成渝高速铁路地面三向振动总值特性分析*

贺玉龙 张群 彭也也 宋喆

(西南交通大学地球科学与环境工程学院 成都 610031)

0 引言

振动是高速铁路运营期日益增长的环境问题之一[1]，当高速列车通过时，诱发铁路沿线一定范围内的地面产生垂向和水平向振动。目前的铁路振动环境影响评价主要考虑地面垂向振动[2]，但已有研究表明，铁路列车运行产生的水平向振动与垂向振动相当，有时候甚至大于垂向振动。夏禾[3]的数值模拟结果表明，距离轨道中心22.5 m处，两个水平向的振动位移幅度接近于竖向；王常晶等[4]测试了列车移动荷载产生的地面三向振动，结果表明三个方向的场地振动速度幅值相当，水平振动甚至要大于垂直振动；周业梅等[5]现场测试表明，距离线路中心线7.5，22.5，30，45，52.5，60 m处的横向Y振级和纵向X振级均大于竖向Z振级。因此，在研究轨道交通产生的环境振动影响时，也应考虑水平向的振动，不宜直接忽略水平向振动。根据ISO 2631-1:1997(我国标准《机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价第1部分：一般要求》GB/T 13441.1—2007 等效引用)，如果振动的优势坐标轴不存在，即垂向、纵向、横向的均方根加速度相差不大，建议用振动总量值或矢量和评价健康和安全，推荐振动总量值av用于舒适性评价，并鼓励除计权值外还应报告未经计权的均方根加速度[6-7]。ISO 2631-2:2003(我国标准《机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价第2部分：建筑物内的振动(1Hz～80 Hz)》GB/T 13441.2—2008 等效引用)也指出，为了进行建筑物内振动对人舒适性和烦恼影响的评价，优先使用振动总计权值[8-9]。

本文对成渝高速铁路某桥梁段和路堤段三向地面振动进行了现场测试，分析了计权和未计权振动总值随距离的变化特性，并对比了以分贝数表示的计权振动总值与Z振级之间的关系。

1 现场测试

1.1 测点布置

现场测试地点分别为成渝高速铁路简阳市境内某高架桥段和相邻路堤段，测点处列车运行速度(295±5) km/h，运营列车主要为16辆CRH380D型动车组。以线路方向为X轴(纵向)，水平面内垂直于线路方向为Y轴(横向)，地面竖直向下为Z轴(垂向)。沿Y轴方向共布置5个测点，距桥梁中心线距离分别为7.5，15，22.5，30，45 m，距路堤中心线距离分别为20，30，45，60，75 m。在各个测点处均布置纵向、横向、垂向加速度拾振器。

1.2 测试设备

地面三向振动数据采集采用东方振动和噪声技术研究所INV3062-C1(S) 24位智能数据采集系统，拾振器为941B型垂向(V)和水平向(H)低频振动传感器。地面振动主要关注1～80 Hz频率范围，根据《环境振动监测技术规范》 (HJ 918—2017)[10]，采样频率为640 Hz。

路堤段共测试22趟、高架桥段共测试15趟动车组通过时的地面三向振动加速度数据。

1.3 三向振动测试结果

路堤段地面三向振动加速度有效值测试结果如表1所列。

表1 路堤段地面三向加速度有效值

由表1可知，路堤段水平向振动优势频率近场30～64 Hz，远场纵向集中在30 Hz左右，远场横向集中于9.6 Hz。垂向振动优势频率近场20～45 Hz，远场集中在22.4 Hz左右。

高架桥段地面三向振动加速度有效值测试结果如表2所列。

表2 高架桥段地面三向加速度有效值

由表2可知，高架桥段水平向振动优势频率近场10～64 Hz，远场10～40 Hz。垂向振动优势频率近场10～40 Hz，远场则集中于10 Hz。

对水平向(X向和Y向)，采用Wd计权；对垂向(Z向)，采用Wk计权。Wd与Wk计权曲线如图1所示。

图1 Wd与Wk计权曲线

由表1、表2可知，在同一距离处，未计权时，路堤段和高架桥段地面水平向振动均大于垂向振动；计权后，在同一距离处，垂向振动则大于水平向振动。这与测点的振动频谱特性和Wd与Wk计权曲线特性有关。图1表明，Wd计权曲线在1 Hz和1.25 Hz计权值为正，从1.6 Hz开始计权值为负值，特别是对8 Hz以上衰减强烈(计权绝对值大于10 dB)。Wk计权曲线在5～8 Hz计权值为正，对40 Hz以上衰减强烈(计权值的绝对值大于10 dB)。

2 振动总值随距离的变化

根据ISO 2631-1:1997，正交坐标系下计权均方根加速度的振动总值按式(1)计算：

(1)

式中，awx，awy，awz分别为相应于正交坐标轴X，Y，Z上的计权均方根加速度；kX，kY，kZ分别为方向因数。

对立姿人体，方向因数kX，kY，kZ均取1，此时振动总值计算公式为

(2)

如果任一坐标轴上确定的计权值不足同一点在其他坐标轴上所确定的最大值的25%，则该计权值可略去不计。

2.1 路堤段振动总值随距离的变化

由表1可知，路堤段不同距离处的三向计权加速度值处于同一数量级，均大于同一点在其他坐标轴上最大值的25%，因此，3个坐标轴上的计权加速度值均参与振动总值的计算。由式(2)可得路堤段不同距离处的未计权振动总值和计权振动总值，如图2所示。

路堤段未计权振动总值av' 和计权振动总值av随横向距离y的变化关系可用负指数函数拟合为

av' = 6.204+576.11e-y/8.696，R2= 0.994 4

(3)

av= 0.688 4+71.46e-y/8.926，R2= 0.998 1

(4)

图2 路堤段振动总值随距离的变化

由图2可知，路堤段未计权振动总值由20 m处的64.02 mm/s2衰减至30 m处的24.27 mm/s2，衰减率为3.975 mm/(s2·m)；从30 m至45 m，衰减率为0.981 mm/(s2·m)；从45 m至75 m，衰减率为0.168 mm/(s2·m)。路堤段计权振动总值在上述距离间对应的衰减率分别为0.517，0.128，0.022 mm/(s2·m)。

2.2 高架桥段振动总值随距离的变化

由表2可知，高架桥段不同距离处的三向计权加速度值均大于同一点在其他坐标轴上最大值的25%，因此均参与振动总值的计算。由式(2)可得高架桥段不同距离处的未计权振动总值和计权振动总值，如图3所示。

图3 高架桥段振动总值随距离的变化

高架桥段未计权振动总值av' 和计权振动总值av随横向距离y的变化关系可拟合为

av' = 3.353+52.411e-y/19.352，R2= 0.920 1

(5)

av= 1.954+11.512e-y/19.249，R2= 0.895 9

(6)

由图3可知，高架桥段未计权振动总值由7.5 m处的37.66 mm/s2衰减至30 m处的11.82 mm/s2，衰减率为1.148 mm/(s2·m)；从30 m至45 m，衰减率为0.127 mm/(s2·m)。高架桥段计权振动总值在上述距离间对应的衰减率分别为0.256，0.015 mm/(s2·m)。

可见，路堤段和高架桥段计权和未计权振动总值均随距离增加而衰减，近似呈负指数函数关系；近场衰减快，远场衰减缓慢，且未计权振动总值比计权振动总值的衰减更为迅速。

3 振动总值与Z振级的比较

Z振级是常用的振动环境影响评价指标，图4、图5分别给出了以分贝数表示的路堤段和高架桥段计权振动总值与Z振级之间的关系。

图4 路堤段振动总值与Z振级

图5 高架桥段振动总值与Z振级

以分贝数表示的路堤段计权振动总值VLa和VLZ振级随横向距离y的变化关系可用负指数函数拟合为

VLa= 52. 547+56.457e-y/25.49，R2= 0.989 8

(7)

VLZ= 48.345+61.536e-y/26.855，R2= 0.999 1

(8)

由图4可知，路堤段计权振动总值与Z振级之间的差值在近场为0.94 ～1.11 dB，远场差值则为2.01 ～4.18 dB。

以分贝数表示的高架桥段计权振动总值VLa和VLZ振级随横向距离y的变化关系可拟合为

VLa= 66.868+17.402 e-y/27.136，R2= 0.870 4

(9)

VLZ= 63.142+19.416e-y/34.182，R2= 0.910 8

(10)

图5表明，高架桥段计权振动总值与Z振级之间的差值在近场为1.18～1.33 dB，远场差值则为1.96 dB。

由图4、图5和式(7)～式(10)可知，路堤段和高架桥段计权振动总值与Z振级随距离的变化规律类似，且近场计权振动总值与Z振级之间的差值较小。

未计权振动总值反映了地面三向振动的总能量，计权振动总值则反映了人体对地面三向合成振动强度的主观感受。当关注高速铁路运营引起的地面振动能量传播时，未计权振动总值更为客观、全面；而当评价高速铁路运营振动的环境影响时，近场可用Z振级近似代替以分贝数表示的计权振动总值。

4 结论

通过对成渝高铁路堤段和高架桥段地面三向振动现场测试，分析了地面振动总值随距离的变化，得到以下结论。

(1)路堤段和高架桥段振动总值均随距离增加而近似呈负指数规律衰减,近场衰减快,远场衰减缓慢。

(2)计权振动总值与Z振级随距离的变化规律类似，且近场两者之间的差值较小，当评价高速铁路运营振动的环境影响时，近场可用Z振级近似代替计权振动总值。