附建式变电站振动与二次噪声问题

谢伟平， 曾士文

(武汉理工大学 土木工程与建筑学院, 湖北 武汉 430070)

随着城市建设快速推进，用电负荷不断增长且城市用地逐渐紧张，附建式变电站应运而生。所谓附建式变电站是指本需独立占地的变电站主控楼成为一栋综合建筑楼中的一部分。但由于附建式变电站内部的变配电室与建筑中其他房间共用结构梁、柱等构件，其内部固定设备的振动将通过梁、柱、板、墙等构件直接传入其他房间中，诱发严重的结构振动及二次噪声问题，影响其他房间的使用功能[1～4]。此类固定设备的振动频率较低且具有独特的时频特性，在混凝土结构中衰减较慢、传播距离较远，由此引发的二次噪声影响范围较大，且其主要频率以低频段为主[5,6]，这对综合楼内的声环境可能产生较大影响。世界卫生组织WHO(World Health Organization)的报告中已指出，人体对低频噪声较为敏感，即使低频噪声声压级较低仍会对人体的正常工作与休息产生较大程度影响[7]。因此有必要对附建式变电站固定设备诱发的振动与二次噪声问题进行研究。

国内外学者对此问题进行研究，并获得了一些研究成果。Liu等[8]对某城市50座110 kV室内变电站进行了现场实测，得到了主要噪声源为变压器，对其噪声机理与主要频率进行了分析，同时总结了几种降噪措施。Wang等[9]提出了一种改进的室内变电站低噪声设计程序，对电力变压器的声辐射特性进行了分析，将电力变压器的外部声场量化和可视化，再根据噪声测量结果以及各部门的反馈对设计进行指导。Fan等[10]对某室内变电站进行了噪声实测，发现变压器产生的主要噪声频率为250，500 Hz，同时发现变电室正上方的住宅卧室为噪声最敏感点。曹枚根等[11,12]采用现场实测的方法对220 kV朝阳门地下变电站及其耦连建筑进行分析，得到了振动随距离衰减的公式及由楼板振级推算声级的预估公式。洪陈玉、高芳清等[2]采用振动实测与数值模拟相结合的方法对某小区变压器进行了研究，对振动在该站结构中的传播规律进行了分析。戴志勇等[13]建立了4种典型附建式变电站整体有限元模型，对各模型进行了舒适度评价，并对隔振垫的刚度影响进行了分析。

上述对附建式变电站振动与二次噪声问题的研究已经取得一定成果，但主要以实测研究为主，使用数值方法计算时未考虑弱振条件下各种非结构因素的影响，且未以实测数据加以验证，不能准确预测振动与二次噪声。本文建立了基于舒适度问题的附建式变电站精细化有限元模型，结合实测数据验证了模型准确性，并对振动传播规律进行了研究；在此基础上建立了附建式变电站综合楼全楼有限元模型，对上部结构敏感点振动进行了预测与舒适度评价；建立了声学有限元模型，对综合楼内由结构振动诱发的二次噪声进行预测并对其特性进行分析，为本综合楼后续工程提供可行的建议，并为其他类似工程提供参考。

1 工程概况

某附建式变电站综合楼位于市区人口密集区域，一侧为某高校校区，其他方向则与多个居民小区相邻，所以该变电站日常运行的振动与噪声环境也被提出了较高要求。该附建式变电站综合楼为某变电站与某高校创新创业楼合建，综合楼全楼设计包括地下两层加地上十二层，总建筑面积约为24000 m2。其中预计地下一、二层以及地上一、二层为变电站部分，三层为设备转换层，四～十二层为研发办公部分。目前已完成第一阶段工程，即变电站部分，如图1所示，上部结构尚在计划建设阶段。故亟需准确有效的数值方法对建设完成后的附建式变电站综合楼进行振动与二次噪声预测。

图1 附建式变电站实景

2 附建式变电站数值模拟

2.1 基于舒适度问题的有限元模型建立

本文关注的振动舒适度问题属于弱振问题，它主要对结构在微幅振动下的适用性能进行研究，该条件下各种非结构构件均会参与结构的振动，并使结构的刚度分布、阻尼特性和质量分布发生变化，直接对结构的动力特性产生影响，使结构动力计算的结果出现较大偏差[14,15]。尤其是本文中由于变电站属于特种结构，装饰面层厚度甚至能达到60 mm，因此装饰面层导致楼板厚度的增加将不可忽略。此外变电站固定设备振动诱发的二次噪声是通过梁、柱、楼板和墙体等构件在结构中传播的，若参照基于结构安全性的强震计算模型忽略填充墙等构件，则无法对结构振动引发的二次噪声进行准确预测。故需采取更加精细的有限元建模方法，相关影响因素应考虑得更加细致[14]。

因此本文在建立结构有限元模型时，考虑填充墙、楼面板装饰面层、活荷载、门窗等因素进行了修正，其中将楼板、填充墙、外墙等均考虑为弹性板，将楼板的装饰面层等根据刚度及质量等效原则折算成楼板的附加厚度，将活载考虑为板的附加质量，对楼板质量进行修正。由于振源位于结构内部且分析对象均为弱振条件下的结构内部振动，故将变电站底部与土接触处均考虑为固接。使用ANSYS进行建模，梁、柱均使用Beam188单元进行模拟，板、墙用Shell181单元模拟变电站三维精细化有限元模型如图2所示。

图2 变电站三维精细化有限元模型

2.2 荷载输入与动力计算方法

附建式变电站中固定设备振动主要由变压器及电抗器引发，由于本工程设计阶段已考虑振动问题将变压器基础与结构完全断开，故本文主要对电抗器诱发振动与二次噪声问题进行研究。本文将电抗器设备支座与下部支承柱间的连接视为刚接，将电抗器设备支座振动视作与电抗器支承柱顶振动相同。由于每台电抗器的三个支座平均分布在电抗器下部，故每个支座承受的电抗器质量均为总质量的1/3，根据厂家提供的单台电抗器质量为m=17720 kg，故每支座处的设备荷载可简化为F(t)=(m/3)a(t)，a(t)为实测得到的2#电抗器支承柱顶加速度时程或3#电抗器支承柱顶加速度时程， 2#电抗器已加装隔振支座，3#电抗器未加装隔振支座，该加速度时程如图3所示。

图3 2#,3#电抗器振源振动时程曲线

采用Newmark-β直接积分法对变电站结构进行动力响应计算。积分时间步长取Δt=0.002 s，根据Nyquist Frequency定理，可对0～250 Hz范围内的振动进行精确计算，满足附建式变电站结构振动关注范围。

2.3 有限元模型验证

对变电站有限元模型进行荷载输入并进行动力计算，分析电抗器室楼板振动响应并与实测进行对比，结果如图4所示。

图4 3#测点数值计算结果与实测结果对比

由图4可看出，计算得到的楼板振动响应模拟值与实测值均具有相同的频谱特性，卓越频率均为100，200 Hz；振动加速度大小也与实测接近，3#点的仿真计算加速度均方根值与实测加速度均方根值分别为0.0290，0.0326 m/s2。这说明基于舒适度问题建立的数值计算模型能较好的反应实际结构的动力特性及振动响应。

2.4 振动传播规律分析

在验证了模型构建方法及计算方法有效性的基础上，对变电站内固定设备电抗器诱发的振动在结构中的传播规律进行分析。

2.4.1 振源同层内电抗器振动传播规律

在地上一层0标高同层内，由于本变电站x方向跨度较小，且6台电抗器沿x方向布置成一排，影响范围较大，故同层内仅考察振动沿y方向的衰减规律，在10 kV配电装置室内大约每6 m布置一个考察点，考察点均为楼板中心。考察点编号顺序为沿远离振源方向增大，其中最接近振源的考察点1距振源约6 m，考察点分布如图5所示。

图5 振源同层内考察点分布示意

各考察点铅垂向z振级变化如图6所示。

图6 振源同层内振动沿y方向传播规律

由图6可看出，振动沿y方向呈整体衰减趋势，从考察点1到考察点9共衰减11.4 dB，但仅从考察点1到考察点2的振动衰减幅度较大，后面远离振源的考察点衰减不再显著，说明同一层内沿y方向仅距振源10 m范围内设备诱发的振动影响较大。此外在考察点3,6处出现起伏点，说明此振动沿y方向的传播除了距离的影响，还与结构形式与构件尺寸等因素有关，考察点3，6振动响应较大与此处楼板所受其他构件约束较弱，且局部刚度较小有关。

2.4.2 电抗器振动对上层建筑影响

选取与实测电抗器室3#,4#楼板对应点及其正上方楼板点进行考察，包括0，5，14 m标高三层。结果如表1所示。

表1 电抗器室上部楼板z振级 dB

由表1可知，在相同位置振动沿z方向向上传播时，地上二层楼板响应比电抗器室内楼板响应衰减幅度较大，z振级平均衰减幅度达到12.94 dB，而振动从地上二层传播到地上三层处时衰减幅度则较小，z振级平均衰减幅度为3.24 dB，这说明主要是在振源邻层内衰减较大，这与实测发现的附建式变电站内固定设备振动沿z方向向下一层传播时衰减较大的规律相同，所以主要是同层及上一层的局部房间受电抗器振动影响较大。

2.5 六台电抗器作用下结构振动预测

目前本文所研究的附建式变电站仅有4台电抗器处于运行状态，故在前文中的实测以及数值模拟研究中，均考虑的是与实际相同的振源状态，即仅有4台电抗器作为激励源。而在未来该变电站中的电抗器增加至6台，故有必要对6台电抗器振源同时运行时结构的振动响应进行预测。

在同时施加6台电抗器荷载后，同样选取与实测电抗器室3#，4#楼板对应点及其正上方楼板点进行考察，包括0，5，14 m标高三层。结果如表2所示。

由表2可知，与4台电抗器加载工况下相比，6台电抗器全部运转时，电抗器室内3#，4#楼板测点z振级增加不大，仅平均增加1.19 dB；当在相同位置振动沿z方向向上传播时，4台电抗器加载与6台电抗器加载情况下，二层楼板响应比电抗器室内楼板响应均有较大衰减，6台电抗器加载情况下仅比4台电抗器加载平均增加1.07 dB；当振动继续z方向向上传播时，三层对应楼板考察点处振动响应反而均有较大增长，6台电抗器加载工况相较4台电抗器加载工况，三层考察点z振级平均增加2.81 dB，三层考察点的振动响应大小与二层考察点较为接近。这说明相较于4台电抗器加载工况，6台电抗器加载工况下，附建式变电站结构中第三层比第一层与第二层受到更大的影响。

表2 两种工况下电抗器室上部楼板z振级 dB

当未来6台电抗器均投入使用时，附建式变电站结构内振动较敏感点楼层将会发生上移，故需对上部结构进行进一步的模拟分析。

3 综合楼振动预测

在前文已验证变电站部分的模型构建和计算方法有效性的情况下，建立基于舒适度评价的附建式变电站综合楼结构精细化有限元模型并进行动力分析，综合楼三维精细化有限元模型如图7所示。

图7 综合楼三维精细化有限元模型

3.1 振动沿综合楼高度传播规律

为研究附建式变电站内固定设备电抗器诱发的振动在综合楼全楼内沿楼层高度的传播规律，本小节对多个楼板考察点振动响应进行分析。本节选择3#电抗器正上方楼板的正中心作为考察点，从第三层至屋顶共有11个考察点，它们间的高度差均为3.6 m，楼板振动响应沿综合楼高度的传播规律如图8所示。

图8 楼板振动响应沿楼层高度方向传播规律

由图8可知，振动沿楼层高度的衰减呈现出先减小后变大的变化趋势，前9层中的衰减较为平缓，在第10层处衰减达到最大，此后楼板振动响应反而依层增大，与第三层相比，第十层楼板振动响应衰减了13.49 dB，屋顶板振动响应反而比第十层增加了8.47 dB，出现反弹现象。此外对第十层点与屋顶点振动响应的频谱特性分析发现，两者最为显著的是带有明显振源特性的100 Hz及200 Hz，其次就是在它们各自的一阶频率处，其中10层楼板为45.78 Hz，屋顶板为44.80 Hz，两者的频谱特性较为接近，说明并不是后者的基频更接近激励频率导致响应放大。此处振动沿楼层传播先减小再增大可能是由于结构的整体动力特性所致。

3.2 变电站邻近层内振动传播规律

3.2.1 第三层内振动传播规律

为研究附建式变电站内固定设备电抗器诱发的振动在综合楼同一层内的传播规律，本小节选用受该振动影响较大的紧挨附建式变电站的第三层(即设备转换层)作为考察对象。由于该层为设备转换层，故仅有该层平面内正中心沿y方向连续布置的四间房间为振动与噪声敏感点，本文取这几间房间内楼板正中心节点作为考察点，此处沿远离振源方向共有沿y方向布置的8块楼板，故共有8个考察点，各点均为相邻楼板正中心，考察点编号顺序为沿远离振源方向增大，考察区域如图9所示。

图9 第三层振动考察区域分布

楼板振动在第三层内的传播规律如图10所示。

图10 第三层内振动沿y方向传播规律

由图10可知，第三层考察点的振动响应随着远离振源方向呈现先增加再整体衰减的趋势，在2#考察点出现最大的振动响应，此后共衰减23.84 dB，然后在4#，8#考察点振动响应均较相邻点略有增大。这是由于此处构件尺寸相对较小，结构局部刚度较弱，导致楼板响应略有增加。

3.2.2 第四层内振动传播规律

由于第三层为设备转换层，并不属于研发办公区部分，故本节以研发办公区(即四至十二层部分)中受附建式变电站内固定设备电抗器诱发的振动影响较大的第四层作为考察对象。与前文相同，本节仍只考虑振动沿y方向的传播规律。以第四层中电抗器室正上方楼板正中央为初始考察点，选取其y方向的相邻楼板正中心为考察点，共选取10个考察点，考察点编号顺序为沿远离振源方向增大，考察区域如图11所示。

图11 第四层内振动沿y方向传播规律

楼板振动在第四层内的传播规律如图12所示。

图12 第四层内振动沿y方向传播规律

由图12可知，附建式变电站内固定设备诱发振动在第四层结构内的衰减与第三层中几乎完全相同，第四层考察点的振动响应随着远离振源方向呈现先增加再整体衰减的趋势，在3#考察点出现最大的振动响应，此后共衰减20.28 dB。在5#考察点振动响应较4#考察点略有增大，当振动传播到最后一个考察点时振动响应有所增加。这是由于此处构件尺寸相对较小，结构局部刚度较弱，导致楼板响应略有增加。

3.3 综合楼振动舒适度评价

根据本节前几小节的研究，可得到综合楼内振动较不利的振动敏感点，分别包括电抗器室正上方楼板考察点中的第三层、第五层；第三层振动敏感考察点中的2#考察点；第四层考察点中的3#考察点。

本小节将对这些振动不利点进行舒适度评价，由于尚无完全针对附建式变电站这种特殊结构的振动舒适度评价标准。本文参考GB/T 50355—2018《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》[16]对综合楼内的振动敏感点进行评价，以其对起居室的标准对综合楼内研究办公室进行评价，评价量为铅垂向z振级，限值如表3所示。

表3 住宅建筑室内振动限值 dB

对较不利点分别进行振动舒适度评价，结果如表4所示。

由表4可看出，根据分析振动传播规律找出的振动响应较为明显的4个振动敏感考察点的铅垂向z振级均可满足该规范限值要求。

表4 振动敏感点铅垂向z振级 dB

4 二次噪声预测

以综合楼研发办公区域中振动响应最为显著的敏感房间第四层四号研究室作为考察对象，基于前文振动的准确计算，使用声学有限元方法对其二次噪声进行预测。

据考察房间坐标建立几何模型，对其进行声学网格划分，声在空气中的传播速度设为340 m/s2，声学网格大小取为0.1 m，空气密度设为1.225 kg/m3。采用最大距离映射法将结构振动有限元模型计算得到的振动网格和振动响应作为声学有限元模型的边界条件导入，建立声学有限元模型如图13a，内部声压场点分布如图13b所示，其中房间尺寸为7 m×10.825 m×3.6 m。

图13 考察房间声学模型

对考察房间内高1.2 m，x方向相距2 m，y方向相距2 m处场点声场进行考察，研究考察房间内声场分布规律。共计15个场点，分布如图13b所示，图中每个小方格尺寸为1 m×1 m，各场点1/3倍频程声压曲线如图14所示。

图14 考察房间内各场点1/3倍频程声压曲线

由图14可发现，15个场点频谱特性一致，声压幅值均在31.5，50，100 Hz处出现峰值。

x=1，3 m处的场点声压幅值主要集中在以50 Hz为中心频率的频段上；而在x=5 m处的场点中，随着远离振源的方向，各场点的主要声压响应转而集中在以100 Hz为中心频率的频段内。

在x=1，5 m处，声压幅值最大的为最远离振源方向的y=9 m处，其次为最靠近振源的y=1 m处，声压响应最小的为房间中心处的y=5 m处；x=3 m处，除了靠近前后墙体的y=9，1 m外，在远离振源方向的y=7 m处也有较大的声压响应，在100 Hz中心频率处出现较大的峰值。这是因为y=9，1 m处分别靠近房间的前后两面墙体；而房间中部的y=5 m处则距所有墙体均最远，尽管其附近楼板响应大于其他场点，其声压幅值也远小于其他场点，这说明对于二次噪声，墙体影响较大。

综合分析得到，考察房间内声压响应最大点为场点平面中最右上角点，即x=5 m，y=9 m处，该点等效A声级为36.88 dB，满足GB 22337―2008《社会生活环境噪声排放标准》[17]的相关限值45 dB要求。

5 结 论

本文对武汉市某附建式变电站进行了振动与噪声实测，建立了基于舒适度问题的变电站精细化有限元模型，结合实测数据验证了模型准确性，对振动传播规律进行了研究；在此基础上建立了附建式变电站综合楼全楼有限元模型，对上部结构敏感点振动进行了预测与舒适度评价；建立了声学有限元模型，对综合楼内由结构振动诱发的二次噪声进行预测并对其特性进行了分析。主要结论如下：

(1)该电抗器振动为稳态振动，各振源测点铅垂向振动的优势频段均在250 Hz以下，幅值均在100 Hz及200 Hz处，具有明显的固定设备振动频率特性；结构各点的振动响应也具有相同的频谱特性。

(2)典型楼板测点振动响应仿真值与实测值均具有相同的频谱特性，卓越频率均为100 Hz和200 Hz；振动加速度大小也与实测接近，3#点的仿真计算加速度均方根值与实测加速度均方根值分别为0.0290,0.0326 m/s2。说明本文基于舒适度问题建立的数值计算模型能较好地反应实际结构的动力特性及振动响应。

(3)附建式变电站内，振动在振源同层及高度方向均仅在振源相邻楼板振动衰减幅度较大，后面远离振源的考察点衰减不再显著，所以主要是同层及上一层的局部房间受电抗器振动影响较大。

(4)在6台电抗器同时运行时，附建式变电站结构中第三层比第一层与第二层受到更大的影响。当未来6台电抗器均投入使用时，附建式变电站结构内振动较敏感楼层将会发生上移，故需对上部结构进行进一步的模拟分析。

(5)综合楼上部结构中，振动沿楼层高度的衰减呈现出先减小后变大的变化趋势，最大响应仍出现在与附建式变电站相邻的第三层；在第三、四层内，振动响应最大点分别出现在靠近振源方向的第2，3个考察点；对综合楼内振动较不利点进行舒适度评价，均能满足《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》限值要求。

(6)以综合楼研发办公区域中振动响应最为显著的敏感房间第四层四号研究室作为考察对象，使用声学有限元方法对其二次噪声进行预测，发现各场点均具有相同的频谱特性，声压幅值均在31.5，50，100 Hz处出现峰值；考察房间内声压响应最大点为场点平面中最右上角点，即x=5 m，y=9 m处，该点等效A声级为36.88 dB，满足《社会生活环境噪声排放标准》的相关限值45 dB要求。