城市有轨电车引发的建筑结构振动响应

张锦东 卢家森 罗晓群 张其林

摘要：为分析城市有轨电车运行引发的建筑结构振动舒适度，基于MATLAB设计结构振动舒适度的计算程序，可结合结构健康监测系统的监测数据对建筑结构的振动舒适度进行分析。采用某有轨电车运行中的实测数据，分析车辆段和行车段电车引发的振动，研究有轨电车的振动响应特性。分析结果表明：有轨电车运行引发的高频振动传至上盖结构几乎已完全消散;上盖结构的振动频率集中在16～20 Hz区间，以有轨电车的低频振动和结构相关附属机器的振动为主。减小有轨电车的行驶速度、增加建筑物与振动源的距离或控制楼内附属机器的振动可明显控制振动。在加速过程中，电车与地面和轨道会产生共振，因此存在振动加速度级的极大值。

关键词：有轨电车;上盖结构;振动舒适度;振动控制

中图分类号：TU317

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2019）02-0042-05

0 引 言

随着轨道交通的迅速发展，负责列车日常检修与维护的车辆段也越来越多。目前，增加车辆段土地利用率的常见做法是在车辆段上盖大平台上进行商业开发，建设住宅以及商业区等。列车检修维护运行产生的振动沿下部结构向上传播，造成上部建筑结构的二次振动。此类振动对结构安全性不会产生影响，但会影响建筑物内居住者的舒适度，降低建筑的适用性能。

国内已有学者对地铁车辆段的振动和噪声进行相关研究。曾泽民[1]对地铁车辆段的振动规律进行总结，提出相应的减振措施;王晓盼[2]对有轨电车轨道结构的振动传递特性和行车动力特性进行分析，为轨道结构的减振研究提供理论指导;徐连萍等[3]对有轨电车的噪声机理进行研究，提出噪声控制的关键技术;罗锟等[4]提出实现轮轨耦合仿真的改进方法，研究有轨电车诱发的大地振动特性。基于地铁或有轨电车振动控制的一系列研究成果，学者们分别提出上盖结构的振动模拟方法[5]、减振降噪方法[6]和其他相关设计方法[7-8]。本文根据珠海有轨电车车辆段和行车段的实测数据，设计相关程序，分析有轨电车运行时上盖和沿线建筑的振动规律，分析结果对提高地铁上盖物业适用性和城市土地综合利用效率具有重要的理论意义和实用价值。

1 振动舒适度评价标准和程序建立

1.1 参考标准

根据我国现行标准，以铅垂向Z振级作为振动评价指标，参考《城市区域环境振动测量方法》（GB/T 10071—1988）[9]、《住宅建筑室内振动限值及测量方法标准》（GB/T 50355—2018）[10]和《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170—2009）[11]，在1～80 Hz频率范围内采用分频限值，考虑人体对不同频率振动敏感性差异，采用1/3倍频程谱进行分析。

1.2 1/3倍频程谱分析与铅垂向Z振级计算

1/3倍频程谱常用于声学、人体振动和机械振动等测试分析中，由一系列频率点以及对应频率点附近频带内信号的有效值构成。各频率点被称为中心频率fc，中心频率附近的频带处于下限频率fl和上限频率fu之间。

在整个分析频率内按照不同的中心频率对采样信号进行带通滤波，计算滤波后数据的有效值，得到每个中心频率对应的振动加速度有效值。

中心频率的计权因子取值按《住宅建筑室内振动限值及测量方法标准》（GB/T 50355—2018）相关规定，见表1。

根据表1中的中心频率，由式（1）和（2）确定带通滤波的上、下限频率，得到各频带内的振动加速度有效值，再由式（3）和（4）计算得到铅垂向Z振级。

1.3 振动舒适度计算程序

采用MATLAB建立振动舒适度计算程序，输入现场采集的加速度响应数据，根据采样规则，设置1/2采样频率的低通滤波器进行低通滤波后，再进行1/3倍频程分析，计算铅垂向Z振级。根据铅垂向Z振级判断振动舒适度是否满足要求，并保存计算结果，输出图片。振动舒适度计算流程见图1。本程序可用于现场采集数据的实时计算，也可以与结构健康监测系统的数据相结合，进行结构振动舒适度分析。

2 振动舒适度分析

2.1 工程概况

应用上述程序，对珠海现代有轨电车1号线的车辆段和行车段进行现场实测，分析有轨电车运行对沿线和上盖建筑振动舒适度的影响。

在车辆段的上盖建筑中设置34个测点，研究电车引发的振动在竖直方向的传播规律;在行车段轨道附近设置24个测点，研究电车引发的振动在水平方向的传播规律。在设定的测点处进行现场实测，用前文的振动舒适度计算程序计算电车行驶过程中各测点处的铅垂向Z振级。

现场采集设备采用东方所3062T云智慧采集仪，采样频率为256 Hz;采用朗斯LC0132T型加速度传感器，灵敏度为50 000 mV/g，量程為0.1g，频率范围0.05～500.00 Hz，分辨率为0.000 000 4g。车辆段上盖结构建筑分布见图2，其中虚线处为上盖结构下部的车辆检修和停车库。行车段沿线测点布置见图3，车辆段上盖结构的测点布置见表2。

2.2 上盖结构振动舒适度分析

从电车进入车辆段至车辆完全停止，大约需要6 min时间，因此每个测点采集时长为300 s，采集时间为电车开始进入车辆段园区内到车辆完全停止。限于篇幅，仅列出综合楼右4F第3层测点1的加速度时程曲线、1/3倍频程谱的分析结果以及铅垂向Z振级随时间的变化关系，见图4。各测点的1/3倍频程谱分析结果相似，各测点在16～20 Hz的中心点处具有最大峰值，说明测量点的振动主要集中在16～20 Hz区间，电车引起的高频振动在上盖结构中几乎完全消散，振动能量集中的区域是车辆段内的机器运转引发的振动以及电车运行传至上盖结构的低频振动。由测点的铅垂向Z振级随时间的变化可知，电车运行过程对上盖结构造成一定影响，测点处铅垂向Z振级在电车运行过程中出现较明显增加。

根据《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170—2009），轨道沿线建筑物按功能划分为5类区域判断建筑物室内振动是否达到或超过限值，见表3。

有轨电车运行时段为6：00—22：00，有轨电车的车辆段测点均为办公区域，因此采用铅垂向Z振级为70 dB判断其铅垂向Z振级是否符合规范要求。

综合楼右4F、左5F和车辆段上盖结构的34个测点因电车收发车或电车检修引发结构振动的铅垂向Z振级计算结果见图5。参考《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170—2009），综合楼的振级限值为70 dB。由图5可知：综合楼右4F、左5F和车辆段上盖结构的铅垂向Z振级约为64 dB，未超过标准规定的限值，综合楼和车辆段上盖结构的振动舒适度满足要求。

2.3 电车运行沿线振动规律分析

不同运行速度下轨道附近各测点的铅垂向Z振级计算结果见图6，1～5号测点分别为折线内距离轨道5、10、15、20和30 m的測点，可以看出：绝大部分测点的铅垂向Z振级已经超出规范给出的交通干线两侧区域的限值75 dB。在一定范围内减小电车的行驶速度或增加建筑物与振动源的距离可明显减小振动加速度级。在行车速度为5 km/h时，距离轨道的水平距离大于20 m即可保证其铅垂向Z振级符合规范的要求;当行车速度大于5 km/h时，若要满足规范对振动舒适度的要求，则建筑轨道水平距离须大于30 m。

车速和建筑物与振动源距离对铅垂向Z振级的影响见图7。由此可知，沿线振动加速度级并不随车速的增长而一直增长。在车速为20 km/h时，除距离轨道水平距离为15 m的测点外，其余测点均具有最大振动加速度级，说明在车速为20 km/h时，车辆的行驶可引发车辆与地面和轨道的共振。因此，车辆在驶出车辆段的加速区间内，应尽量避免长时间在20 km/h左右的速度下行驶，以免引起较大的振动，影响周围建筑内的振动舒适度。

3 结 论

设计振动舒适度分析程序，用于实时监测或结合结构健康监测系统对建筑结构的振动舒适度进行判断。应用此程序分析珠海有轨电车1号线的车辆段综合楼和有轨电车沿线建筑的振动和噪声，参考《城市区域环境振动测量方法》（GB/T 10071—1988）、《住宅建筑室内振动限值及测量方法标准》（GB/T 50355—2018）和《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》（JGJ/T 170—2009）的相关规定，得出结论和建议如下。

（1）有轨电车的收发车和检修振动不影响上盖结构的振动舒适度，有轨电车运行引发的高频振动传至上盖结构几乎已完全消散，上盖结构的振动以有轨电车传至上部的低频振动以及结构相关附属机器的振动为主，可通过控制楼内附属机器的振动对上部结构的振动舒适度进行有效控制。

（2）减小有轨电车的行驶速度或者增加建筑物与振动源的距离可明显控制振动加速度级。在不同的运行速度下，有轨电车运行引发的振动在水平距离大于30 m时几乎完全衰减。在车辆段区间内，由于电车的行驶速度很慢，水平距离大于20 m即可保证其铅垂向Z振级符合规范对上盖结构的铅垂向Z振级的要求。

（3）车辆段的上盖结构与振动源距离普遍大于20 m，若考虑振动在竖向的衰减因素，上盖结构几乎不会受有轨电车收发车和检修振动的影响。

（4）在车辆驶出车辆段后的加速过程中，振动加速度级在某速度区间内会因车辆与地面和轨道的共振而产生振动加速度级的极大值。在本文工程中，车速为20 km/h时振动加速度级达到最大，应尽量避免车辆长时间以20 km/h左右的速度行驶。

本文建立的振动舒适度分析程序可用于现场实测数据的实时计算，也可与结构健康监测系统采集的数据相结合进行结构振动舒适度分析，具有一定的工程实际意义。

参考文献：

[1] 曾泽民. 地铁车辆段列车运行引发振动与噪声效应的现场试验研究[D]. 广州：华南理工大学， 2015.

[2] 王晓盼. 有轨电车轨道结构振动传递特性和行车动力特性分析[D]. 北京：北京交通大学， 2017.

[3] 徐连萍， 邵俊捷. 现代有轨电车噪声机理及减振降噪技术[J]. 城市轨道交通研究， 2017， 20（2）：101-104. DOI：10.16037/j.1007-869x.2017.02.026.

[4] 罗锟， 汪振国， 雷晓燕， 等. 现代有轨电车诱发的大地振动特性分析[J]. 噪声与振动控制， 2018， 38（2）：113-119. DOI：10.3969/j.issn.1006-1355.2018.02.023.

[5] 严舒玮. 考虑连接局部细节的地铁上盖建筑物振动性能模拟方法及其应用[D]. 南京：东南大学， 2017.

[6] 徐会， 唐扬. 地铁车辆段上盖开发中减振降噪措施应用综述[J]. 环境与发展， 2016， 28（6）：6-10. DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2016.06.002.

[7] 王瑞峰， 舒睿斌， 陈锴. 地铁上盖结构的设计研究和实践[J]. 山西建筑， 2015， 41（35）：50-52. DOI：10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2015.35.028.

[8] 吴映栋， 吴雪峰， 詹乐斌， 等. 地铁上盖物业结构设计探讨[J]. 建筑结构， 2016， 46（16）：34-40. DOI：10.19701/j.jzjg.2016.16.007.

[9] 城市区域环境振动测量方法：GB/T 10071—1988[S].

[10] 住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准：GB/T 50355—2018[S].

[11] 城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准：JGJ/T 170—2009[S].

（编辑 武晓英）