地铁列车引起合建建筑振动特性的试验研究
2020-05-17
来源:欧得旅游网
铁2015年第3期 道建筑 57 Railway Engineering 文章编号:1003—1995(2015)03—0057—05 地铁列车引起合建建筑振动特性的试验研究 杨圣春 (内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头01401O) 摘要:采用现场试验的方法,从时域和频域角度分析了地铁列车通过时引起的与地铁合建建筑结构环境 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的增大而减 小,横向振动响应幅值约为垂向振动响应幅值的0.8倍;合建建筑上部结构的振动频率分布特性基本上 与地铁线路结构一致,主要集中在20~80 Hz;合建建筑结构横向环境振动水平虽总体上较垂向环境振 动水平要小,但两者处于同一水平,甚至在部分频率范围内要比垂向环境振动水平还要高,横向环境振 动对人们工作和生活的干扰不能忽视。 关键词:地铁列车 合建建筑振动特性现场试验 中图分类号:U231;U451 3 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1003—1995.2015.03.17 随着城市轨道交通建设的蓬勃发展,为了充分利 用城市土地空问,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 境振动特性,研究成果为城市轨道交通减振降噪技术 的研究和应用提供技术参考和数据支持。 1 现场试验 1.1试验概况 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,不仅有利于降低项目建设成本,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…、上海虹桥高铁车站工程 等项目均采 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,合建建筑结构的横向剖面图如图1所示。 选择在地铁站台层中央及其正上方地铁站厅层、 高铁站台层和高铁候车厅中央4个位置分别布置传感 器。采用环氧树脂胶将传感器与楼板稳固连接。 1.2试验仪器与设备 用了合建结构。在合建结构中,由于地铁线路与上部 建筑结构基础采用刚性整体性联结,两者之间没有采 取任何措施对振动进行阻隔,地铁运行时引起的建筑 结构环境振动和噪声问题十分显著,极有可能对建筑 内人们的工作和生活产生干扰 。国内外对地铁列 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。动态信号采集设备为INV3020D高性能24 位采集系统,采样频率为400 Hz。振动拾振器为941 电磁式低频振动传感器。试验时将拾取加速度信号的 传感器调整到加速度档位,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l6只传感器进行同步测量,拾取垂直、横向 的振动速度和振动加速度信号。 1.3试验荷载 试验荷载为上海地铁l0号线列车经过试验断面 车引起的环境振动研究大多采用数值模拟的方法 和现场试验法 。 。数值计算方法通常采用二维平面 模型和2.5维模型 ,文献[7]建立了有限元结合边 界元的二维和三维模型,文献[8]采用三维数值计算 模型分析了高速列车通过时引起的地面振动加速度响 应特征,并研究了列车通过时所引起的振动在三维空 间的传播特征。目前,地铁列车引起地面建筑环境振 动的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。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的与地铁线路合建建筑结构环 时作用在钢轨上的荷载,车辆类型为A型车,列车为6 节编组形式。为保证列车荷载达到最大状态,试验时 问选择在早晚出行高峰时段,分别为上午6:30~8:30 收稿日期:2014—05-30;修回日期:2014-12-19 基金项目:内蒙古自治区自然科学基金(2012MS0713) 作者简介:杨圣春(1978一),男,山东菏泽人,讲师,硕士。 和下午5:30~7:30,车速为55 km/h,共计测得27组 试验数据。 58 铁道建筑 VV\,、,、,、n n o n r、 ,、,、,\,、^^f : 7 ,、IIl .I I 、I/ 1 0 . 000 ,V、 、,、_, 、 ,V-高架层 、 \ V、 \_, 、,、 V、 、 2 550 测点3 ■ 高铁站台层 I 一11 700 测点2_ 地铁2站台层 地下一层 号线 一 一、 l 0 0 U ¨0 …一J IIr一 20 670 测点1■ 地铁1站台层 O号线。 ] 0地下二层 ⅡU U U U U 0 U 0 O O O r..。。,r,...-E_... .,L 0 ¨ l 198 O0O I ll I 1 图1 环境振动测点布置(单位:mm) 2时域分析 地铁站台层(测点1,第8组试验数据)的振动响 。4 豢 度测定周期为30 s。 0.2 。 3晕一。2 0.4 时间,s (a)垂向振动加速度 时间/s (b)横向振动加速度 时间/s (c)垂向振动速度 图2列车经过时站台层振动响应时程曲线 表1时域幅值统计 卅一 时间,S (d)横向振动速度 引起合建建筑结构的振动幅值随距振源距离增大而减 小。但相同测点处其横向、垂向振动响应幅值同处~ 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建筑结构各测点的振动 一 响应频率分布特性,采用周期图法对振动时程响应信 图2表明,列车经过时各测点的振动响应时程信 号已无法辨认出车轮经过的具体时刻,但可分辨出列 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,然后求取平均值。各 测点频谱曲线如图3至图.5所示。 图3和图4表明:列车经过时,地铁站台层和站厅 车到达、经过和离开的过程。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15 s。从 表1可以看出,各测点垂向振动加速度和速度幅值分 另4处于2.6×10一 一7.2×10一 m/s 和8.6×10一 ~ 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 2.8×10~m/s,横向振动加速度和速度幅值分别处于 1.8×10一 ~6.4×10一 m/s 和6.4×10一 一2.2× 响应的频率基本上分布在20~80 Hz,以35~55 Hz为 主,在40 1-Iz处存在峰值;横向振动加速度响应的频率 基本上分布在20~80 Hz,分布较为均匀,存在多个峰 值。垂向振动速度响应的频率基本上分布在20~ l0~m/s。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,说明地铁列车 2015年第3期 杨圣春:地铁列车引起合建建筑振动特性的试验研究 59 目 2 × 6 一fs,z目 b ×】、馘稚牲姗 5 O 4 0 3 O 2 O 1 O O 懈 搬 槲 0 20 40 60 8O 10O 频率,}Iz (b)振动速度 图3地铁站台层振动响应频率分布特性 口 N、 一∞ 目∞_0H×)、 辩班糌罨 4 O 3 O 2 O 1 O g 宝 b 一 × O : 』 .招 艇 褂 人 : 20 40 60 80 l0O 频率/Hz (a)振动加速度 (b)振动速度 图4 地铁站厅层振动响应频率分布特性 ——……垂向振动 横向振动 ^l × 越 粕 枢 褂 嚣 越 { ‘ 一/ 40 6O 一~ 8O 1O0 粕 拯 褂 ‘0 20 频率/Hz (a)振动加速度 (b)振动速度 图5 高铁站台层振动响应频率分布特性 60 Hz,在41 Hz处存在峰值;横向振动速度响应的频 率基本上分布在20~80 Hz,存在多个峰值。 图5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结成为合建结构,两者之间不存 4振动水平评价 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6和图7所示。 由图6可以得出: 在任何阻隔作用。因此,无论振动加速度响应,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 动响应能轻易传播至高铁车站。高铁车站垂向振动响 应频率分布特性基本上与地铁车站一致,主要分布在 35~60 Hz,在40 Hz处存在峰值;横向振动响应也基 本上分布在35~80 Hz,相当比例的振动响应分布在 60—80 Hz,在70 Hz处存在峰值。 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层的垂向、横向速度振动水 平分布趋势基本一致。在10~60 Hz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97~ 60 铁道建筑 鲁 号 * 需 臀 骧 鞲 蜊 中心频率,Hz 中心频率/Hz 中心频率,Hz (b)高铁站台层 (c)地铁站厅层 (d)高铁候车厅层 图6振动速度水平分布 写 号 鼍 * 帽 需 帽 鞲 鞲 3}暮 蜊 趟 景 黉 曩 中心频率/Hz 中心频率/Hz 中心频率/Hz 中心频率/Hz (a)地铁站台层 (b)高铁站台层 (c)地铁站厅层 (d)高铁候车厅层 图7振动加速度水平分布 110 dB和92~107 dB,地铁站台层的垂向速度振动水 5 结论 平较横向速度振动水平约高出4.6 dB。地铁站厅层 的垂向速度和横向速度振动水平分别处在78~95 dB ∞ 繁臀鞲 嘲 本文通过现场试验,得出以下结论: 和64~91 dB,前者较后者的速度振动水平平均高出 ∞ 蚰 ∞ ∞ 加 0 1)地铁列车引起合建建筑结构的振动幅值随距 约9.8 dB。 振源距离增大而减小,横向振动响应幅值约为垂向振 2)在35~80 Hz范围内,高铁站台层的垂向速度 动响应幅值的0.8倍。 和横向速度振动水平分别处在72~90 dB和62—88 2)由于合建建筑结构将自身柱板结构与车站结 dB,高铁站台层的垂向速度振动水平较横向速度振动 构进行整体刚性联结,两者之间不存在任何阻隔作用, 水平平均高出约6.8 dB。在35~60 Hz范围内,高铁 列车经过时引起的地铁线路结构的振动响应能轻易传 候车厅层的垂向速度和横向速度振动水平分别处在 播至上部建筑结构,上部建筑结构的振动频率分布特 60~85 dB和57~83 dB,垂直速度振动水平较横向速 性基本上与地铁线路结构一致。 度振动水平平均高出约2.8 dB。 3)地铁列车引起的合建建筑结构环境振动频率 图7表明:在列车荷载作用下,地铁站台层和站厅 主要集中在20—80 Hz范围内,影响合建建筑结构环 层的垂向、横向振动加速度振动水平分布趋势基本一 境振动的轮轨表面不平顺波长范围为0.02~0.50 m。 致。在10~100 Hz范围内,地铁站台层、站厅层、高铁 4)在合建建筑结构中,地铁列车引起的横向环境 站台层和高铁候车厅层的垂向加速度振动水平分别处 振动水平虽较垂向环境振动水平要小,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 在76—98 dB,55~83 dB,44~78 dB和22~72 dB,横 向加速度振动水平分别处在68—95 dB,40~79 dB,34 比垂向振动水平要高。横向环境振动对人们工作和生 活的干扰不能忽视。 ~74 dB和20—65 dB。地铁站台层、站厅层、高铁站 合建结构的振动特性除了与荷载有关以外,还与 台层和高铁候车厅层的垂向加速度振动水平分别比横 结构自身频率响应特性有关。因此,今后的研究应在 向加速度振动水平高出约4.02,8.00,4.40和7.80 对合建建筑结构做进一步自振分析的基础上开展。 dB。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水平要小,但两者依 参 考 文 献 旧处于同一水平,横向环境振动对人们工作和生活的 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Key words:Subway train;Integrated building;Vibration characteristics;Field test (责任审编 赵其文)