成渝高速鐵路地面三向振動總值特性分析*

賀玉龍 張群 彭也也 宋喆

(西南交通大學地球科學與環境工程學院 成都 610031)

0 引言

振動是高速鐵路運營期日益增長的環境問題之一[1]，當高速列車通過時，誘發鐵路沿線一定范圍內的地面產生垂向和水平向振動。目前的鐵路振動環境影響評價主要考慮地面垂向振動[2]，但已有研究表明，鐵路列車運行產生的水平向振動與垂向振動相當，有時候甚至大于垂向振動。夏禾[3]的數值模擬結果表明，距離軌道中心22.5 m處，兩個水平向的振動位移幅度接近于豎向；王常晶等[4]測試了列車移動荷載產生的地面三向振動，結果表明三個方向的場地振動速度幅值相當，水平振動甚至要大于垂直振動；周業梅等[5]現場測試表明，距離線路中心線7.5，22.5，30，45，52.5，60 m處的橫向Y振級和縱向X振級均大于豎向Z振級。因此，在研究軌道交通產生的環境振動影響時，也應考慮水平向的振動，不宜直接忽略水平向振動。根據ISO 2631-1:1997(我國標準《機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價第1部分：一般要求》GB/T 13441.1—2007 等效引用)，如果振動的優勢坐標軸不存在，即垂向、縱向、橫向的均方根加速度相差不大，建議用振動總量值或矢量和評價健康和安全，推薦振動總量值av用于舒適性評價，并鼓勵除計權值外還應報告未經計權的均方根加速度[6-7]。ISO 2631-2:2003(我國標準《機械振動與沖擊 人體暴露于全身振動的評價第2部分：建筑物內的振動(1Hz～80 Hz)》GB/T 13441.2—2008 等效引用)也指出，為了進行建筑物內振動對人舒適性和煩惱影響的評價，優先使用振動總計權值[8-9]。

本文對成渝高速鐵路某橋梁段和路堤段三向地面振動進行了現場測試，分析了計權和未計權振動總值隨距離的變化特性，并對比了以分貝數表示的計權振動總值與Z振級之間的關系。

1 現場測試

1.1 測點布置

現場測試地點分別為成渝高速鐵路簡陽市境內某高架橋段和相鄰路堤段，測點處列車運行速度(295±5) km/h，運營列車主要為16輛CRH380D型動車組。以線路方向為X軸(縱向)，水平面內垂直于線路方向為Y軸(橫向)，地面豎直向下為Z軸(垂向)。沿Y軸方向共布置5個測點，距橋梁中心線距離分別為7.5，15，22.5，30，45 m，距路堤中心線距離分別為20，30，45，60，75 m。在各個測點處均布置縱向、橫向、垂向加速度拾振器。

1.2 測試設備

地面三向振動數據采集采用東方振動和噪聲技術研究所INV3062-C1(S) 24位智能數據采集系統，拾振器為941B型垂向(V)和水平向(H)低頻振動傳感器。地面振動主要關注1～80 Hz頻率范圍，根據《環境振動監測技術規范》 (HJ 918—2017)[10]，采樣頻率為640 Hz。

路堤段共測試22趟、高架橋段共測試15趟動車組通過時的地面三向振動加速度數據。

1.3 三向振動測試結果

路堤段地面三向振動加速度有效值測試結果如表1所列。

表1 路堤段地面三向加速度有效值

由表1可知，路堤段水平向振動優勢頻率近場30～64 Hz，遠場縱向集中在30 Hz左右，遠場橫向集中于9.6 Hz。垂向振動優勢頻率近場20～45 Hz，遠場集中在22.4 Hz左右。

高架橋段地面三向振動加速度有效值測試結果如表2所列。

表2 高架橋段地面三向加速度有效值

由表2可知，高架橋段水平向振動優勢頻率近場10～64 Hz，遠場10～40 Hz。垂向振動優勢頻率近場10～40 Hz，遠場則集中于10 Hz。

對水平向(X向和Y向)，采用Wd計權；對垂向(Z向)，采用Wk計權。Wd與Wk計權曲線如圖1所示。

圖1 Wd與Wk計權曲線

由表1、表2可知，在同一距離處，未計權時，路堤段和高架橋段地面水平向振動均大于垂向振動；計權后，在同一距離處，垂向振動則大于水平向振動。這與測點的振動頻譜特性和Wd與Wk計權曲線特性有關。圖1表明，Wd計權曲線在1 Hz和1.25 Hz計權值為正，從1.6 Hz開始計權值為負值，特別是對8 Hz以上衰減強烈(計權絕對值大于10 dB)。Wk計權曲線在5～8 Hz計權值為正，對40 Hz以上衰減強烈(計權值的絕對值大于10 dB)。

2 振動總值隨距離的變化

根據ISO 2631-1:1997，正交坐標系下計權均方根加速度的振動總值按式(1)計算：

(1)

式中，awx，awy，awz分別為相應于正交坐標軸X，Y，Z上的計權均方根加速度；kX，kY，kZ分別為方向因數。

對立姿人體，方向因數kX，kY，kZ均取1，此時振動總值計算公式為

(2)

如果任一坐標軸上確定的計權值不足同一點在其他坐標軸上所確定的最大值的25%，則該計權值可略去不計。

2.1 路堤段振動總值隨距離的變化

由表1可知，路堤段不同距離處的三向計權加速度值處于同一數量級，均大于同一點在其他坐標軸上最大值的25%，因此，3個坐標軸上的計權加速度值均參與振動總值的計算。由式(2)可得路堤段不同距離處的未計權振動總值和計權振動總值，如圖2所示。

路堤段未計權振動總值av' 和計權振動總值av隨橫向距離y的變化關系可用負指數函數擬合為

av' = 6.204+576.11e-y/8.696，R2= 0.994 4

(3)

av= 0.688 4+71.46e-y/8.926，R2= 0.998 1

(4)

圖2 路堤段振動總值隨距離的變化

由圖2可知，路堤段未計權振動總值由20 m處的64.02 mm/s2衰減至30 m處的24.27 mm/s2，衰減率為3.975 mm/(s2·m)；從30 m至45 m，衰減率為0.981 mm/(s2·m)；從45 m至75 m，衰減率為0.168 mm/(s2·m)。路堤段計權振動總值在上述距離間對應的衰減率分別為0.517，0.128，0.022 mm/(s2·m)。

2.2 高架橋段振動總值隨距離的變化

由表2可知，高架橋段不同距離處的三向計權加速度值均大于同一點在其他坐標軸上最大值的25%，因此均參與振動總值的計算。由式(2)可得高架橋段不同距離處的未計權振動總值和計權振動總值，如圖3所示。

圖3 高架橋段振動總值隨距離的變化

高架橋段未計權振動總值av' 和計權振動總值av隨橫向距離y的變化關系可擬合為

av' = 3.353+52.411e-y/19.352，R2= 0.920 1

(5)

av= 1.954+11.512e-y/19.249，R2= 0.895 9

(6)

由圖3可知，高架橋段未計權振動總值由7.5 m處的37.66 mm/s2衰減至30 m處的11.82 mm/s2，衰減率為1.148 mm/(s2·m)；從30 m至45 m，衰減率為0.127 mm/(s2·m)。高架橋段計權振動總值在上述距離間對應的衰減率分別為0.256，0.015 mm/(s2·m)。

可見，路堤段和高架橋段計權和未計權振動總值均隨距離增加而衰減，近似呈負指數函數關系；近場衰減快，遠場衰減緩慢，且未計權振動總值比計權振動總值的衰減更為迅速。

3 振動總值與Z振級的比較

Z振級是常用的振動環境影響評價指標，圖4、圖5分別給出了以分貝數表示的路堤段和高架橋段計權振動總值與Z振級之間的關系。

圖4 路堤段振動總值與Z振級

圖5 高架橋段振動總值與Z振級

以分貝數表示的路堤段計權振動總值VLa和VLZ振級隨橫向距離y的變化關系可用負指數函數擬合為

VLa= 52. 547+56.457e-y/25.49，R2= 0.989 8

(7)

VLZ= 48.345+61.536e-y/26.855，R2= 0.999 1

(8)

由圖4可知，路堤段計權振動總值與Z振級之間的差值在近場為0.94 ～1.11 dB，遠場差值則為2.01 ～4.18 dB。

以分貝數表示的高架橋段計權振動總值VLa和VLZ振級隨橫向距離y的變化關系可擬合為

VLa= 66.868+17.402 e-y/27.136，R2= 0.870 4

(9)

VLZ= 63.142+19.416e-y/34.182，R2= 0.910 8

(10)

圖5表明，高架橋段計權振動總值與Z振級之間的差值在近場為1.18～1.33 dB，遠場差值則為1.96 dB。

由圖4、圖5和式(7)～式(10)可知，路堤段和高架橋段計權振動總值與Z振級隨距離的變化規律類似，且近場計權振動總值與Z振級之間的差值較小。

未計權振動總值反映了地面三向振動的總能量，計權振動總值則反映了人體對地面三向合成振動強度的主觀感受。當關注高速鐵路運營引起的地面振動能量傳播時，未計權振動總值更為客觀、全面；而當評價高速鐵路運營振動的環境影響時，近場可用Z振級近似代替以分貝數表示的計權振動總值。

4 結論

通過對成渝高鐵路堤段和高架橋段地面三向振動現場測試，分析了地面振動總值隨距離的變化，得到以下結論。

(1)路堤段和高架橋段振動總值均隨距離增加而近似呈負指數規律衰減,近場衰減快,遠場衰減緩慢。

(2)計權振動總值與Z振級隨距離的變化規律類似，且近場兩者之間的差值較小，當評價高速鐵路運營振動的環境影響時，近場可用Z振級近似代替計權振動總值。