地铁车辆段天车运行引发上盖物业振动试验研究*

刘堂辉 涂勤明 罗信伟 陈艳明 冯青松

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司，510010，广州；2.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，330013，南昌 ∥ 第一作者，高级设计师)

0 引言

为充分利用地铁车辆段地面和地上空间，不少城市尝试在地铁车辆段上盖进行物业开发。然而，地铁车辆段上盖物业的振动和噪声问题不容忽视。地铁检修库天车在运行过程中产生的振动通过牛腿—柱子—车辆段平台传至上盖建筑，从而引起上盖建筑的振动，进而诱发二次结构噪声。若人长期暴露在严重的振动和低频噪声环境下，人体的心血管和神经系统等生理功能可能会受到一定的损害。因此控制车辆段上盖物业的振动和噪声成为上盖物业是否开发成功的关键。

随着地铁车辆段上盖物业这类工程的不断发展，不少学者开始关注这类结构的振动噪声问题。文献[1-3]通过现场实测分析了地铁车辆段列车振动源强特性，并且建立了基于车辆段上盖物业振动舒适度评价的精细化有限元模型。文献[4]通过地震振动台试验，研究了沈阳某地铁车辆段上盖双子楼结构的振动特性。文献[5-8]对广州和深圳的地铁车辆段进行了现场实测，分析了车辆段内地铁振动在车辆段地面及上盖建筑物内的振动传播规律，并采用经验公式计算了建筑物内辐射的结构噪声。文献[9]提出了预测地铁车辆段上盖建筑振动的阻抗模型，该模型计算效率较高，适用于车辆段建设初期的初步预测评估。文献[10]提出了屏障减振措施，对比分析了屏障不同宽度、深度及填充材料的减振效果。文献[11-12]对某高架车辆段上盖七层住宅楼振动进行了实测和理论分析，理论模型采用二维车辆-轨道耦合模型和三维车辆段结构有限元模型，并采用动力刚度法预测了上盖建筑结构的振动。文献[13]通过现场实测和三维有限元模型分析了试车线和检修线双振源作用下车辆段上盖建筑物的振动特性。文献[14]通过现场实测分析了某下沉式双层地铁车辆段咽喉区的振动源强特性及振动在车辆段平台的传播规律。

上述研究更多关注地铁列车运行引起的车辆段及上盖建筑物的振动噪声问题，对天车运行引起车辆段的振动问题研究还较少。地铁车辆检修过程中需要使用天车，天车在运行过程中产生的振动同样不可忽视。与地铁列车运行引起车辆段上盖物业振动不同，天车运行产生的振动传递路径为轨道—牛腿—柱子—车辆段平台—上盖建筑物，振动能量不经过土体的衰减直接传至上盖建筑物。基于此，本文结合广州某地铁车辆段，通过采用现场试验手段对天车运行引起的振动源强和上盖建筑物振动进行研究，掌握天车的振动源强特性及其在车辆内的振动传播特征及规律，以期为地铁车辆段减振设计提供有益参考。

1 现场测试

1.1 工程概况

广州某地铁车辆段主要由运用库、调机及工程车库、联合检修库、试车线构成，其中天车主要在联合检修库。车辆段上盖物业开发包括住宅、商业、休闲娱乐、幼儿园、学校等。住宅共61栋，其中54#楼—61#楼位于联合检修库上方。本文试验断面正上方为57#楼，该栋楼为叠墅，共3层，测试期间主体结构已完工。

1.2 测点布置及试验工况

联合检修库天车振动源强共布置2个断面：断面一为天车轨道无缝断面，编号为L31-1；断面二为天车轨道接缝断面，编号为L31-2。两个断面间隔一个柱间距。分别在两个断面的牛腿处布置振动传感器。此外，在联合检修库上盖57#楼内1层和3层楼板中央和柱脚布置振动测点。

本次试验分为2种工况：工况1以最大载重量5 t运行，共运行10次；工况2以空载运行，共运行5次。2种工况下的天车运行速度约为4 km/h，天车现场运行如图1所示。

图1 广州某地铁车辆段联合检修库天车运行现场

1.3 测试仪器

本次测试采集仪采用德国Head公司SQuadriga III测试系统，源强处振动传感器采用PCB352振动加速度传感器，上盖建筑物内采用941B型振动加速度传感器。源强处和上盖建筑物内振动采样频率为500 Hz。

2 测试结果分析

2.1 振动源强分析

联合检修库在各工况下源强处振动加速度响应如表1所示，两断面牛腿处振动时频域分析如图2～3所示。可以看出，各测次振动加速度级离散性较小，测试结果比较理想。当天车以最大载重量在联合检修库内运行时，无缝处和钢轨接缝处牛腿的振动加速度级均值分别为94.3 dB和97.6 dB。当天车空载在联合检修库内运行时，无缝处和钢轨接缝处牛腿的振动加速度级均值分别为96.2 dB和99.2 dB。接缝处振动加速度明显较大

表1 广州某地铁车辆段联合检修库源强振动加速度级 单位：dB

图2 广州某地铁车辆段联合检修库断面L31-1牛腿不同工况下的振动时频域响应图

图3 广州某地铁车辆段联合检修库断面L31-2牛腿不同工况下的振动时频域响应图

于无缝处，两者相差有3～4 dB。建议车辆段内天车轨道使用无缝钢轨，从而达到减小振动源强的目的。与天车以最大载重量工况运行相比，同一速度(4 km/h)下天车空载运行引起的振动源强响应比满载工况还大，两者相差1～2 dB。天车运行过程中，牛腿处振动频率分布较为分散，其中卓越频率分布在100～150 Hz频段。

2.2 上盖建筑物振动分析

车辆段上盖建筑物室内振动评价量为Z振级(见表2)，评价标准参考GB/T 50355—2018《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》[15]。联合检修库天车运行诱发建筑物振动响应如表3所示。可以看出，天车以满载在联合检修库内运行时，上盖建筑物1层和3层楼板中央Z振级均值分别达到81.2 dB和84.9 dB，超过规范二级限值3～6 dB，这可能由于吊车振动直接通过牛腿—柱子—上盖平台传至上盖建筑物，振动能量不经过土体的衰减直接传至上盖建筑物，而混凝土结构阻抗较小，从而造成吊车运行引起上盖建筑物的振动响应较大。因此,在车辆段设计过程中,除了关注列车引起振动外，还需重点关注天车运行诱发上盖物业的振动。由于柱脚处受到梁和柱的约束作用，因此柱脚处的振动小于楼板中央的振动，两者相差10～15 dB左右。吊车运行引起上盖建筑物振动从1层传至3层时，柱脚和板中振动均有所放大。

表2 标准GB/T 50355—2018中规定的住宅建筑室内Z振级限值 单位：dB

表3 广州某地铁车辆段联合检修库天车诱发上盖物业57#楼Z振级 单位：dB

天车运行诱发上盖建筑物楼板中央和柱脚的1/3倍频如图4～5所示。从图中可以看出，建筑内1层板中振动峰值发生在31.5 Hz，3层板中振动峰值发生在25.0 Hz，这可能与楼板构造有关，3层楼板厚度小于1层楼板，导致3层楼板刚度小于1层楼板，使得3层楼板的振动峰值频率小于一层楼板。天车以满载和空载两种工况运行时，板中和柱脚振动在6.0～12.5 Hz频段有一定差异，在该频率范围，天车以满载工况运行引起上盖建筑的振动大于空载的工况，而在其它频率范围则相差不大。

图4 广州某地铁车辆段联合检修库天车诱发上盖物业57#楼楼板中央测点1/3倍频程图

图5 广州某地铁车辆段联合检修库天车诱发上盖物业57#楼柱脚测点1/3倍频程图

2.3 振动传递分析

天车运行引起振动在牛腿-上盖建筑物传递1/3倍频如图6所示。从图中可以看出：振动从上盖建筑物内1层柱脚向3层柱脚传递过程中，在3 Hz以内和80 Hz以上频率范围会有一定衰减，而在30～60 Hz频段则会有一定的放大，在5～20 Hz频段基本没有变化。在分析频率范围内，1层和3层柱脚振动相比振源牛腿处有明显衰减；在50 Hz以上，频率越高衰减越大；在200 Hz处衰减最大，达到30～40 dB。

图6 广州某地铁车辆段联合检修库天车运行振动传递1/3倍频图

3 结语

本文通过对天车运行引起地铁车辆段上盖建筑物振动进行了试验研究，基于试验结果分析了天车振动源强、上盖建筑物振动特性和振动传递规律，得到如下结论：

1) 天车在车辆段运行时，接缝处牛腿振动加速度明显较大于无缝处，两者相差3～4 dB。建议车辆段内天车轨道使用无缝钢轨，以达到减小振动源强的目的。

2) 天车振动能量通过阻抗较小的混凝土结构直接传至上盖建筑物，从而造成吊车运行引起上盖建筑物的振动响应较大。因此，在车辆段设计过程中，除关注列车引起振动外，还应重点关注天车运行诱发上盖物业的振动。

3) 天车以满载和空载两种工况运行时，上盖建筑物内楼板中央和柱脚振动在6.0～12.5 Hz频段有一定差异，在该频率范围，天车以满载工况运行引起上盖建筑的振动大于空载工况，而在其它频率范围则相差不大。

4) 天车引起的振动从上盖建筑物1层柱脚向3层柱脚传递时，Z振级出现一定的增大。在小于3 Hz以内和大于80 Hz频率范围会有一定衰减，而在30～60 Hz频段则会出现一定的放大，在5～20 Hz频段基本没有变化。