城市軌道交通環(huán)境振動評價指標(biāo)計算與分析

杜林林， 劉維寧， 劉衛(wèi)豐， 馬 蒙

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

城市軌道交通環(huán)境振動評價指標(biāo)計算與分析

杜林林， 劉維寧， 劉衛(wèi)豐， 馬 蒙

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

衡量城市軌道交通引起的環(huán)境振動水平的指標(biāo)是最大Z振級和分頻最大振級。目前，關(guān)于評價指標(biāo)的計算存在著諸多混淆，影響了評價指標(biāo)的計算、評價結(jié)果,甚至進一步影響線路的規(guī)劃及設(shè)計。通過詳細計算重疊系數(shù)及計權(quán)因子對最大Z振級計算結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)重疊系數(shù)達到3/4時，最大Z振級計算結(jié)果基本穩(wěn)定；采用ISO 2631—1:1997中的頻率計權(quán)曲線更能綜合考慮軌道交通引起的環(huán)境振動對人體健康、舒適性及工作效率的影響，建議修訂《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準》(GB 10070—88)時采用此頻率計權(quán)曲線。針對分頻最大振級計算方法中的混淆問題，計算并分析線性平均、峰值保持等方法對計算結(jié)果的影響，為保證評價結(jié)果的可靠性，建議采用峰值保持法進行計算和評價。

環(huán)境振動； 評價指標(biāo)； 最大Z振級； 分頻最大振級

隨著線網(wǎng)的不斷加密，軌道交通線路不可避免地穿越居民區(qū)并對沿線居民的正常生活產(chǎn)生影響[1]?，F(xiàn)行的用于評價軌道交通環(huán)境振動水平的標(biāo)準有《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準》(GB 10070—88)[2]和《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準》(JGJ/T 170—2009)[3]，評價指標(biāo)分別為最大Z振級(VLz，max)和分頻最大振級(VLmax)。

根據(jù)離散采樣數(shù)據(jù)計算最大Z振級和分頻最大振級時，現(xiàn)行標(biāo)準中沒有明確指出相鄰兩幅計算波形的重疊系數(shù)，這將影響計算結(jié)果的準確性。在計算最大Z振級時，GB 10070—88仍采用ISO 2631—1：1985推薦的頻率計權(quán)曲線，該版本的計權(quán)曲線所考慮的對象是振動引起的“疲勞-熟練度降低限”，不切合目前軌道交通環(huán)境振動引起的人體健康、正常工作及舒適性等問題，較為陳舊，應(yīng)予以修訂。而對于分頻最大振級，標(biāo)準JGJ/T 170—2009中尚未明確指出具體的計算方法，采用分頻最大振級進行環(huán)境振動評價時，有線性平均、峰值保持等不同的算法，因為計算方法的差異往往造成計算結(jié)果的不同，嚴重影響該指標(biāo)的合理運用。因此有必要對評價指標(biāo)的計算方法及影響計算結(jié)果的因素進行分析研究。

本文通過計算研究重疊系數(shù)對最大Z振級及分頻最大振級的影響并給出合理的重疊系數(shù)取值，對比研究不同版本計權(quán)曲線對最大Z振級的影響，通過計算分析各個方法對分頻最大振級的影響，對分頻最大振級計算方法的選取給出一定的建議，為城市軌道交通引起環(huán)境振動評價指標(biāo)的準確計算提供參考。

1 城市區(qū)域環(huán)境振動評價指標(biāo)

1.1最大Z振級的測試及評價方法

GB10070—88和GB10071—88[4]中指出，為評價城市區(qū)域的環(huán)境振動水平，測量鉛垂向Z振級，采用時間計權(quán)常數(shù)為1s，采用頻率計權(quán)范圍為1～80Hz[5]，計權(quán)因子見GB10070—88。測點置于各類區(qū)域建筑物室外0.5m以內(nèi)振動敏感處，必要時測點置于建筑物室內(nèi)地面中央。計算時需讀取每次列車通過時的最大顯示數(shù)，每個測點連續(xù)測量20次，以20次讀值的算術(shù)平均值為評價量，然后再與GB10070—88中所給出的標(biāo)準限值進行比較，以評價環(huán)境振動水平。

1.2分頻最大振級的測試及評價方法

GB10070—88規(guī)定了各種振源下城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法及限值標(biāo)準，主要用于評價城市交通干線和鐵路主次干線引起的環(huán)境振動。由于線路分布區(qū)域、軌道形式及運營條件的不同，城市軌道交通是一種既不同于城市交通干線又不同于國鐵鐵路干線的交通網(wǎng)，因此城市軌道交通沿線的振動評價標(biāo)準應(yīng)有所不同。為了解決城市軌道交通環(huán)境振動的評價問題，文獻[3]指出采用分頻最大振級作為軌道交通環(huán)境振動評價量。在4～200Hz頻率范圍內(nèi)對鉛垂向振動加速度進行1/3倍頻程分析，經(jīng)計權(quán)因子修正后可得1/3倍頻程中心頻率上的最大振動加速度級，即分頻最大振級，其中頻率計權(quán)因子如表1[6-7]所示，環(huán)境振動評價標(biāo)準限值如表2所示。測點布置要求：與建筑物室內(nèi)振動限值對應(yīng)的測點宜布置在建筑物一樓室內(nèi)，也可布置在建筑物基礎(chǔ)距外墻0.5m范圍內(nèi)。每次列車通過時記錄分頻最大振級作為該次列車通過時的測量值，以每次列車通過時該測點VLmax的算術(shù)平均值作為該測點的振動評價量。

表1 JGJ/T 170—2009加速度在1/3倍頻程中心頻率的Z計權(quán)因子

表2 JGJ/T 170—2009建筑物室內(nèi)振動限值

2 VLz，max和VLmax的計算方法

2.1VLz，max的計算

根據(jù)GB10070—88要求采用1s計權(quán)，時程信號可依次分為若干幅波形進行分析，對每一幅波形進行1/3倍頻程分析得到各個中心頻率對應(yīng)的分頻振級,如表3所示。根據(jù)式(1)計算可得該幅波形的Z振級，依次計算可得Z振級隨時間的變化過程。

VLz=10log(∑10(VLi+αi)/10)

(1)

式中，VLz表示鉛垂向Z計權(quán)振級，簡稱Z振級，dB；VLi為1/3倍頻程各中心頻率對應(yīng)的振動加速度級，dB；αi為1/3倍頻程各中心頻率的Z計權(quán)因子，dB。具體數(shù)值參見文獻[1]。

環(huán)境振動是隨機過程，具有波動性。由數(shù)據(jù)采集儀獲得的數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)，計算環(huán)境振動評價指標(biāo)時，每次需要計算1s長度的樣本數(shù)據(jù)。為了使得離散數(shù)據(jù)的計算結(jié)果能真實反映連續(xù)振動過程，相鄰兩幅計算波形需要設(shè)置一定的重疊率，即重疊系數(shù)l以反應(yīng)客觀實際。因而對于離散采樣所得的數(shù)據(jù)，考慮相鄰兩幅波形間的重疊，并對每幅波形進行計算，計算波形的總幅數(shù)n為

表3 各幅波形分頻振級計算示意Tab.3 Diagrammatic sketch of calculating vibration level for each waveform

(2)

式中，N為采樣點數(shù)，F(xiàn)s為采樣頻率。

2.2VLmax的計算

JGJ/T170—2009中推薦采用VLmax作為評價指標(biāo)[8]，卻沒有明確給出分頻最大振級的具體算法，因此在計算VLmax的過程中出現(xiàn)了諸多混淆，影響了環(huán)境振動評價結(jié)果。針對分頻最大振級的計算，常見的方法有線性平均、峰值保持及最大值保持。

線性平均法是指全程分析時計算出每幅波形對應(yīng)的分頻加速度有效值，類似于表3中所示，然后對各中心頻率所對應(yīng)的加速度有效值按式(3)進行線性平均，由平均值求得分頻振級值。根據(jù)式(4)計算各分頻振級并計權(quán)求出各分頻振級最大值作為分頻最大振級。

(3)

(4)

式中，arms，i為1/3倍頻程中心頻率fi處加速度有效值均值；arms，i，k為第k幅計算波形在1/3倍頻程中心頻率fi處的加速度有效值；i指1/3倍頻程中心頻率個數(shù)；n指對信號進行分析時，計算的波形幅數(shù)總數(shù)；a0為基準振動加速度值，取為10-6m/s2。具體數(shù)值見表1。

峰值保持即通過對全程每幅波形進行計算可得如表3所示各個時段的分頻振級值，按式(5)對各分頻求其最大值，即各頻段的最大包絡(luò)值，最后再按式(6)求出分頻最大振級。

(5)

(6)

式中，VLi，k表示第k幅計算波形在1/3倍頻程中心頻率fi處的加速度振級，dB；VLi，max為1/3倍頻程中心頻率fi處的振級最大值，dB。

最大值保持法是指全程分析過程中，按式(7)找到有效值最大值所對應(yīng)的一幅波形，對應(yīng)的時間為tk，對該時段內(nèi)的數(shù)據(jù)進行計算可得分頻振級最大值。

(7)

式中，arms，k表示第k幅波形對應(yīng)的加速度有效值；arms，max表示加速度有效值最大值。

3 VLz，max和VLmax的計算與分析

本文選用如圖1所示的振動加速度進行計算。該段加速度為地鐵列車通過過程中某建筑物一層室外外墻角處鉛垂向振動加速度響應(yīng)。其中，采樣頻率為1 024 Hz，采樣時長為9.8 s，采樣點數(shù)為10 113。

圖1 建筑物室外鉛垂向振動加速度Fig.1 Vertical vibration acceleration of ground outside the buildings

3.1VLz，max的計算及影響因素分析

Z振級隨時間的變化過程如圖2所示，由圖2可以看出振動強度隨時間的變化過程，其中最大Z振級為63.96dB。

圖2 Z振級隨時間變化過程Fig.2 Changing process with time of VLz

為了保證計算效率和計算結(jié)果的穩(wěn)定性，分別計算了重疊系數(shù)為0、1/2、3/4、7/8時最大Z振級的變化，如圖3所示。由圖3可知：重疊系數(shù)對最大Z振級的計算結(jié)果具有一定程度的影響，當(dāng)重疊系數(shù)取3/4時，計算結(jié)果是穩(wěn)定的。

圖3 Z振級隨重疊系數(shù)的變化Fig.3 Changing process with overlapping coefficient of VLz

3.2頻率計權(quán)曲線對VLz，max的影響

目前，我國《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準》(GB10070—88)采用的是ISO2631—1：1985所推薦的頻率計權(quán)曲線，它是基于等感曲線以及當(dāng)時采用的“疲勞-熟練度降低限”曲線所得出的，指在一定工作時間下，引起工作者疲勞或熟練度降低的振動值。日本首先將該曲線應(yīng)用到環(huán)境振動標(biāo)準之中，以評價環(huán)境振動對人體的影響程度。“疲勞-熟練度降低限”是一個針對于工業(yè)作業(yè)人員振動暴露而提出的概念，無法完整地反映出軌道交通引起的環(huán)境振動對于人體的影響。對于城市區(qū)域軌道交通引起環(huán)境振動的評價來說，對象人群主要是建筑物內(nèi)的人員，他們以坐姿者為多，且坐姿姿勢保持的時間一般較長，因此這些人的健康、感覺和舒適性應(yīng)當(dāng)著重考慮；而長時間處于立姿和臥姿的人較少，主要關(guān)心感覺和舒適度。因此，國際標(biāo)準化組織在ISO2631—1：1997中提出了新的頻率計權(quán)曲線[9]，綜合考慮了振動對人體健康、舒適度、感覺等的影響，采用新版本的計權(quán)曲線更有利于客觀真實地進行環(huán)境振動評價。

兩個版本的頻率計權(quán)曲線如圖4所示，可見，兩個版本的頻率計權(quán)因子在1～4Hz及8～80Hz具有明顯的區(qū)別。下面通過計算分析計權(quán)因子的變化對Z振級計算結(jié)果的影響。

圖4 ISO 2631—1：1985和ISO 2631—1：1997頻率計權(quán)曲線對比Fig.4 Comparing of frequency weighting curves between ISO 2631—1：1985 and ISO 2631—1：1997

圖5為采用不同的頻率計權(quán)曲線時Z振級計算結(jié)果，可見：不同計權(quán)曲線所得結(jié)果的變化趨勢一致，反映了列車通過過程中Z振級隨時間的變化情況；頻率計權(quán)因子對于Z振級的計算有著顯著的影響，采用ISO2631—1：1997計權(quán)值所得計算結(jié)果比ISO2631—1：1985計權(quán)值大3.3～3.6dB。

圖5 ISO 2631—1：1985和ISO 2631—1：1997頻率計權(quán)曲線對Z振級計算結(jié)果的影響Fig.5 Influence of frequency weighting curves(ISO 2631—1：1985 and ISO 2631—1：1997)on the calculating result of VLz

為了準確反映當(dāng)前軌道交通引起的環(huán)境振動對人體健康、舒適度及感覺的影響，建議對《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準》中的頻率計權(quán)因子進行修改，修改為ISO2631—1：1997中的頻率計權(quán)曲線。

3.3VLmax的計算及影響因素分析

根據(jù)本文第2部分所述，編制程序計算了重疊系數(shù)對分頻最大振級計算結(jié)果的影響，其中時間計權(quán)長度取為1s，計算頻率范圍為4～200Hz，計權(quán)因子見表3所示。分別計算了重疊系數(shù)為0、1/2、3/4、7/8時計算結(jié)果的變化，以峰值保持算法為例，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 重疊系數(shù)對峰值保持算法計算結(jié)果的影響Fig.6 Influence of overlapping coefficient on results of peak hold method

觀察圖6可知，重疊系數(shù)對峰值保持計算結(jié)果有一定的影響，當(dāng)重疊系數(shù)取為3/4時，計算結(jié)果是穩(wěn)定的。根據(jù)計算分析，重疊系數(shù)對最大值保持計算結(jié)果的影響類似于對峰值保持值的影響，重疊系數(shù)為3/4時計算結(jié)果是準確的。重疊系數(shù)對線性平均計算結(jié)果影響較小。綜合分析可知，對于分頻最大振級的計算，重疊系數(shù)取為3/4是合理的。

接下來研究不同計算方法，即采用線性平均、峰值保持及最大值保持對分頻最大振級計算結(jié)果的影響。重疊系數(shù)取為3/4，計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同算法間Z計權(quán)分頻振級對比Fig.7 Comparing of Z-weighted vibration level of different calculating methods

由圖7可知，不同算法之間存在著顯著的差異：1)列車引起的環(huán)境振動主要頻率成分在20～80Hz之間，其他頻率段的響應(yīng)很小；2)最大值保持與峰值保持在最大值處基本重合，但在低頻部分，最大值保持所得計算結(jié)果波動性較大，且遠低于峰值保持；3)線性平均與峰值保持時所得分頻最大振級值相差5.6dB。

根據(jù)計算結(jié)果，峰值保持算法所得結(jié)果代表了最不利的情況，為了實現(xiàn)城市區(qū)域安靜的軌道交通，為了保證評價結(jié)果的可靠性，建議采用峰值保持法作為分頻最大振級的計算方法，并用所得計算結(jié)果進行評價。

4 結(jié)論

1) 重疊系數(shù)對VLz，max和VLmax具有一定程度的影響，當(dāng)重疊系數(shù)取為3/4時，計算結(jié)果是穩(wěn)定的，對環(huán)境振動評價指標(biāo)進行計算時，建議重疊系數(shù)至少取為3/4；

2) 頻率計權(quán)曲線對VLz，max具有顯著的影響，產(chǎn)生3.3～3.6 dB的計算差，為了準確反映當(dāng)前軌道交通引起的環(huán)境振動對人體健康、舒適度及感覺的影響，建議對《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準》中的頻率計權(quán)因子進行修改，修改為ISO 2631—1：1997中的頻率計權(quán)曲線；

3) 分頻最大振級各個算法之間存在顯著的差異，為了保證計算結(jié)果的穩(wěn)定性及評價結(jié)果的可靠性，建議采用峰值保持法進行計算和評價。

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Computation and Analysis of Evaluation Indicators of Environmental Vibration Induced by Urban Rail Transit

DU Linlin, LIU Weining, LIU Weifeng, MA Meng

(School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044 China)

Indicators to evaluate environmental vibration induced by urban rail transit are VLzmax and VLmax. Nowadays, the confusing calculating methods of the evaluation indicators have affected the planning and design of subway lines. The influences of overlapping coefficient and frequency weighting curve on VLzmax are researched in this paper. The study found that the result of VLzmax is basically stable when the overlapping coefficient is 3/4. Frequency weighting curve in ISO 2631-1:1997 is recommended for the amendments to the GB 10070—88StandardofEnvironmentalVibrationinUrbanAreabecause the curve considers the effect of rail transit vibration on human health, comfort and productivity. Calculating methods of linear averaging, peak hold, max RMS hold have significant influences on the VLmax result, which could affect the evaluating result. To ensure the reliability of the evaluation results, peak hold method should be adopted as the calculating method.

environmental vibration; evaluation index; VLzmax; VLmax

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.007

2016-10-10

2016-10-19

杜林林,男,博士研究生,研究方向為軌道交通環(huán)境振動,linlindu07@163.com

國家自然科學(xué)基金項目(51378001);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2015YJS122)

U231.96

A

1672-6073(2017)05-0040-06

(編輯：曹雪明)