成灌快铁线下桥式车站振动噪声实测与分析

冉汶民， 张　迅， 李小珍

(西南交通大学 土木工程学院，成都　610031)

成灌快铁线下桥式车站振动噪声实测与分析

冉汶民， 张迅， 李小珍

(西南交通大学 土木工程学院，成都610031)

摘要：以成灌快铁安德站为工程背景开展现场试验，实测了轨道梁、站台、候车大厅和办公室区域的振动加速度和声压，并对实测信号进行时域和频域分析。采用数值方法在频域内分析了轨道梁振动、桥墩动反力、站房振动和室内二次辐射噪声，并将计算结果与实测值进行对比。结果表明：当列车以速度190 km/h通过车站时，轨道梁振动的优势频段为40～80 Hz，竖向振动加速度峰值小于规范限值；办公室和候车大厅地面振动的优势频段为20～100 Hz，振级接近80 dB；站台处、办公室内和候车大厅内噪声的优势频段分别为300～2 500 Hz、40～63 Hz和20～100 Hz，办公室内和候车大厅内的低频噪声远远超出身心舒适度限值；桥墩竖向动反力的优势频段为25～63 Hz，是引起办公室和候车大厅地面振动的主要原因；站房-土体耦合有限元模型和内部声辐射边界元模型可以较好地模拟站房振动及二次辐射噪声。

关键词：高架车站；振动；噪声；现场试验；数值分析

近年来，城际铁路凭借其运输量大、成本低、车速较快、受气候和自然条件影响较小等优势，在我国得到了迅猛的发展。伴随着城际铁路的不断发展，“以桥(梁)代路(基)”成为轨下结构的主要形式，高架车站也得到了广泛应用，其中，线下桥式车站是指站房主体(包含候车大厅、售票厅等主要空间)位于桥体及线路正下方的高架车站[1-2]。例如，图1(a)为成灌快铁安德站剖面图，其为典型的线下桥式车站。安德站为“桥建分离式”高架车站，候车大厅、办公室及辅助用房采用框架结构，位于线路正下方；站台层位于候车大厅两侧正上方(见图1(b))。

线下桥式车站能显著降低占地面积、外形美观、功能布局紧凑且便于乘客分流，特别适合城市区域。然而，线下桥式车站也有其局限性和不足之处。例如，由于候车大厅位于桥体及线路正下方，当列车通过时，车辆与桥梁的动力相互作用会使站房结构产生明显的振动与噪声[3]。若振动与噪声过大，将会影响设施设备的正常使用，同时会降低工作人员的工作效率并容易产生烦躁不安的情绪，也会给旅客带来不同程度的生理、心理影响。

国内外研究者对列车通过高架桥梁结构时的环境振动与噪声开展了一系列研究，包括数值仿真分析、现场试验、减振降噪措施等，并取得了丰富的成果[4-8]。高架车站结构体系复杂，由于存在站房结构的影响，其振动与噪声特性、传播途径、分布规律等要比普通高架桥梁区段、地面车站等复杂[9-13]。现场试验是了解线下桥式车站振动与噪声特性的重要手段，并能为数值模拟、减振降噪措施选取等提供直接证据。因此，本文通过对成灌快铁安德站开展现场实测研究，并采用数值方法进行仿真分析，以期为类似工程设计、科学研究等提供参考。

图1　成灌快铁安德站Fig.1 AnDe station of Chengdu-Dujiangyan fast railroad

1线下桥式车站振动与噪声特性

1.1振动传递路径

对于安德站这种“桥建分离式”体系，振动主要以3条路径传递到候车大厅、办公室、站台：① 通过钢轨、无砟轨道结构、轨道梁、桥墩传递到土体，引起一楼候车大厅、一楼办公室地面振动；② 通过站房楼板传递到站台梁(对于站台梁安装在站房楼板上的情形)；③ 通过桥墩传递到站台梁(对于站台梁安装在桥墩上的情形)。

1.2噪声组成及其特性

根据噪声源的差异，将线下桥式车站噪声分为2部分:① 由列车产生，② 为二次辐射噪声。本次试验过程中，由于该车站尚未开通运营，机电设备等也未开启，故其噪声主要由列车高速过站产生。

此外，列车高速运行引起站房结构振动，进而产生二次辐射噪声。二次辐射噪声与站房结构布局、质量分布、刚度分布、阻尼特性、地板和墙壁尺寸、站房结构内表面吸声条件及辐射效率等多种参数有关，使得二次辐射噪声的数值计算非常困难。因此，现场实测很有必要。

1.3振动与噪声评价方法

对于振动加速度信号，先进行时域分析，再从频域进行1/3倍频程分析。采用振动加速度级分析，振动加速度级VAL定义如下：

VAL=20lg(arms/aref)

(1)

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

(2)

为了减小背景振动对观测数据的影响，采用如下方法消除背景振动的影响，

VAL=10lg(100.1VALA-100.1VALB)

(3)

式中：VAL为去除背景振动后的加速度级；VALA为含背景振动加速度级；VALB为背景振动加速度级。本文选择垂向Z振级VLZ进行分析，并按Z记权因子计算振级[14]。

噪声信号的处理方法与振动加速度信号类似。本文采用声压级Lp对噪声进行评价，其计算公式如下：

Lp=20lg(pe/pref)

(4)

式中：pe为声压有效值(Pa)；pref为参考声压pref= 2×10-5Pa。pe按下式计算，

(5)

在噪声测试中，同样需要对背景噪声进行消除。采用的方法与式(3)类似。为了反映噪声信号的原始频谱特性，本文采用线性计权处理。

2试验概况

站房范围位于68#～73#墩之间，为5跨32 m双线预应力混凝土简支箱梁，候车大厅位于70#～71#墩之间。站台范围为64#～78#墩(未示出)，站台位于站房二楼，采用侧式站台，2台2线布置(见图2(a)～图2(b))。

选取轨道梁跨中顶板中心、一楼候车大厅地面正中及一楼办公室地面正中3个位置布置振动测点，分别编号为A1、A2和A3。噪声测点布置在二楼站台处、一楼候车大厅正中和一楼办公室正中，测点高度均为1.6 m，分别编号为N1、N2和N3。测点详细位置及编号见图2(a)～图2(b)，照片见图2(c)～图2(f)。

振动传感器采用891-Ⅱ型加速度传感器；声压传感器采用MPA231型自由场型传声器；信号采集与分析采用INV 306U智能数据采集系统。传感器及采集仪在试验前均经过标定，以确保测试采样信号的有效性。振动测试采样频率为1 024 Hz，噪声测试采样频率为65 536 Hz。成灌快铁全封闭开行CRH1型动车组，8节编组。现场试验针对过路列车进行，经实测，列车通过速度均≈190 km/h。

图2　传感器布置图(单位：m)Fig.2 Sensors arrangement(Unit:m)

3测试结果分析

3.1实测振动

轨道梁跨中、办公室地面和候车大厅地面的加速度时程见图3。轨道梁跨中、办公室地面和候车大厅地面的竖向加速度最大值分别为1.815 m/s2、0.09 m/s2和0.055 m/s2。经20 Hz低通滤波处理后，轨道梁的竖向振动加速度最大值为0.107 m/s2，满足《高速铁路设计规范》(TB10621-2014)的限值要求，即无砟桥面竖向振动加速度不超过0.5 g[15]。

图3　各测点的振动加速度时程Fig.3 Time histories of measured accelerations

从振动起始时间看，候车大厅最早，办公室次之，轨道梁跨中最晚；从振动持续时间看，候车大厅最长，办公室次之，轨道梁跨中最短。由于候车大厅、办公室位于一楼，列车在未到达所测轨道梁时，振动波就通过其它梁跨桥墩基础、土体传播过来；而轨道梁的振动主要由列车通过时直接冲击产生，只有当列车位于测试桥跨时，轨道梁才会产生较大的振动。

图4给出了各测点的振级时程。轨道梁跨中、办公室地面与候车大厅地面的振动均在4.5～8.5 s之间出现小幅波动，与列车冲击相关的振动持时约4 s。CRH1型动车组总长213.5 m，车速为190 km/h时，计算列车通过测试断面所需时间≈4 s，与实测结果相符。在列车进站前与出站后，办公室与候车大厅测点的振动加速度级变化速率比轨道梁跨中测点平缓许多，这说明候车大厅和办公室比轨道梁跨中受到列车影响的振动传递路径更长。

图4　各测点的振级时程图Fig.4 Time histories of measured acceleration levels

图5给出了各测点的振级1/3倍频程分析结果。轨道梁跨中、办公室地面和候车大厅地面的最大振级分别为110.0 dB、79.3 dB和78.6 dB，即轨道梁跨中的竖向振动明显比办公室地面和候车大厅地面高。办公室地面和候车大厅地面振级比较接近，这主要是由于二者与桥墩的相对位置比较相似。轨道梁跨中振动的优势频段(在叠加计算总振级时起决定作用的频率成分)主要集中在40～80 Hz，办公室与候车大厅测点的振动频率主要集中在20～100 Hz，即频段范围更宽。

图5　各测点的振级频谱图Fig.5 Spectra of measured acceleration levels

3.2实测噪声

站台处、办公室内和候车大厅内的声压时程见图6。站台处、办公室内和候车大厅内的最大声压分别为7.19 Pa、2.97 Pa和2.14 Pa。办公室内与候车大厅内的最大声压较接近，站台处的声压约为前两者的3倍，这是由于站台处噪声主要为轮轨噪声，数值较大。

图6　各测点的声压时程Fig.6 Time histories of measured sound pressures

从声压变化起始时间看，站台处与候车大厅内的声压均在1.5 s左右开始增加，且平缓变化至最大声压；办公室内的声压虽然也是从1.5 s左右开始增加，但在3 s以前增加缓慢，3 s以后声压急剧上升直至最大声压，并出现多个波峰，这主要与动车组转向架下轮轴的集中加载有关，即每一个波峰对应一组转向架。

站台处和候车大厅内噪声波形起始和结尾幅度比办公室内大得多，这主要是由于办公室内部空间狭小，实测噪声主要来源于二次辐射噪声，其它噪声可以忽略；而另外两个位置在列车还未到达或驶出测点范围时，受到空气传播过来的轮轨噪声影响。

图7给出了各测点的声压级时程图。从图7可知，站台处、办公室内和候车大厅内的最大总体声压级分别为100.3 dB、99.5 dB和94.4 dB。办公室内的最大总体声压级与站台处接近，比候车大厅内大5.1 dB，这说明列车通过站房时，办公室工作人员受到的噪声影响要比候车大厅大，再加上办公室空间较封闭，这将给工作人员带来更严重的危害。

图7　各测点的声压级时程图Fig.7 Time histories of measured sound pressure levels

图8给出了各测点的声压级频谱图。从图8可知,站台处噪声的优势频段(在叠加计算总声级时起决定作用的频率成分)主要集中在300～2 500 Hz，峰值频段为800 Hz，对应声压级为89.0 dB；办公室内噪声的优势频段主要集中在40～63 Hz,峰值频段为50 Hz，对应声压级为91.0 dB；候车大厅内噪声的优势频段主要集中在20～100 Hz，峰值频段为50 Hz，对应声压级为82.6 dB，300～2 000 Hz频段范围也有较高的噪声级，来源于二楼传播下来的轮轨噪声。实测结果表明：站台处噪声属于高频噪声，办公室内噪声属于低频噪声，而候车大厅内噪声既有较强的低频成分又有较高的高频成分。

图8　各测点的声压级频谱图Fig.8 Spectra of measured sound pressure levels

办公室内和候车大厅内的低频噪声来源于二次辐射噪声，虽然低频噪声对人体烦扰度的影响要显著高于高频噪声，但我国没有专门针对高架车站站房内低频噪声的评价标准，这里采用文献[17]中制定的身心舒适度限值曲线来分析，比较结果见图9。从图9可知,在25～80 Hz频段范围，办公室内和候车大厅内的低频噪声远远高于身心舒适度限值，在50 Hz处分别超限39 dB、30 dB，这说明线下桥式车站的二次辐射噪声严重。

本次研究采用汉语词法分析器(ictclas),由中国科学院计算所开发，主要采用北大《人民日报》语料库进行参数训练，词性标记集[13]主要以北大《人民日报》语料库的词性标记集为蓝本，并参考了北大《汉语语法信息词典》中给出的汉语词的语法信息[14]。因此，用非小说文件进行参数训练的分词工具用于鲁迅小说语料分词，误差率就不可避免地会提高。理想的做法是，可针对性地用专门的语料进行训练，形成自带词典，然后进行分词，会大大降低误差率。尽管认识到误差，但本统计分析对误差未作调整，目的是使研究具有可重复性，以求证实或证伪。

图9　办公室和候车大厅身心舒适度评价Fig.9 Mental and physical discomfort in office and waiting hall

4轨道梁振动仿真分析

轨道梁直接承受列车冲击载荷，其振动响应为线下站房结构的振动之源。本节采用数值方法进行轨道梁动力响应分析，并与实测结果进行对比。

4.1计算模型

采用文献[18]中的功率流分析方法，首先对车辆-轨道耦合部分建立解析模型，求得频域内的轮轨相互作用力，再施加到轨道梁模型中分析振动响应。根据前述实测结果，轨道梁振动的优势频段主要集中在40～80 Hz，故本文采用ANSYS软件建立梁-板混合动力分析模型，即轨道梁采用4节点板单元以获取高频振动响应，桥墩采用梁单元。

车辆-轨道耦合模型中，计算参数为：CRH1型动车组，CHN60型钢轨，扣件竖向刚度取40 MN/m，阻尼比取0.25，车速190 km/h。轨道梁模型不考虑站房结构对轨道梁的影响，二期恒载作为均布质量换算到桥面单元中，采用瑞利阻尼计入整体阻尼效应，阻尼比取0.02。轨道梁的主要参数如下：弹性模量3.60×1010N/m2，泊松比0.2，单位长度质量3.89×104N·s2/m2，竖向抗弯惯性矩5.19 m4。

轨道梁动力分析模型及典型自振模态(见图10)。从图10可知,1阶竖弯频率为3.4 Hz，为轨道梁整体振动模态；高阶振动模态为顶、底板的局部振动模态，且振动模态密集，频率比较接近。

图10　梁-板混合动力分析模型及典型自振模态Fig.10 Hybrid plate-beam dynamic finite element model and typical natural vibration modes

4.2轨道梁振动响应

图11给出了轨道梁振级仿真值与理论值对比。从图11可知,在31.5～125 Hz频段范围内，仿真值与实测值吻合良好，仿真值略小于实测值，仿真值与实测值的优势频段均集中在40～80 Hz，说明所建立的仿真模型可信。

图11　轨道梁振级仿真值与理论值对比Fig.11 Computed and measured track beam vibration levels

4.3桥墩动反力响应

列车冲击能量通过轨道梁桥墩经土体传递到站房结构中，因此桥墩动反力响应决定了站房结构的振动大小。图12给出了桥墩动反力计算结果，从图12可知：桥墩竖向动反力的优势频段集中在25～63 Hz，其峰值频段出现在50 Hz。理论计算得到桥墩竖向动反力的优势频段与办公室地面、候车大厅地面的振动一致，说明对于线下桥式车站，轨道梁桥墩振动响应特性将对站房结构振动起主导作用。因此，建议对于线下桥式车站应采取措施隔断或减弱振动波通过桥墩基础向外传播，也可通过改进轨道结构形式以减弱传递至桥墩的振动能量。

图12　桥墩动反力频谱图Fig.12　Computed spectrum of dynamic reaction force of pier

5二次辐射噪声仿真分析

办公室和候车大厅内的二次辐射噪声非常明显，其来源于站房结构振动，激励源主要为桥墩竖向动反力，本节采用数值方法对此进行初步分析。

5.1站房振动

采用ANSYS软件建立站房-土体耦合有限元模型(见图13)，仅考虑68#～73#墩站房范围，施加“4.3”计算得到的桥墩竖向动反力(忽略各桥墩动反力之间的相位差)，在频域内进行求解。

图13　站房-土体耦合有限元模型Fig.13 Station buildings-soil coupling finite element model

截取一定范围内的土体并设置人工黏弹性边界以减小反射波，在站房纵向两侧各取120 m，在站房横向两侧各取50 m。土体采用Solid45单元模拟，单元长度0.5 ～3 m，黏弹性边界采用Combin14单元模拟。根据地质资料将土体简化为3层，表1给出了各土层计算参数。站房墙体、楼板采用Shell63单元模型，梁柱采用Beam3单元模拟，单元长度为0.3 m。站台梁及其它附属构件按质量分摊到站房结构上。模型阻尼按瑞利阻尼考虑，阻尼比取0.05。

表1　土层计算参数

为了验证站房-土体有限元模型的合理性，图14分别给出了办公室、候车大厅地面振动计算值与实测值对比。结果表明：计算值与实测值变化趋势基本一致，优势频率范围比较吻合；计算值稍小于实测值，这可能与模型简化处理、土体参数取值、桥墩动反力计算偏差等有关。

图14　地面振动计算值与实测值对比Fig.14 Comparison of computed and measured ground vibration

5.2二次辐射噪声

将办公室和候车大厅分别简化为封闭腔体，考虑楼板、地面和墙壁振动引起的内部噪声。候车大厅内部尺寸为30 m×19 m×5.4 m，办公室内部尺寸为6.7 m×5.3 m×3 m。以办公室为例，图15给出了SYSNOISE软件建立的内部声辐射边界元模型，采用Shell单元模拟。由于网格是封闭的，这里采用直接边界元法分析。声腔内介质为空气，密度1.21 kg/m3，声速340 m/s，单元长度为0.3 m。由于壁面吸声系数难以确定，故暂不考虑壁面吸声效应。

图15　内部声辐射边界元模型Fig.15 Boundary element model of interior noise

基于站房-土体耦合有限元模型，得到楼板、地板和墙壁的振动响应，将其作为位移边界条件导入到内部声辐射边界元模型中，在频域内进行求解。选择与实测位置相同的场点进行分析，图16分别给出了办公室、候车大厅内的二次辐射噪声计算值与实测值对比。由图16可知,数值计算结果与实测值的变化规律基本类似，但计算值略大于实测值。对于办公室，由于1阶竖向声模态频率为56.7 Hz，处于站房振动优势频段范围内，进而出现明显的声学“共鸣”现象，由于忽略了壁面吸声效应，导致50 Hz频段处噪声计算值比实测值高出约5 dB。对于候车大厅，由于简化模型忽略了站房进出口两侧的开口(实际为楼梯)，这就导致计算值与实测值产生差异。

图16　二次辐射噪声计算值与实测值对比Fig.16 Comparison of computed and measured noise

6结论

本文以安德站为工程背景开展现场试验，对线下桥式车站不同区域的振动与噪声特性进行了分析，并通过数值分析研究了轨道梁振动及二次辐射噪声。主要结论如下：

(1) 轨道梁振动的优势频段为40～80 Hz，竖向振动加速度峰值小于规范限值。办公室与候车大厅地面振动的优势频段为20～100 Hz，环境振动问题突出。

(2) 办公室内和候车大厅内的二次辐射噪声明显，实测值远远高于身心舒适度限值，应予以重视。

(3) 车辆-轨道-轨道梁功率流模型可以较好地模拟轨道梁高频振动。轨道梁桥墩的竖向动反力优势频段为25～63 Hz，是站房-土体耦合有限元模型的激励源，计算得到的办公室和候车大厅地面振动与实测值吻合较好。

(4) 办公室和候车大厅可简化为封闭腔体，采用直接边界元法，以楼板、地面和墙体振动为位移边界条件进行二次辐射噪声计算，计算值与实测值的对比验证了该方法的可行性。

然而，就目前的条件来说，二次辐射噪声的模型处理及验证工作依然是初级的，今后还需进一步研究，提高计算模型的准确性和适用性。

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Test and analysis for vibration and noise of an elevated-station-under-viaduct of Chengdu-Dujiangyan fast railroad line

RANWen-min,ZHANGXun,LIXiao-zhen(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract:A field test was conducted for an elevated-station-under-viaduct of Chengdu-Dujiangyan fast railroad line. Vibration accelerations and sound pressures of track beam, platform, waiting hall and office area were measured and then analyzed in time domain and frequency domain, respectively. Vibration of track beam, reaction force of pier, station building vibration and structure-borne noise were simulated in frequency domain and then compared with measured data. Results showed that at a train speed of 190 km/h, the vibration of track beam dominates in the frequency range of 40～80 Hz and the peaks of vertical vibration acceleration are smaller than the limited value in standard; the dominant vibration frequencies of office and waiting hall ground are 20～100 Hz, with values close to 80 dB; the dominant noise frequencies on the platform, in the office and waiting hall are 300～2500 Hz, 40～63 Hz and 20～100 Hz, respectively and the low-frequency noises in the two latter locations are much higher than the mental and physical comfort limits; the dominant frequency range of pier’s vertical reaction force is 25～63 Hz, it mainly causes vibrations of the office and waiting hall ground; the vibration and structure-borne noise of station buildings can be well simulated with the station buildings-soil coupled finite element model and the interior structure-borne noise boundary element model.

Key words:elevated station; vibration; noise; field test; numerical analysis

中图分类号:U24; TB53

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.07.035

通信作者张迅 男，博士，硕士生导师，1985年生

收稿日期：2015-01-27修改稿收到日期：2015-04-02

基金项目：国家自然科学基金(51308469;51378429)；中央高校基本科研业务费专项资金(2682014BR053)

第一作者 冉汶民 男，硕士生，1992年生

E-mail:zhxunxun@swjtu.edu.cn