地铁沿线建筑物室内振动楼层分布试验研究

田野

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804）

作者简介：田野（1979-），男，博士，从事轨道交通减振降噪技术研究。

城市轨道交通在运营过程中，列车车轮与钢轨之间产生冲击振动，经过轨枕、道床，传递至隧道或桥梁基础，再传递给地面，并通过周围地层向外传播，进一步诱发邻近建筑物室内振动和二次噪声，对建筑物的结构安全及其居民的工作和日常生活产生影响[1]。

振动在建筑物层间的传递受振源距离、频谱特性、建筑结构自振特性等多重因素影响，其分布规律较为复杂。部分研究表明[2]，地铁沿线建筑物室内振动随楼层增高而逐渐减小。为进一步探讨室内振动楼层分布规律，选取某地铁沿线建筑进行振动测试，分析振动传递规律，为后续减振降噪研究提供实测数据支撑。

1 振动测试概况

振动测试选取某地铁线路一侧的9 层框架结构商场建筑，线路中线距离建筑物外墙约22m。此建筑物层高4.5m，主体结构已封顶，尚未砌筑隔墙。测试断面选取建筑物最接近线路的角柱位置，距离线路中线约22m。测点布置在1～5 层楼板上(参见图1、图2)。地铁线路在测试断面位置为缓和曲线，埋深6.3m，列车为6 节编组A 型车，行驶速度约58～60km/h。

图1 振动测试现场照片

图2 振动测试测点布置示意图

测试传感器采用压电加速度传感器，采集垂向振动信号，并经信号调理器放大处理。

2 室内振动时程

测试数据经截取和筛选，获得不同时刻地铁运营引起的建筑物室内振动加速度时程数据，选取某时刻数据，如图3 所示：

图3 某时刻楼层垂向振动加速度时程(单位：m/s2)

从图3 中可知，不同楼层时程最大值基本相仿，为0.01m/s2左右，但背景振动差异明显，随着楼层增高，从0.001m/s2逐渐增大到0.005m/s2左右，导致列车引起的建筑物振动逐渐“淹没”在背景振动之中。

3 室内振动振级

对测试获取的室内垂向加速度时程数据按照《GB 10071-88 城市区域环境振动测量方法》中的规定，计算振动加速度Z 振级VLzmax和累计百分Z 振级LVz10。具体结果参见表1、图4：

表1 地铁引起的建筑物室内振动加速度振级(dB)

图4 室内振动加速度振级楼层分布图

对比《GB 10070-88 城市区域环境振动标准》中关于混合区和商业中心区昼间75dB、夜间72dB 的限值可知，地铁引起的建筑物室内振动振级不超标。

此外，从上述振级数值可知，室内振动加速度Z 振级VLzmax随着楼层增高从1 层的53.29dB 逐渐增大到5层的59.34dB，增加了6.05dB；VLz10从52.58dB 增大到58.27dB，增加了5.69dB。

显然室内振动从底层到高层呈现逐渐增大的分布规律。为探究其原因，绘制不同楼层室内振动的1/3 倍频程图形，如图5、表2 所示：

表2 不同楼层1/3 倍频程垂向加速度振级(dB)

图5 不同楼层1/3 倍频程垂向加速度振级示意图(dB)

从图5 中可以看出，不同频段的振动其分频振级数值和楼层分布差异较大。其中10Hz、40～50Hz 左右其分频振级最大；10Hz 振动随着楼层增加从38.33dB 迅速增大 到 52.81dB； 而 40Hz 振 动 从 50.27dB 增 大 到51.11dB，50Hz 振动从46.49dB 增大至50.60dB，增加值并不明显。

显然，本案例中地铁引起的建筑物室内振动随楼层增加逐渐增大的现象主要由10Hz 左右分频振动的楼层分布规律所控制。

4 室内背景振动分析

为进一步分析室内振动不同频段的含义与决定因素，分析测试数据中背景振动的规律。振级数值参见表3，楼层分布参见图6：

表3 室内背景振动加速度振级(dB)

图6 室内背景振动加速度振级楼层分布图

从上述振级数值可知，室内背景振动VLzmax随着楼层增高从1 层的42.37dB 逐渐增大到5 层的52.30dB，增加了9.93dB；VLz10从39.89dB 增大到50.05 dB，增加了10.16dB。相较于地铁引起的室内振动，背景振动的振级随着楼层增高其增加速度更快，从而导致较高楼层的地铁运营引起的室内振动逐渐“淹没”在室内背景振动之中。

进一步绘制室内背景振动的1/3 倍频程图形，如图7、表4 所示：

图7 背景振动1/3 倍频程垂向加速度振级示意图(dB)

表4 背景振动1/3 倍频程垂向加速度振级(dB)

从图7 中可以看出，背景振动分频振级峰值主要是10Hz 频段，且其楼层分布规律也呈现随楼层增加逐渐增大的现象，即从1 层的28.65dB 增大到5 层的43.20dB。易知这种规律是受结构自振特性的影响[3]，即10Hz 频率是结构竖向振动频率值，且其对应振型幅值逐层增大。

5 结构自振特性分析

为进一步确认上述频率值为结构竖向振动频率，对测试的建筑物建立有限元模型，分析其自振特性。其前11 阶振型为平动、扭转振型，第12 阶竖向振动振型如图8 所示：

图8 建筑物竖向振动振型

第12 阶自振频率值为9.4Hz，与前述10Hz 值较为接近。

通过对背景振动和结构自振特性的分析，可知地铁运营引起的建筑物室内振动，其频率成份中的10Hz 频段受结构竖向自振特性影响发生共振，振幅逐层放大，而原振幅最大的P2 共振频率40～50Hz 频段则变化不明显。不同频段振幅的不同变化规律的组合，导致了建筑物室内振动呈现出随楼层增加逐渐增大的规律。

6 结论

本文通过对地铁沿线建筑物室内振动的测试与数据分析，揭示了一种室内振动楼层分布规律。

6.1 地铁运营引起的建筑物室内振动以及室内背景振动均逐层增大，背景振动增大速度较快。

6.2 本案例中，10Hz 频段受结构竖向自振特性影响发生共振，振幅逐层放大，而其它频段变化较小。不同频段振幅的不同变化规律的组合，导致了建筑物室内振动呈现出随楼层增加逐渐增大的规律。

6.3 地铁运营传递至地面的振动的频谱特性与列车车型、车速、轨道结构、线路埋深、建筑物与线路距离[4]等因素相关，在此基础上叠加结构竖向自振特性因素，可望获得多种室内振动楼层分布规律。