某高速铁路高架线路直线与曲线段环境振动实测对比分析

何鉴辞,童湘雄,唐 剑,易 强,王 平

(1.高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 3.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司,重庆 400023)

随着我国经济水平的提高，高速铁路得到了迅猛发展，由于新建线路的增多，高速铁路诱发的环境问题越来越突出，列车经过高架路桥时产生的振动会经桥墩传递到地面，由此会对周边建筑物产生不利影响，建筑物振动产生的二次结构噪声又会严重影响居民的生活质量。因此，在工程实践中，如何将振动减小到环境影响允许范围之内就成了很重要的任务。研究轨道交通振动对建筑物的影响及控制措施，首先需要确定能量的“产生”，即确定轨道交通的振源。现场实测能得到实际线路典型段的振源激励的振动信号，对记录的信号处理可直接得到其统计规律，对研究典型荷载的振源强度、频谱成分和分布规律具有重要的指导意义。

其次，振动波在不同介质中传递衰减特性差别较大，对距离线路中心线不同距离测点的振动响应进行测试，总结分析不同距离测点振动优势频率，并统计振动波随距离的衰减公式，可以为测试地区市域快线的减振设计提供技术支持[1-6]。

以前，环境振动测试多以普速铁路和城市轨道交通为主，近十年来高速铁路的振动危害越来越被关注，已经有不少学者做了初步探索。夏禾等人分析了振动产生的原因，列车速度影响，振动的持续时间、强度分布等特点，并对列车周围地面及建筑物振动影响做了试验研究[7]；贺玉龙等对350 km/h高速铁路通过路堤、桥梁、路桥过渡段时产生的环境振动做了测试分析[8]；刘庆杰等从测试和数值分析两方面出发，对高架轨道诱发环境振动进行了研究，分析在简谐点荷载作用下，大地振动的特性及其衰减规律[9]；马利衡等对沪宁城际高速铁路列车运行引起的周围环境振动特性和振动传播规律，以及振动对京沪铁路地基沉降的影响进行了研究[10]。

但是，国内现有高铁环境振动测试大都在直线段进行，且地质条件多为偏北方地带，因此对高速铁路经过曲线段和沿海地质条件的环境振动测试很有必要。依托广深港高铁测试项目，主要通过对运行速度为300 km/h的高速列车通过高架桥的振动加速度级进行测试，分析了列车通过直线段和曲线段时各自的衰减规律及其频谱特性[11]，以期为今后的高铁建设提供宝贵的数据支持。

1 试验概况

1.1 断面选择与测点布置

结合广深高铁的具体情况，选择4个测试断面，分别为高架线路直线段和曲线段的跨中断面和桥墩断面，其中曲线段曲线半径为7 000 m，桥墩高度都在25 m左右，4个断面地质情况类似，地表均被淤泥质粉质黏土覆盖，桥墩周围有较厚回填土。

传感器布置情况如下：对于高架段地面环境振动，垂直于桥向方向共设有2个测试断面，分别为桥墩断面和跨中断面，桥墩断面测点的布设从墩脚开始为第一个点，依次设置6个测试点(Tp1～Tp6)，即距离右轨中心0、7.5、15、30、45、60 m处布设测点，跨中断面的6个测试点平行对齐于桥墩断面的6个测试点。每个测试点布置1个拾振仪，以捕捉垂向的振动情况，共12个测点。测点布置见图1。

图1 高架桥墩断面环境振动测点布置示意(单位：m)

1.2 测试内容

测试内容主要为环境振动振源及其振动衰减特性，计划在高速铁路列车正常运行情况下，在高架段进行测试，分析不同线路的环境振动加速度级。

1.3 测试仪器

数据采集仪采用的是拾振器和北京东方所DASP网络式智能采集仪，其适用于振动噪声、车载试验等动态数据采集与分析；拾振器的有效分析频率范围为0～200 Hz，DASP采集仪的采样频率设置为1024。拾振器布置方式：挖土至20 cm深，在其中水平放置1块钢板，并用土壤将其压实，最后将拾振器放置在上面。

2 评价标准及数据处理方法

通过傅里叶积分变换对有着较好效果的实验数据进行随机信号分析得到振动加速度频谱，然后通过1/3倍频程谱分别对直、曲段桥墩和跨中断面的铅锤Z振级进行频域分析[12-13]。具体计算公式如下。

(1)振动加速度级VAL

VAL=20lg(arms/a0)

(1)

式中VAL——振动加速度级，dB；

arms——振动加速度有效值，m/s2；

a0——基准加速度，取1×10-6m/s2。

(2)Z振级VLz

按IS02631-1-1997规定的全身铅垂方向振动不同频率计权因子修正后得到的振动加速度级，记为Z，单位dB。计算方法与式(1)完全相同，只不过公式中加速度取铅垂方向的修正值。

(2)

(3)

其中T——振动测量的平均时间，s；

aw——经过频率记权的加速度，m/s2。

3 测试结果分析

3.1 加速度分析

现场测试中，对通过各测试断面20趟列车的加速度时程进行记录，平均速度为300 km/h。并选出10组效果较好的数据进行分析。为了避免采集数据中其他振动的干扰，数据处理前均采用了滤波处理。提取数据，得到各测点最大加速度值如表1和图2所示。

表1 各测点最大加速度

图2 最大加速度衰减对比

由表1和图2可知，无论是跨中断面还是桥墩断面，曲线段振动加速度值均大于直线段振动加速度值；跨中与桥墩处都表现为，随着线路中心距离的增加加速度逐渐减小，这种衰减现象在0～15 m范围内尤其明显；当距离大于15 m后加速度衰减的速度明显降低，且随着距离接近60 m，曲线段与直线段的加速度差值逐渐减小，这种现象在桥墩处更明显。

图3 总振级衰减对比曲线

在相同距离情况下，桥墩断面振动加速度值均大于跨中断面振动加速度值，且随着距离的增加，两者的加速度值逐渐趋于一致。

3.2 总振级分析

列车以300 km/h左右速度分别通过高架直线段和曲线段时环境振动Z振级如表2和图3所示。

表2 各测点总振级

由表2可知，直线段跨中断面、桥墩断面和曲线段跨中断面、桥墩断面，在30 m处的Z振级分别为68、68、69、72 dB，均低于80 dB限制，满足《城市区域环境振动标准》(GB10070—88)[14]的规定。

直线地段桥墩断面环境振动高于桥梁跨中断面3～7 dB；曲线地段桥墩断面环境振动高于桥梁跨中断面2～10 dB，曲线段环境振动高于直线段环境振动1～6 dB，且在桥墩断面更加明显。对于直线段，桥墩和跨中振源环境振动分别为84 dB和77 dB，曲线段桥墩和跨中振源环境振动分别为90 dB和80 dB，曲线段跨中和桥墩断面的Z振级比直线段大6 dB和3 dB。对比图3(a)、图3(b)的衰减特性可知，高速列车运行引起的环境振动随着距线路中心距离的增加，环境振动逐渐减小，且距离大于15 m后衰减速度降低。桥墩断面环境振动均大于跨中断面环境振动，曲线段环境振动高于直线段环境振动，但对于直线段桥墩断面和曲线段跨中断面，在0～25 m范围内，前者较高，在大于25 m范围内后者较高。

3.3 频谱特性分析

分别绘制1～200 Hz范围内，直、曲段桥梁跨中断面和桥墩断面的1/3倍频程谱图，如图4、图5所示。

分析图4、图5可知，直线段和曲线段的环境振动主要为200 Hz以下的低频振动，主频集中在8～80 Hz范围内，且在5～12.5 Hz和20～80 Hz范围内存在2个明显的峰值，这与已有文献相吻合[15]。此外，频谱图曲线均呈现出，在5～20 Hz低频率范围内密集，而在20～80 Hz较高频率范围内较为疏散的现象，以直线段桥墩断面为例进行具体分析，在0 m处，频率为8 Hz和60 Hz时的Z振级分别为68 dB和82 dB，当距离为60 m时，Z振级分别为55 dB和43 dB，8 Hz处衰减了13 dB，而60 Hz处衰减了39 dB，这说明高频部分的Z振级衰减速度大于低频部分的Z振级衰减速度，可以推知低频部分在土体中传播的距离更远。

图4 直线段1/3倍频程谱

图5 曲线段1/3倍频程谱

由图4、图5可知，0～60 m范围内，直线段桥梁跨中断面的主频随距离变化依次为31.5、10、10、10、10、10 Hz，主频处的Z振级分别为72、71、69、66、55、51 dB，而桥墩断面的主频随距离变化依次为63、40、25、8、8、20 Hz，主频处的Z振级分别为82、76、67、64、66、60 dB；曲线段桥梁跨中断面的主频随距离变化依次为63、25、16、8、8、8 Hz，主频处的Z振级分别为75、66、65、64、67、66 dB，而桥墩断面的主频随距离变化依次为31.5、25、10、10、10、6.3 Hz，主频处的Z振级分别为89、81、74、64、65、65 dB。由以上数据可知，直线段和曲线段都表现为，随着中心距离的增加，主频频率逐渐由高频率变为低频率；此外，在0～30 m的范围内，主频振级随中心距离增加而降低，然而在45 m处，直线桥墩断面、曲线跨中和桥墩断面的主频振级有所增大，根据文献[16]可知，这是由于底部基岩反射导致的振动加剧所至。

4 结论

通过对广深港高铁线路中某区间的直线段和曲线段的桥梁跨中和桥墩断面进行测试，对这4种工况的Z振级和频谱特性进行了分析，得到以下结论。

(1)当距离线路中心线30 m时，该高铁线路直线段和曲线段铅锤Z振级均低于80 dB，符合《城市区域环境振动标准》的要求。

(2)速度为300 km/h的情况下，曲线段的振动源强大于直线段的振动源强，桥墩处大6 dB，跨中处大3 dB；随着距离增加，直曲段的Z振级都逐渐降低，在0～15 m范围内降幅最为明显，当距离大于15 m时，衰减幅度放缓。

(3)当距离在0～25 m时，直线段桥墩断面相比曲线段跨中断面Z振级更大，当距离大于25 m时，结果相反；总的来看，曲线段环境振动大于直线段环境振动，桥墩处环境振动大于跨中处环境振动。

(4)高速列车通过直、曲段时引发环境振动，源强处的主频主要在31.5～63 Hz范围内，且在5～12.5 Hz和20～80 Hz范围内存在着两个明显的峰值。

(5)当距离中线距离较近时，对环境振动影响较大的主要为25～80 Hz范围内的高频部分；当距离较远时，环境振动的优势频率在10 Hz左右。

(6)在45 m处，直线桥墩断面、曲线跨中和桥墩断面的主频振级相比30 m处都有所增大，且主频都为低频，这是由于低频振动能量在土层中的传播距离更远，再由下层基岩反射导致的振动加强。

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