地铁列车引起与地铁线路合建建筑结构振动特性试验研究(修改2)

1、地铁列车引起与地铁合建建筑结构环境振动特性现场试验分析杨肖桂元1基金项目：国家自然科学基金（51108110，51369010）广西区重点实验室项目 （11-CX-01，11-kf-01）第一作者 肖桂元 男 博士生 高级实验师 1976年4月 韦红亮2王志驹1；龙进彬1（ 1、桂林理工大学；广西交通厅）摘要：通过对地铁列车引起与地铁合建建筑结构环境振动响应进行现场试验，从时域和频域角度分析了地铁列车引起合建建筑结构环境振动特性。研究结果表明，在地铁列车荷载作用下，合建建筑结构的振动幅值随距振源距离增大而减小，横向振动响应幅值约为垂向振动响应幅值的0.8倍；合建建筑结构上部结构的振动频率分布特

2、性基本上与地铁线路结构一致，主要集中在2080Hz范围内；合建建筑结构横向环境振动水平虽较垂向环境振动要小，但两者处于同一水平，甚至在部分频率范围内要比垂向速度振动水平要高，横向环境振动对人们工作和生活的干扰不能忽视。关键字：地铁列车；合建建筑；振动特性；现场试验 中图分类号： U 213.313 文献识别码：AOn-situ experiment and analysis of vibration characteristics of the Jointly-Built Structure of Subway and the Buildings Caused by the trainXIAO

3、 Gui-yuan1 , WANG Zhi-ju1 , CHEN Long1, WEI Hong-liang2 (1、Guilin University of Technology a.Guangxi scientific experiment center of mining, metallurgy and environment; b. Guangxi Key Laboratory of geomechnics and Geotechnical Engineering, Guilin 541004;2、Communications Department of Guangxi Zhuang

4、Autonomous Region, Nanning 530012）Abstract: Through on-situ experiments and analysis of vibration characteristics of the Jointly-Built Structure of Subway and the Buildings caused by the metro, this paper analyzes the vibration characteristics of building structures caused by the subway train from t

5、he perspective of the time domain and frequency domain. The research findings show that under the subway train load, the Jointly-Built Structure vibration amplitude decreases with increasing distance from the source, the transverse vibration response amplitude is about 0.8 times of the vertical vibr

6、ation response amplitude; The vibration frequency distribution characteristics of the upper structure of the jointly-built structure is basically consistent with the structure of the subway line, which is mainly concentrated in the range from 20 HZ to 80 HZ. The horizontal environmental vibration le

7、vel of the jointly-built structure is lower than the vertical one, but they are on the same level, and the vibration level is higher than the vertical speed one even in some frequency range ,so the interference in peoples working and living environment brought by lateral vibration should not be igno

8、red.Key words: Subway Trains; Jointly-Built Structure; Vibration characteristics; Field test0.引言随着城市轨道交通建设的蓬勃发展，为了充分利用城市土地空间，将地铁线路结构(如车站、隧道等结构)与地上建筑合建综合开发逐渐成为地铁建设和城市地下空间开发的趋势，通常做法是将地铁线路结构与建筑基础合二为一进行整体性联结，进行同步设计、施工，不仅有利于项目建设的成本，而且有利于项目的综合商业开发，如上海市自然博物馆与13号线共建工程1、上海虹桥高铁车站工程2等项目。在合建结构中，由于地铁线路与上部建筑结构基础进

9、行刚性整体性联结，两者之间没有任何措施对振动进行阻隔，地铁运行时所引起建筑结构环境振动和噪声问题十分显著，极有可能对建筑内人民的工作和生活产生干扰3。国内外对地铁列车引起的环境振动研究大多采用数值模拟的方法4-8和现场试验法9-12。目前，地铁列车引起地面建筑环境振动的理论研究和试验研究已经取得一定成果，但是针对地铁列车引起与线路合建建筑结构环境振动特性方面的试验研究非常匮乏，在工程建设应用中十分迫切需要类似案例的对比试验研究。因此，本文采用现场试验的方法，从时域和频域角度分析了地铁列车引起与地铁线路合建建筑结构环境振动特性，研究结果为城市轨道交通减振降噪技术的研究和应用提供参考和数据支持。1

10、现场试验1.1 试验概况试验地点位于上海虹桥综合交通枢纽京沪高铁虹桥站大楼内，该建筑结构分地上两层、地下两层。地下一、二层为10号线换乘的地铁车站站厅层和站台层，地面层为京沪高铁的站台层，地上一、二层分别为高铁车站的站台层和候车厅。合建建筑结构的横向剖面如图1所示，高铁候车厅房屋盖横向柱网为45m+72m+45m，高铁站台层楼面横向柱网21m+24m×5+21 m；轨道层横向柱网采用18m+21m+24m×5+21m+18m跨距组合；地下一层在横向18m、21m、24 m跨度的跨间部分增加了填充柱网。基础采用桩筏基础，地铁站台层底板厚度为2m，地铁站厅层底板为1.2m。10

11、号线的轨道结构为长枕埋入式轨道，钢轨类型为CHN60，扣件为弹条II型。选择在地铁站台中央位置处以及其正方地铁站厅层、高铁站台层和高铁候车厅中央位置等4个位置分别布置传感器(测点布置图如图1所示)，拾取列车经过时楼板各测点的振动垂直方向、横向（垂直于列车行车方向）速度和加速度信号，采用环氧树脂胶将传感器与楼板面地砖稳固联接，以保证振动响应信号的稳定和可靠。1.2 试验仪器与设备试验仪器主要包括动态信号采集设备和超低频振动拾振器。振动拾振器为941电磁式低频振动传感器（技术参数如表1所示），信号采集设备为INV3020D高性能24位采集系统，采样频率为200 Hz。试验时将拾取加速度信号的传感器

12、调整到加速度档位，而将拾取速度信号的传感器调整到小速度档位，同步拾取列车经过时各楼层的振动响应信号，每楼层布置传感器数量为4只，本试验总共布置16只传感器进行同步测量。 (a)测点布置图 (b)现场试验图图1 环境振动测点布置图Figure 1 The layout of the test point表1 941B振动传感器的技术参数Tab. 1 The technical parameters of 941B vibration sensor技术指标加速度档位小速度档位中速度档位加速度量程/m s-220速度量程/m s-10.1250.3位移量程/mm20200加速度灵敏度（V·

13、s2/m）0.3速度灵敏度（V·s/m）232.4通频带/Hz0.258011000.251001.3 试验荷载试验荷载为上海地铁10号线列车经过时试验断面时作用在钢轨上的荷载，车辆类型为A型车(车辆结构尺寸如图2所示)，车辆自重及载客荷载如表2所示。列车为6节编组形式，列车长度为140m，车辆转向架中心距为15.7m，转向架固定轴距为2.5m，轮径为840mm。为了尽量保证列车荷载达到最大状态（载客密度不小于2/9人m-2），试验时间选择在早晚出行高峰时段，分别为上午6：308：30和下午5：307：30，车速为55km/h，共计测得27组试验数据。表2 车辆自重及荷载表Tab.

14、2 The weight and load of subway vehicle车型载客重量/103kg车辆重量/103kgTCMPMTCMPM6节车空车00032.83637.48212.56载客密度1/4人 m-213.8014.1514.1546.6050.1551.63296.48载客密度2/6人 m-218.7319.4019.4051.5355.4056.88327.62载客密度2/9人 m-224.7725.6825.6857.5761.6863.16364.82注：编组形式为TCMPMMMPTC（TC为带驾驶室的控制车，MP为带受电弓的动车，M为不带受电弓的动车）。 图2 地铁A

15、型车Fig.2 the subway vehicle of A type2时域分析第8组试验数据的地铁站台层（测点1）的振动响应时程信号如图2所示，对各测点振动响应进行时域统计分析，结果如表1所示。(a)垂向振动加速度 (b) 横向振动加速度 (c)垂向振动速度 (d) 横向振动速度图3列车经过时站台层振动响应时程曲线Fig.3 The time history of the acceleration signal表3 时域幅值统计表Tab. 3 The statists of acceleration in time domains测点垂向振动横向振动速度/m s-1加速度/m s-2速度/

16、m s-1加速度/m s-2地铁站台层2.8×10-37.2×10-12.2×10-36.4×10-1地铁站厅层3.8×10-41.2×10-12.4×10-48.0×10-2高铁站台层2.0×10-46.2×10-21.1×10-44.8×10-2高铁候车厅层8.6×10-52.6×10-26.4×10-51.8×10-2图3表明，列车经过时，由于扣件、轨道板等对振动的衰减，各测点的振动响应时程信号已无法辨认出车轮经过时候的具体时刻，

17、但可依然分辨出列车到达、经过和离开的过程，在列车荷载作用下，各测点的振动响应信号呈现明显的周期性和持续性，持续时间约为12s。从表3可以看出，列车荷载作用下，各测点的振动加速度和速度幅值分别处于0.180.80m/s2和6.4×10-5 2.8×10-3 m/s范围内，地铁站台层的振动响应最大，地铁站厅层、高铁站台层和高铁候车厅层依次减小，说明列车引起合建建筑结构的振动幅值随距振源距离增大而减小，但在对于相同测点处的振动加速度响应和速度响应，其横向振动响应幅值均与垂向振动响应幅值同处一个数量级，横向振动响应幅值约为垂向振动响应幅值的0.8倍。3频谱分析为了分析列车经过时合建

18、建筑结构各测点的振动响应频率分布特性，采用周期图法对振动时程响应信号进行频谱分析（窗函数为矩形窗，分析点数为512），得到相应的振动响应频谱曲线，然后求取平均，各测点频谱曲线如图36所示。(a)振动加速度 (b)振动速度图4地铁站台层振动响应频率分布特性Fig.6 The spectrum of subway station platform hall vibration response(a)振动加速度 (b)振动速度图5地铁站厅层振动响应频率分布特性Fig.5 The spectrum of subway station waiting hall vibration response图45

19、表明，列车经过时，地铁站台层和站厅层不论是垂向振动，还是横向振动，加速度响应和速度振动响应的频率分布特性基本一致，垂向振动加速度响应基本上分布在2080Hz范围内，以3555Hz范围内为主，在40Hz处存在峰值；横向振动加速度响应基本上分布在2080Hz范围内，分布相对垂向振动较为均匀，但存在多个峰值；垂向振动速度响应基本上分布在2060Hz范围内，在41Hz处存在峰值；横向振动加速度响应的频率基本上分布在2080Hz范围内，存在多个峰值。(a)振动加速度 (b)振动速度图6 高铁站台层振动响应频率分布特性Fig.6 The spectrum of high speed railway sta

20、tion platform hall vibration response(a)振动加速度 (b)振动速度图7 高铁候车厅振动响应频率分布曲线Fig.7 The spectrum of high speed railway station waiting hall vibration response图67表明，由于高铁车站将自身柱板结构与车站结构进行整体刚性联接，两者之间不存在任何阻隔作用，导致车站结构与合建建筑结构共同成为合建结构，因此，不论是振动加速度，还是振动速度响应，列车经过时引起的地铁站台、站厅层的振动响应轻易就能传播至高铁车站，高铁车站垂向振动响应频率分布特性基本上与地铁车一致，

21、主要分布在3560Hz范围内，在40Hz处存在峰值；横向振动响应也基本上分布在3580Hz范围内，相当比例的振动响应分布在6080Hz范围，在70Hz处存在峰值。此外，不论是加速度振动响应，还是速度振动响应，地铁列车引起的合建建筑结构环境振动频率主要集中在2080Hz范围内，根据车速、轮轨表面不平顺波长和频率的关系，可以求出影响合建建筑结构环境振动的轮轨表面不平顺波长范围为0.020.5m。4.振动水平评价4.1 评价方法为分析列车经过时地面振动水平在频域上的分布特性，对各测点振动响应信号进行1/3倍频程分析得到相应的振级频谱曲线，然后求取平均值，各测点的1/3倍频程振级频谱曲线如图89所示。

22、振动级VL的计算如式(1)所示， (1)其中，为振动级，单位为dB；为振动响应有效值，当信号为速度时，单位为m s-1，当信号为加速度时，单位为m s-2；为振动响应基准值，当信号为速度时，取1×10-9m s-1，当信号为加速度时，取10-6m s-2。 (a) 地铁站台层 (b)地铁站厅层 (c)高铁站台层 (d) 高铁候车厅图8振动速度水平分布图 Fig.8 The distribution of velocity vibration level由图8可以得出，（1）在列车荷载作用下，地铁站台层、地铁站厅层、高铁站台层和高铁候车厅的垂、横向振动速度水平分布趋势基本一致。在106

23、0Hz范围内，地铁站台层的垂向速度和横向速度振动水平分别处在97110dB和92107dB范围内，地铁站台层的垂向速度水平较横向速度水平约高出4.6dB；地铁站厅层的垂向速度和横向速度振动水平分别处在7895dB和6491dB范围内，前者较后者的速度水平平均高出约9.8dB。（2）在3580Hz范围内，高铁站台层的垂向速度和横向速度振动水平分别处在7290dB和6288dB范围内，高铁站台层的垂向速度水平在3560Hz范围较横向速度水平约高出2.4dB，在3560Hz范围较横向速度水平平均小6.8dB；高铁候车厅的垂向速度和横向速度振动水平分别处在6085dB和5783dB范围内，高铁候车厅的

24、横向速度水平在3560Hz范围较横向速度水平约高出2.8dB，在3560Hz范围较横向速度水平平均小7.2dB。 (a) 地铁站台层 (b) 地铁站厅层 (c)高铁站台层 (d) 高铁候车厅图9 振动加速度水平分布图 Fig.9 The distribution of acceleration vibration level图9表明，在列车荷载作用下，地铁站台层和站厅层的垂、横向振动加速度水平分布趋势基本一致；在10100Hz范围内，地铁站台层、站厅层、高铁站台层和高铁候车厅的垂向加速度振动水平分别处在7698dB、5583 dB、4478 dB和2272 dB，横向加速度速度振动水平分别处在

25、6895dB、4079dB、3474dB和2065dB范围内；地铁站台层、站厅层、高铁站台层和高铁候车厅的垂向加速度振动水平分别比横向加速度振动水平高出4.02dB、8.0dB、4.4dB和7.8dB，说明在合建建筑结构中，地铁列车引起的横向环境振动水平虽然较垂向环境振动要小，但两者依旧处于同一水平，横向环境振动对人们工作和生活的干扰不能忽视。5.结论本文通过现场试验，得出以下结论：（1）地铁列车引起合建建筑结构的振动幅值随距振源距离增大而减小，横向振动响应幅值约为垂向振动响应幅值的0.8倍。（2）由于合建建筑结构将自身柱板结构与车站结构进行整体刚性联接，两者之间不存在任何阻隔作用，列车经过时

26、引起的地铁线路结构的振动响应能轻易传播至上部建筑结构，上部建筑结构的振动频率分布特性基本上与地铁线路结构一致。（3）地铁列车引起的合建建筑结构环境振动频率主要集中在2080Hz范围内，影响合建建筑结构环境振动的轮轨表面不平顺波长范围为0.020.5m。（4）在合建建筑结构中，地铁列车引起的横向环境振动水平虽较垂向环境振动要小，但两者处于同一水平，横向速度振动水平在部分频率范围内甚至要比垂向速度振动水平要高，横向环境振动对人们工作和生活的干扰不能忽视。合建结构的振动特性除了与荷载有关以外，还以结构自身频率响应特性有关。因此，研究地铁列车作用下合建建筑结构振动特性还应在对合建结构做进一步自振分析的

27、基础上进一步开展研究。参考文献1陈慧.地铁合建出入口混凝土框架结构分析J.铁道建筑设计，2011，32(2)：15-16.2邱国恩.地铁车站与建筑地下室基坑工程整体支护设计J.地下空间与工程学报，2009，5(2)：1637-1642.3周萌,韦凯,周顺华等.轨道型式对地铁与建筑物共建结构振动响应的影响J.中国铁道科学,2011,32(2)：33-40.4 Lian Xu Shi, Nan Zhang.The Simulation Analysis on Vibration of a Museum Building Nearby Induced by Urban Subway TransitJ.Advanced Materials Research ,2011，(243-249):3427-3431.5 VERBRAKEN H ，LOMBAERT G ，DEGRANDE G Verification of an Empirical Prediction Method for RailwayI