高架轨道交通附近自由地表振动试验研究

李小珍，刘全民，张 迅，张志俊，李亚东

(西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

高架轨道交通在轨道不平顺、车轮不圆度及车辆轴重等激励下产生车辆-轨道-桥梁动力相互作用引起结构振动，并通过桥墩基础与周围土层相互作用进一步诱发附近土体及邻近建筑物二次振动及噪声，严重影响沿线居住者的生活、工作。随轨道交通密度不断增加、荷载不断增大，由此产生的环境振动问题愈加突出。

由于车辆-轨道-桥梁-基础-土体相互作用系统的复杂性，现场测试仍为重要的环境振动研究手段，并能为理论分析、预测提供有效的实测数据验证。文献[1-3]对各型高速列车通过路基区段时引起的地面振动进行测试。夏禾等[4]对沈阳-哈尔滨铁路线简支钢梁桥附近地面振动进行试验研究，分析振动的衰减规律。蒋通等[5]分析现场实测与数值模拟的上海高架轨道交通明珠线所致环境振动。高广运等[6]采用薄层法对秦沈客运专线引起的地面振动进行分析，并与实测结果对比。陈建国等[7]对北京地铁5号线高桥路段进行环境振动试验，对比普通轨枕与梯形轨枕引起环境振动的差异。以上研究均获得大量有价值结论，对环境振动研究具有积极作用。

已有环境振动试验多针对高铁路基区段或地铁高架区段，而对高铁或城际快铁高架区段环境振动理论、现场实测较少。我国新建高铁或城际快铁多采用高架结构形式。普通无砟轨道刚度大、弹性差，会增加车辆、轨道振动。用无砟轨道，列车在高架区段高速运行时引起的地面振动亦不可忽视；为此，本文对某城际快铁高架结构区段环境振动进行现场试验研究，以期为理论研究提供参考。

1 试验概况

某城际快铁32 m 双线混凝土简支箱梁为单箱单室结构，梁体全长32.6 m，梁高2.354 m，双肢形桥墩，墩高3～4 m。设计为ZC活载，设计速度200 km/h，二期恒载153.6 kN/m，线间距4.4 m。采用CRTS-Ⅲ型板式无砟轨道，WJ-8C型扣件系统，横向静刚度5.0×107kN/m，垂向静刚度3.5×107kN/m。该城际快速铁路运营列车为CRH1动车组，列车编组2(2M+1T)+(1M+1T)，编组长度213.5 m，列车定员668人。

为避免其它因素对地面振动干扰，选待测高架桥梁位于开阔的田野段，见图1，测点布置见图2。其中，桥墩测试断面(C3-C3)距上行中心线0 m、7.5 m、15 m、30 m、60 m处均布置横向、垂向加速度拾振器，依次编号为S1～S5；在测试桥墩相邻两跨跨中距上行中心线30 m处布置垂向拾振器，编号S6、S7。横向拾振器用H表示，垂向拾振器用V表示。

图1 测试现场

图2 测点布置图(单位：m)

测试采用中国工程力学研究所891-Ⅱ型加速度传感器及东方振动和噪声技术研究所INV306U智能数据采集系统。该传感器频率响应范围宽、低频效果好，适合测试结构物及地面振动。用多普勒测速仪测量车速。测试仪器试验前均已标定。地面拾振器布置为：人工挖出长0.4 m、宽0.4 m、深0.5 m土坑；将1.5 m普通脚手架钢管打入土体，钢管顶端露出坑底0.5 m；在土坑内现浇混凝土，抹平其顶面；待混凝土硬化后用粘合剂将拾振器固定于混凝土，使拾振器的几何轴线水平，并确保拾振器方向与所测振动方向一致。采样频率设为1 024 Hz，满足Shannon采样定理。实测均为运营列车，测试工况见表1。

表1 测试工况

2 环境振动评价方法

振动对建筑物与人体影响实际为振动能量传递结果，加速度有效值能较好反映此特性，因此在环境振动分析中，振动强度一般以加速度有效值表示。本文以振动加速度级分析振动传播规律，定义：

VAL=20lg(arms/aref) (dB)

(1)

式中：aref=10-6m/s2为基准加速度；arms为振动加速度有效值(m/s2)：

(2)

为减小背景振动对观测数据影响，在频域采用消除背景振动影响[8]公式：

(3)

式中：VAL为去除背景振动后加速度级；VALA为含背景振动加速度级；VALB为背景振动加速度级。

人体对Z向振动最敏感，因此评价振动时，本文Z振级VLZ按全身振动Z计权因子[9]计算振动加速度级。

3 测试结果分析

以工况10为例，近轨最高运行车速为162 km/h，距近轨中心线30 m处测点S4、S6、S7的实测Z振级VLZ分别为62.7 dB、60.2 dB、59.7 dB，均小于80 dB，满足《城市区域环境振动标准》(GB 10070-88)规定。

3.1 加速度时域分析

工况8时S1～S5竖向、横向加速度峰值对比见图3。由图3看出，随横向距离的增加，竖向、横向加速度峰值均快速衰减，但在7.5 m处出现振动反弹增大区，与文献[4,7,10-11]一致，但反弹增大区出现位置不同。有研究认为此因振动波在基岩面与地表面间多次反射所致，与振动频率、波速、基岩深度、土层特性等有关。关于反弹增大区原因尚待进一步研究。同位置横向加速度较竖向大。

工况8时测点S2(R=7.5 m)、S4(R=30 m)竖向、横向加速度时程曲线见图4、图5。由两图看出，近场S2处，加速度时程出现周期性峰值，并可清晰分辨出每个轮对影响；远场S4处，轮对产生的周期性峰值已不明显。其原因可能为近场S2的振动主要受测试断面(C3-C3)所在桥墩影响，相邻两跨桥墩影响较小；而相邻两跨桥墩与测试断面(C3-C3)所在桥墩对远场S4振动影响相当，且不同桥墩间存在振动相位差。

为验证此推测，测点S2竖向、横向加速度局部见图6，测点S2、S3竖向加速度局部见图7。由两图看出，测点S2竖向、横向振动相位基本一致；而因传播距离不同，测点S2、S3振动存在相位差，该现象将在后面的振动加速度级时程图上观察到。

图3 S1～S5竖向、横向加速度峰值对比

图5 S4振动加速度时程(工况8)

3.2 VAL时域分析

据所测振动加速度时程，按式(1)～式(3)计算得VAL时程。测点S2～S5竖向、横向VAL时程对比曲线见图8、图9。由两图可辨别出轮对周期性加载现象。列车8节编组，对应VAL时程图中9个峰值，列车速度135 km/h，驶过测试断面时间约5.59 s，VAL时程图首尾峰值时间差为5.56 s，由此间接验证本次试验的可靠性。

图8 S2～S5竖向VAL时程对比(工况8)

工况8测点S1～S5竖向、横向VAL峰值见图10。由图10看出，随距离的增加，VAL快速衰减，且在7.5 m处有反弹增大现象。在7.5～15 m范围，竖向振动与横向振动分别衰减7.3 dB、7.5 dB，衰减速率为0.97 dB/m、1.00 dB/m；在15～30 m范围，竖向振动与横向振动分别衰减8.5 dB、9.5 dB，衰减速率为0.57 dB/m、0.63 dB/m；在30～60 m范围，竖向振动与横向振动分别衰减10.1 dB、5.0 dB，衰减速率为0.34 dB/m、0.17 dB/m，即离线路越远，振动衰减越慢，地面VAL随距离变化满足对数关系。测点S2竖向、横向VAL时程对比曲线见图11。由图11看出：横向VAL较竖向大3.9～9.0 dB，与文献[10-11]路基区段测试结果不同(地面3方向振动中竖向加速度最大，垂直线路水平向次之，平行线路水平向最小)。本文认为其原因可能为路基区段主要承受列车竖向冲击作用，故地面竖向振动最大；而对高架桥梁区段，竖向振动通过桩基础传递到较深土层中，横向振动在浅层土体中通过桥墩身、承台、基础与周围土体相互作用传播到地面较远区域，故地面横向振动较竖向大。距轨道中心线30 m处，桥墩所在断面测点S4竖向VAL峰值为71.3 dB，相邻两跨跨中断面测点S6、S7竖向VAL峰值为67.8 dB、67.3 dB，见图12。

图11 S2竖向、横向VAL时程对比(工况8)

图12 S4、S6、S7竖向VAL时程对比(工况8)

桥墩所在断面(C3-C3)地面振动较相邻两跨跨中断面地面振动大3.5～4.0 dB，此因箱梁按一定间隔支承在桥墩上，车桥体系振动通过离散位置桥墩基础传递给土体。高架轨道交通对环境振动影响可视为具有一定间隔的离散点振源；各点振源到跨中断面地面测点距离越远，振动衰减越大。

3.3 加速度频域分析

工况8测点S2(R=7.5 m)、S4(R=30 m)竖向、横向加速度频谱曲线见图13、图14。由两图看出，频谱曲线几个较高峰值点反映出列车周期性加载现象。峰值频率15.01 Hz及倍频30.02 Hz、46.03 Hz、73.05 Hz对应列车固定轴距加载频率f=135/3.6/2.5=15.0 Hz，故该激励源为移动轴重荷载。

图13 S2振动加速度频谱(工况8)

图14 S4振动加速度频谱(工况8)

3.4 VAL频域分析

工况8测点S2～S5在1/3倍频程内竖向、横向VAL对比曲线见图15、图16。由两图看出，地面竖向振动的优势频率范围为10～100 Hz，横向振动的优势频率为4～100 Hz，横向振动频率范围更宽。

图15 S2～S5竖向VAL 1/3倍频程图(工况8)

图16 S2～S5横向VAL 1/3倍频程图(工况8)

对土体竖向振动，从7.5 m处到60 m处，16 Hz时衰减12.2 dB；40 Hz时衰减24.7 dB；80 Hz时衰减33.6 dB。对土体横向振动，从7.5 m处到60 m处，16 Hz时衰减12.8 dB；40 Hz时衰减15.3 dB；80 Hz时衰减34.4 dB。近场，土体振动以高频为主；远场，土体振动以低频为主；因此，随距离的增加，高频振动衰减快，低频振动衰减慢，低频振动传播更远，反映出土体对高频振动的高阻尼效应。

4 环境振动影响因素分析

在影响环境振动诸多因素中，列车运行轨道与速度为两重要因素。不同列车运行轨道、速度时测点S2竖向、横向VAL变化规律见图17、图18。由两图看出，随列车速度的提高，地面振动呈增大趋势，增大速率为0.036～0.049 dB/(km/h)。虽列车远轨运行速度相对较高，但其引起的地面振动竖向、横向VAL较近轨运行时平均减小3.5 dB、4.4 dB，说明双线高架桥引起的环境振动偏载效应突出。

图17 列车运行轨道及速度对S2竖向VAL影响

图18 列车运行轨道及速度对S2横向VAL影响

5 结 论

对城际快铁列车高架桥运行引起附近自由场地环境振动现场测试及结果分析，结论如下：

(1) 该城际快铁高架区段自由场地环境振动满足《城市区域环境振动标准》限值要求。

(2) 据近场地面振动加速度时程出现的周期性峰值可清晰分辨出每个轮对；而远场列车轮对产生的周期性峰值不明显。

(3) 高架轨道交通所致地面横向水平振动较竖向振动大，桥墩截面地面竖向VAL较跨中截面大3.5～4.0 dB。

(4) 地面竖向振动优势频率在10～100 Hz范围，横向振动优势频率范围4～100 Hz，低频振动在横向传播远。

(5) 列车运行轨道对地面振动大小影响高于车速影响，双线高架桥偏载效应突出，VAL随车速变化规律为0.036～0.049 dB/(km/h)。

(6) 高架轨道交通所致环境振动应视为车辆-轨道-桥梁-基础-土体相互作用系统。本文测试结果可为理论分析、数值模型提供实测数据验证。

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