松软土地区高速铁路高架桥车致地面振动试验研究

罗静峰

(中国中铁股份有限公司，北京 100039)

1 概述

高速铁路因其安全、舒适、快速等优势得到迅速的发展。“八纵八横”的高速铁路网规划将高铁延伸到全国各地。高速铁路以高架桥线路为主，如京沪高速高架线路占全线的80%以上。因此，高架高速铁路引起的环境振动影响尤为突出。车辆与轨道的耦合作用产生的振动通过桥墩、基础传到地基土体中，进而向四周传播，引起附近土体的振动，可能对建筑物的安全、精密仪器的使用以及附近居民的正常生活带来影响[1，2]。

文献[3]对京津城际350 km/h的高铁高架桥进行振动测试，并与现行的规范预测结果进行比较；文献[4]对京秦客专联调联试阶段进行振动测试，对不同车速下的地面振动响应进行分析；文献[5]研究了北京地铁5号线高架轨道交通引起的环境振动；文献[6]采用有限元模拟的方法分析速度对于振动衰减的影响。文献[7]给出了成灌铁路高架车站以及高架桥段自由地表的振动实测结果。文献[8-12]分别对高速铁路的路基段和车站等结构进行环境振动测试与分析。文献[13]对城市轨道高架桥的振动进行了监测。

关于高速铁路高架桥引起的环境振动相关研究及现场试验数据较少。尤其是运营一段时间后的高铁线路，其钢轨、桥梁、轨道不平顺等因素与联调时期已经有所变化，不宜采用联调时期数据开展环境振动预测评估。为此，以运营高速铁路京沪线丹昆特大桥32 m简支梁为研究对象，开展地面振动测试与数据分析，以期为高铁运营期的振动预测与减隔振设计提供参考。

2 高速铁路高架桥现场测试

2.1 工程背景

研究区域表层为第四系全新统人工堆积素填土，全新统冲湖积粉质黏土、粉土、粉砂，属于松软土地层。

梁体全长32.6 m，计算跨径31.5 m，设计载荷为ZK标准活载，设计速度为350 km/h，双线。采用双主桥墩，墩高平均为10 m，钻孔灌注桩长为39 m。图1为现场情况。

图1 测试现场

2.2 测点布置与测试仪器

地面振动测点沿线路横向布置，共设置10个测点，测点1从桥墩边缘开始布置，以5 m间距依次布置测点2～7，测点7～10的间隔为10 m，如图2所示。

图4 不同位置处加速度时域曲线

测试时，在不同测点处布设铅垂向加速度传感器，对不同距离处的加速度进行同步采集。采用丹麦B&K 3050-B-060型土木工程振动与噪声测试系统，传感器通过刚性垫片与地面连接，如图3所示。传感器安装在特制的方形钢板上，方形钢板的四条角钢腿插入密实土体中。

图2 测点布置(单位：m)

图3 传感器安装方式

2.3 现场测试

测试车辆为京沪高铁运行的和谐号动车组CRH380A，16节编组，采用激光测速仪测试每趟车通过时的车速。现场测试表明，列车通过该段桥梁的速度均值为298.2 km/h。考虑到振动由近桥墩测点向远处测点传播，不同测点在测试时有一定时间延迟。因此，采集时应完整记录列车通过的整个过程。

2.4 测试结果

图4为各测点加速度时程曲线，图6为加速度峰值随距离变化曲线。从图中可以看出，从紧临桥墩的测点1至距桥墩5 m的测点2，振动加速度幅值由0.129 m/s2迅速衰减至0.051 m/s2，衰减率达到60.5%；S=10 m时，振动衰减率达到75.9%。随着距离的增加，振动衰减量逐渐减弱，在10 m 40 m时，加速度时域幅值较小，衰减更为缓慢。即在距离桥墩S≤10 m 的近地场为加速度幅值的快速衰减区，距离10 m40 m的区域为加速度幅值变化缓慢区域。

图5为加速度频谱曲线，从图中可以看出，频谱曲线的某些固定频率处存在较大的峰值，这些峰值对应的频率反映了列车的周期性荷载。

图5 不同位置处加速度频谱

图6 加速度峰值随距离变化曲线

3 高铁运行引起的环境振动分析

加速度振级代表了振动的平均能量大小。《城市区域振动测量方法》(GB10071—88)给出了地面加速度振级VAL(dB)，来表示环境振动的强度。

VAL=20ln(a/a0)

(1)

式中a——加速度有效值/(m/s2)；

a0——基准加速度，取值为1×106m/s2。

图7中给出了各测点处的频率计权Z振级衰减曲线，列车运行引起的地面竖向加速度响应沿测线方向整体呈现衰减趋势，且近场(S<10 m)迅速衰减，在远场衰减较慢；在10～40 m处存在局部放大的现象，Z振级相较于时域幅值更能反映该区域能量的局部集中。在高速铁路线位设计中，应尽量避免功能区建筑物处于能量局部集中范围内。

图7 各测点频率计权Z振级衰减曲线

图8给出了各测点竖向加速度1/3倍频程振级，表1为几个典型测点在不同频段的振动衰减量比较。从图8和表1中可以看出，各中心频率处的分频振级逐步衰减，振源处最大振级达到了90 dB左右。地面竖向振动的优势频率为25～60 Hz。该频段振动衰减较快，从桥墩处至距离桥墩60 m处，最高衰减量为45.65 dB。在20 Hz以下频段及60 Hz以上频段振动衰减较为缓慢。普通的减隔振结构固有频率一般小于20 Hz，故对于60 Hz以上高频振动能够实现有效衰减，而对≤20 Hz振动基本无效。因此，在减隔振设计中需要格外关注20 Hz以下低频段振动的传播及减隔振措施。

图8 各测点竖向1/3倍频程振级

表1 不同测点分频振级衰减量 dB

4 环境振动评价

城市区域环境振动标准(GB 10070—88)规定了城市区域环境振动标准值及适用地带范围和监测方法，提出了各类区域竖向Z振级的标准值，如表2所示[14，15]。

对比图7测试结果可以看出，除了桥墩旁土体竖向振级超过80 dB以外，其他区域Z振级均小于80 dB，满足铁路干线两侧 “铁道外30 m，小于80 dB”的规定。在距离桥墩大于10 m的场地，观测点的Z振级均小于70 dB，满足普通居民和文教区的振动限值要求。在距离桥墩大于40 m位置，观测点Z振级小于特殊住宅区所规定的最高限值(65 dB)。

表2 城市区域环境振动标准

5 结论

(1)基础附近场地，随着与桥墩位置距离的增加，土体的振动加速度时域幅值呈逐步递减趋势。各测点位置Z振级统计表明：列车运行引起的地面竖向加速度响应沿测线方向整体呈现衰减趋势，且近场(10 m内)迅速衰减，在远场衰减较慢；在20～30 m处存在局部放大的现象。

(2)地面竖向1/3倍频程振级对比表明，各中心频率处的分频振级逐步衰减，桥墩位置处最大振级达到90 dB左右。

(3)25～60 Hz 的分频振动较大，但衰减较快；20 Hz以下的分频振动衰减较慢，且通常低于一般减隔振措施的减振频率范围，在设计减隔振措施时需要重点关注。

(4)在距离桥墩40 m以外，高铁列车通过高架桥时，地面竖向加速度满足《城市区域环境振动标准》中特殊住宅区的振动要求。

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[2] 翟婉明.车辆-轨道耦合动力学[M].北京：科学出版社，2007

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