地铁车站上盖建筑振动传播规律分析

郑钰钰，谢艳花，陶宁静，黄子贶，徐 敏，章玉容，袁宗浩

1.浙江工业大学土木工程学院，浙江杭州310014

2.中国联合工程有限公司，浙江杭州310052

0 引 言

地铁交通因其高效、安全、准时等特点，在我国飞速发展，成为解决城市道路拥挤及减少环境污染的重要手段。然而，地铁列车在运行时由于轮轨接触会产生振动，经周围地层进行传播，引起邻近建筑物的二次振动和噪声，影响人们的正常生活与工作［1］。

目前分析地铁列车引起的振动影响主要基于经验公式、现场试验以及数值分析等手段。经验模型只是相对简单的数学表达式，很难对振动对应的频率范围进行精确预测。数值模型预测振动需要花费大量的计算时间，且数值模型参数对振动影响的不确定性，需要对特定模型进行反复运算。因此，基于现场试验基础，查明场地振动波传递特性成为主要研究手段之一。Galvín等［2］通过对西班牙一条高速铁路进行振动现场实测，得到了列车振动在地面的传播规律。潘昌实等［3］对北京地铁崇文门至前门站的地铁区间列车振动进行了测试，并开展相应动态响应分析，得出了列车模拟荷载。孙晓静［4］采用现场测试研究了地铁列车运行对北京大学理科试验基地内精密仪器的振动影响。

研究表明，建筑物内的振动主要频率通常集中在20～50 Hz，以低频振动为主；建筑物的振动大小取决于建筑物基础的形式与质量，建筑物的重量，以及与建筑结构相互作用的土壤类型。另外，列车运行引起的振动随着列车速度的提高而增大。现有研究多针对正线列车运行时的上盖建筑振动开展研究，然而随着城市的发展，越来越多的综合体修建在地铁车站附近，从而引入了车站上盖建筑振动响应评价与预测的问题。

本文以杭州某地铁车站为研究对象，采用现场振动实测的方式研究了低层和高层建筑振动的传播规律，分别在频域和时域中对比了建筑振动沿楼层高度方向上的传播与衰减规律，着重讨论了低层和高层建筑地下室楼板和结构柱的振动传递特点，同时针对该工程采用不同的规范进行振动响应评价，分析了不同规范下振动水平的差异。

1 地铁隧道和抗浮板振动现场测试

1.1 场地概况

地铁振动测试范围位于杭州地铁4号线某区间段，选取典型上盖建筑开展振动测试工作。地铁4号线穿越本振动测试地块，其中16 层3#楼为办公写字楼；3 层7#楼为商场，项目地块下方为3层地下室，第2层为停车区和检票区，第3层为地铁运行层。7#楼位于地铁站正上方，3#楼靠近地铁站，地铁振动易通过结构柱传递至上部结构，故对7#楼、3#楼，及其下部地铁站进行振动监测。测试区位置见图1。

图1 测试区位置

1.2 上盖建筑车致振动测试点位布置情况

本文开展测试时采集仪的采样频率在7#楼和3#楼均为512 Hz。7#楼测试时，分别在地下1层的两根柱和一块板布置测点，在1 层和2 层的柱A、柱B、柱C、柱D、板A和柱C 旁板B 布置测点。测点布置见图2。3#楼测试时，由于建筑结构处于在建阶段，施工完成至第8 层，故分别在地下1 层、1层、3层、5层、7层的柱A、柱B、柱C、柱D、板A、板B布置测点。测点布置见图3。

图2 7#楼测点布置剖面

图3 3#楼测点布置剖面

2 上盖建筑过车振动结果分析

2.1 振动响应-时程分析

从现场测试中得到了地铁车辆段上盖建筑7#楼、3#楼各测点在不同楼层下的竖向振动加速度时程曲线图，见图4、图5。限于篇幅，选取7#楼柱A、板A位置两处测点，3#楼柱A、板B位置两处测点作分析对比。

图5 3#楼测点加速度时程

由图4、图5 可以看出，地铁过车振动响应具有持续性、先变大后减小的整体特点，且通过各测点时长约20 s，具有明显的列车过车现象。时程中段局部加速度的突然增大是由于列车各组轮对经过同一观测断面叠加所导致的。

由图4、图5 可知，柱和板的振动响应随着楼层的增加而波动衰减。对于高层建筑而言，地铁运行引起的振动响应随着楼层的增加呈现先减小再增大的变化趋势，由于振动波在建筑顶部发生入射和反射叠加，使得顶部的竖向振动加速度会出现放大现象。5层以下柱和板测点处的竖向振动加速度有明显衰减，5层以上变化较小。而对低层建筑而言，未能观察到此现象。

为了进一步比较振动在传播过程中不同位置对振动衰减的影响，选取各建筑地上1层测试结果作为数据分析对比，见图6。

图6 同层板、柱测点加速度时程

由图6可知，对比同一层楼板与柱测点的时域图可以发现，板的振动加速度明显大于柱的振动加速度，这是由于板的刚度远远小于柱的刚度且板振动可来源于多个结构柱，会产生叠加效应。

2.2 振动响应-频谱分析

通过傅里叶变换，得到相同位置不同楼层的振动加速度频谱曲线，用以研究振动频率特性，见图7、图8。

图7 7#楼测点加速度频程

图8 3#楼测点加速度频程

由图可知，各层竖向加速度包含的频率成分相似，柱的竖向振动主要分布在40～70 Hz，且还会在0～20 Hz出现分布；板的竖向振动主要分布在40～80 Hz，且还会在20～30 Hz出现分布。

板的振动加速度整体呈衰减趋势，由于顶层放大现象，导致7层略有增大，高频衰减速度较慢。柱的振动加速度也呈整体衰减趋势，顶层有放大现象，低频较高频衰减较慢，整体变化同板一致。随着楼层的增高，各层竖向加速度的低频成分得到明显加强。同时对比可以发现，在低层建筑中高频成分在柱和板中均没有明显的衰减，对应的高层建筑中高频成分在柱中由于传递路径直接衰减较小；而对于板而言，由于结构阻隔作用传递路径复杂，板中高频成分表现出明显的衰减。

2.3 振动水平评价指标与结果

为评价隧道振动响应，本文依据《城市区域环境振动测量方法（GB 10071—88）》［5］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）》［6］计算铅垂向Z振级和1/3倍频程中心频率上的最大振动加速度级VLmax。

1）《城市区域环境振动测量方法（GB 10071—88）》

该标准以铅垂向Z振级作为振动强度评价指标，适用于居民、文教区商业中心、工业集中区等多种区域的振动评价，其规定了城市区域环境振动的标准值及适用地带范围和监测方法，是最常用的城市环境振动噪声水平控制标准。标准中规定对于铁路振动取每次列车通过过程中的最大值，以20次列车最大值的算术平均值作为评价量，计权标准为《人体暴露于全身振动的评价 第1部分：一般要求（ISO 2631/1—1985）》。总Z 振级计算公式为：

2）《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）》

该标准给出了以分频最大振级作为振动强度指标，适用城市列车所引起的沿线建筑物振动与室内二次辐射噪声的控制和测量。分频最大振级指计权后1/3倍频程谱上幅值最高的频带的值，计权标准为《机械振动与冲击 人体暴露于全身振动的评价 第1部分：一般要求（ISO 2631/1—1997）》。采用该方法时可以对频段振动分析评价，常见方法有线性平均、峰值保持和最大值保持。为保持计算结果的稳定性和分析的可靠性，一般选择采用峰值保持法进行计算。

按照上述方法计算得到相同位置不同楼层的竖向振动加速度1/3倍频程曲线，见图9、图10。

图9 7#楼测点1/3倍频程

图10 3#楼测点1/3倍频程

由图9可知，7#楼柱和板的最大分频振级位于中心频率63 Hz处，其中柱B 测点的分频振级最大为64.02 dB，板A测点的分频振级最大为69.88 dB；由图10 可知，3#楼柱和板的最大分频振级位于中心频率63 Hz处，其中柱A测点的分频振级最大为69.63 dB，板B测点的分频振级最大为73.22 dB。

为了较好反映建筑振动的变化规律，采集多组地铁过车引起的建筑振动加速度信号，选取测点各层最大值并根据规范标准进行Z 振级分析，计算结果见表1。由于测试时间位于6∶00—22∶00，此处只将白天限值作分析对比。

表1 Z振级分析结果

由表1可知，7#楼所选柱A测点所有楼层、板A测点地下1层和地上2层，以及3#楼所选柱A测点所有楼层，板B测点5层和地下1层的测量数据结果均满足规范《城市区域环境振动测量方法（GB 10071—88）》《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）》的白天Z振级限值；7#楼所选板A测点地上1 层和3#楼所选板B 测点1 层、3层、7层有不同程度的超标。由表1可知，板B 1层测点处Z振级分别超出规范0.89 dB，在实际情况下，应根据超标情况对建筑或地铁列车处作一些减振处理。关于振动响应减振问题的处理，针对接近震源处的构件作减振处理能够更为直接地解决响应超标的问题。当建筑测点振动响应超标较小时，可通过在轨道处增加减振扣件来实现，有效减振约为2～5 dB，例如GJ-Ⅲ型减振降噪扣件、GJ-I型轨道减振器、双层非线性扣件等；而针对超标量值较大的情况，钢弹簧浮置板道床、Ⅲ减振器扣件+短轨枕式整体道床比普通整体道床能够有效减振5～10 dB。

以3#楼为例，随着楼层的升高，柱的Z振级先增大后衰减，在顶部有放大效应；板的Z振级先衰减后增大，在顶层有放大效应。

3 结 论

本文以杭州地铁4号线为背景，采用现场实测的方法获得了地铁下穿上盖建筑7#楼、3#楼不同楼层位置的振动实测数据，通过时程图、频谱图和1/3倍频程分析了地铁振动在上盖建筑传播振动衰减规律，对比了板和柱振动传播差异，采用不同规范对现有上盖建筑结构进行评价分析，提出减振意见，得到如下结论：

1）对于地铁车站附近的低层建筑，柱和板的振动总体上均随楼层高度上升波动衰减。

2）对于高层建筑，地铁引起柱和板的振动随着楼层的升高先增大再减小最后出现增大，先在1层增大，随后逐渐衰弱，再在顶层增大。顶层增大是由于振动波在建筑顶部发生入射和反射叠加，使得顶部的竖向振动加速度出现放大现象。

3）对比同一层楼板与柱测点可以发现，板的振动加速度明显大于柱的振动加速度，是由于楼板对柱边振动有一定程度的放大作用。

4）柱和板的竖向振动主要分布在40～70 Hz的高频部分；柱和板最大分频振级在中心频率为63 Hz，其余较高分频振级出现较多的频率为6.4～12.5 Hz。