻段的1 級限值。

2.5.2 上蓋建筑二次結(jié)構(gòu)噪聲評價

室內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲評價量為等效連續(xù)A 聲壓級，評價標準為JGJ/T 170—2009 《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》，等效A 聲壓級限值取居住、商業(yè)混合區(qū)夜間限值38 dB（A）。當二次結(jié)構(gòu)噪聲測量值與相應背景噪聲值的差值大于3 dB 時，應進行二次結(jié)構(gòu)噪聲修正，3#樓二次結(jié)構(gòu)噪聲聲壓級統(tǒng)計如表3 所示，在-1 層和頂層出現(xiàn)二次結(jié)構(gòu)噪聲值超標的情況。綜上所述，利用Z 振級和分頻振動加速度級作為指標對上蓋建筑振動進行評價時，全部測點均沒有超過相應的規(guī)范限值，但后期仍應采取相應的減振降噪措施，防止振動引發(fā)的建筑物二次結(jié)構(gòu)噪聲超標，同時應重點關注底層和頂層的二次結(jié)構(gòu)噪聲情況。

表3 3#樓二次結(jié)構(gòu)噪聲聲壓級統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of noise pressure level of secondary structure of the 3rd Building dB（A）

3 結(jié) 論

1） 道岔產(chǎn)生的沖擊作用使得1 層軌枕振動加速度級全程都大于2 層軌枕；在8~80 Hz 頻段內(nèi)，1 層承重柱振動加速度級大于2 層承重柱；由于高頻振動經(jīng)過土體衰減迅速，在80 Hz 以上頻段，1 層承重柱振動加速度級小于2 層承重柱。

2） 無 論 在1 層還是2 層 行 車，各樓層Z 振級變化并不明顯，振動沿樓層傳至頂層時，入射波與反射波的疊加作用使得頂層振動能量放大。

3） 在50 Hz 范圍內(nèi)，各樓 層1/3 倍 頻 程 中心頻率對應的振動加速度級相差較小，其衰減主要出現(xiàn)在50 Hz 以上。其中：頂層在50 Hz 范圍以內(nèi)加速度級大于其他各樓層，而在50 Hz 以上衰減迅速；各樓層加速度級在頻率8 Hz 處有峰值，這可能是由于測點所處樓板在該頻段處有局部彎曲振動模態(tài)。

4） 建筑物內(nèi)二次結(jié)構(gòu)噪聲聲壓主頻都在100 Hz 以下，峰值出現(xiàn)在40 Hz 附近，且建筑物中容易激發(fā)的聲音頻段預測在40~60 Hz。振動在1/3倍頻程中心頻率為40 Hz 附近處對二次結(jié)構(gòu)噪聲的影響最為顯著，即樓板振動輻射噪聲對二次結(jié)構(gòu)噪聲貢獻主要在40 Hz 附近，該頻段接近常見建筑物樓板的固有頻率。

5） 各樓層無論是Z 振級還是分頻振動加速度級均達到相應的規(guī)范要求，但是底層和頂層出現(xiàn)了二次結(jié)構(gòu)噪聲超標的現(xiàn)象，這為其他雙層車輛段類似工況下上蓋建筑物振動敏感區(qū)域的選取具有一定的參考價值。