成渝高速鐵路地面三向振動(dòng)總值特性分析*

賀玉龍 張群 彭也也 宋喆

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 成都 610031)

0 引言

振動(dòng)是高速鐵路運(yùn)營(yíng)期日益增長(zhǎng)的環(huán)境問(wèn)題之一[1]，當(dāng)高速列車通過(guò)時(shí)，誘發(fā)鐵路沿線一定范圍內(nèi)的地面產(chǎn)生垂向和水平向振動(dòng)。目前的鐵路振動(dòng)環(huán)境影響評(píng)價(jià)主要考慮地面垂向振動(dòng)[2]，但已有研究表明，鐵路列車運(yùn)行產(chǎn)生的水平向振動(dòng)與垂向振動(dòng)相當(dāng)，有時(shí)候甚至大于垂向振動(dòng)。夏禾[3]的數(shù)值模擬結(jié)果表明，距離軌道中心22.5 m處，兩個(gè)水平向的振動(dòng)位移幅度接近于豎向；王常晶等[4]測(cè)試了列車移動(dòng)荷載產(chǎn)生的地面三向振動(dòng)，結(jié)果表明三個(gè)方向的場(chǎng)地振動(dòng)速度幅值相當(dāng)，水平振動(dòng)甚至要大于垂直振動(dòng)；周業(yè)梅等[5]現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(jí)和縱向X振級(jí)均大于豎向Z振級(jí)。因此，在研究軌道交通產(chǎn)生的環(huán)境振動(dòng)影響時(shí)，也應(yīng)考慮水平向的振動(dòng)，不宜直接忽略水平向振動(dòng)。根據(jù)ISO 2631-1:1997(我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械振動(dòng)與沖擊 人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)第1部分：一般要求》GB/T 13441.1—2007 等效引用)，如果振動(dòng)的優(yōu)勢(shì)坐標(biāo)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(dòng)總量值或矢量和評(píng)價(jià)健康和安全，推薦振動(dòng)總量值av用于舒適性評(píng)價(jià)，并鼓勵(lì)除計(jì)權(quán)值外還應(yīng)報(bào)告未經(jīng)計(jì)權(quán)的均方根加速度[6-7]。ISO 2631-2:2003(我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械振動(dòng)與沖擊 人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)第2部分：建筑物內(nèi)的振動(dòng)(1Hz～80 Hz)》GB/T 13441.2—2008 等效引用)也指出，為了進(jìn)行建筑物內(nèi)振動(dòng)對(duì)人舒適性和煩惱影響的評(píng)價(jià)，優(yōu)先使用振動(dòng)總計(jì)權(quán)值[8-9]。

本文對(duì)成渝高速鐵路某橋梁段和路堤段三向地面振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了計(jì)權(quán)和未計(jì)權(quán)振動(dòng)總值隨距離的變化特性，并對(duì)比了以分貝數(shù)表示的計(jì)權(quán)振動(dòng)總值與Z振級(jí)之間的關(guān)系。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 測(cè)點(diǎn)布置

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試地點(diǎn)分別為成渝高速鐵路簡(jiǎn)陽(yáng)市境內(nèi)某高架橋段和相鄰路堤段，測(cè)點(diǎn)處列車運(yùn)行速度(295±5) km/h，運(yùn)營(yíng)列車主要為16輛CRH380D型動(dòng)車組。以線路方向?yàn)閄軸(縱向)，水平面內(nèi)垂直于線路方向?yàn)閅軸(橫向)，地面豎直向下為Z軸(垂向)。沿Y軸方向共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，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(gè)測(cè)點(diǎn)處均布置縱向、橫向、垂向加速度拾振器。

1.2 測(cè)試設(shè)備

地面三向振動(dòng)數(shù)據(jù)采集采用東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所INV3062-C1(S) 24位智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，拾振器為941B型垂向(V)和水平向(H)低頻振動(dòng)傳感器。地面振動(dòng)主要關(guān)注1～80 Hz頻率范圍，根據(jù)《環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》 (HJ 918—2017)[10]，采樣頻率為640 Hz。

路堤段共測(cè)試22趟、高架橋段共測(cè)試15趟動(dòng)車組通過(guò)時(shí)的地面三向振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。

1.3 三向振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

路堤段地面三向振動(dòng)加速度有效值測(cè)試結(jié)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(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率近場(chǎng)30～64 Hz，遠(yuǎn)場(chǎng)縱向集中在30 Hz左右，遠(yuǎn)場(chǎng)橫向集中于9.6 Hz。垂向振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率近場(chǎng)20～45 Hz，遠(yuǎn)場(chǎng)集中在22.4 Hz左右。

高架橋段地面三向振動(dòng)加速度有效值測(cè)試結(jié)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(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率近場(chǎng)10～64 Hz，遠(yuǎn)場(chǎng)10～40 Hz。垂向振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率近場(chǎng)10～40 Hz，遠(yuǎn)場(chǎng)則集中于10 Hz。

對(duì)水平向(X向和Y向)，采用Wd計(jì)權(quán)；對(duì)垂向(Z向)，采用Wk計(jì)權(quán)。Wd與Wk計(jì)權(quán)曲線如圖1所示。

圖1 Wd與Wk計(jì)權(quán)曲線

由表1、表2可知，在同一距離處，未計(jì)權(quán)時(shí)，路堤段和高架橋段地面水平向振動(dòng)均大于垂向振動(dòng)；計(jì)權(quán)后，在同一距離處，垂向振動(dòng)則大于水平向振動(dòng)。這與測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)頻譜特性和Wd與Wk計(jì)權(quán)曲線特性有關(guān)。圖1表明，Wd計(jì)權(quán)曲線在1 Hz和1.25 Hz計(jì)權(quán)值為正，從1.6 Hz開(kāi)始計(jì)權(quán)值為負(fù)值，特別是對(duì)8 Hz以上衰減強(qiáng)烈(計(jì)權(quán)絕對(duì)值大于10 dB)。Wk計(jì)權(quán)曲線在5～8 Hz計(jì)權(quán)值為正，對(duì)40 Hz以上衰減強(qiáng)烈(計(jì)權(quán)值的絕對(duì)值大于10 dB)。

2 振動(dòng)總值隨距離的變化

根據(jù)ISO 2631-1:1997，正交坐標(biāo)系下計(jì)權(quán)均方根加速度的振動(dòng)總值按式(1)計(jì)算：

(1)

式中，awx，awy，awz分別為相應(yīng)于正交坐標(biāo)軸X，Y，Z上的計(jì)權(quán)均方根加速度；kX，kY，kZ分別為方向因數(shù)。

對(duì)立姿人體，方向因數(shù)kX，kY，kZ均取1，此時(shí)振動(dòng)總值計(jì)算公式為

(2)

如果任一坐標(biāo)軸上確定的計(jì)權(quán)值不足同一點(diǎn)在其他坐標(biāo)軸上所確定的最大值的25%，則該計(jì)權(quán)值可略去不計(jì)。

2.1 路堤段振動(dòng)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(jì)權(quán)加速度值處于同一數(shù)量級(jí)，均大于同一點(diǎn)在其他坐標(biāo)軸上最大值的25%，因此，3個(gè)坐標(biāo)軸上的計(jì)權(quán)加速度值均參與振動(dòng)總值的計(jì)算。由式(2)可得路堤段不同距離處的未計(jì)權(quán)振動(dòng)總值和計(jì)權(quán)振動(dòng)總值，如圖2所示。

路堤段未計(jì)權(quán)振動(dòng)總值av' 和計(jì)權(quán)振動(dòng)總值av隨橫向距離y的變化關(guān)系可用負(fù)指數(shù)函數(shù)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(dòng)總值隨距離的變化

由圖2可知，路堤段未計(jì)權(quán)振動(dòng)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(jì)權(quán)振動(dòng)總值在上述距離間對(duì)應(yīng)的衰減率分別為0.517，0.128，0.022 mm/(s2·m)。

2.2 高架橋段振動(dòng)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(jì)權(quán)加速度值均大于同一點(diǎn)在其他坐標(biāo)軸上最大值的25%，因此均參與振動(dòng)總值的計(jì)算。由式(2)可得高架橋段不同距離處的未計(jì)權(quán)振動(dòng)總值和計(jì)權(quán)振動(dòng)總值，如圖3所示。

圖3 高架橋段振動(dòng)總值隨距離的變化

高架橋段未計(jì)權(quán)振動(dòng)總值av' 和計(jì)權(quán)振動(dòng)總值av隨橫向距離y的變化關(guān)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(jì)權(quán)振動(dòng)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(jì)權(quán)振動(dòng)總值在上述距離間對(duì)應(yīng)的衰減率分別為0.256，0.015 mm/(s2·m)。

可見(jiàn)，路堤段和高架橋段計(jì)權(quán)和未計(jì)權(quán)振動(dòng)總值均隨距離增加而衰減，近似呈負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系；近場(chǎng)衰減快，遠(yuǎn)場(chǎng)衰減緩慢，且未計(jì)權(quán)振動(dòng)總值比計(jì)權(quán)振動(dòng)總值的衰減更為迅速。

3 振動(dòng)總值與Z振級(jí)的比較

Z振級(jí)是常用的振動(dòng)環(huán)境影響評(píng)價(jià)指標(biāo)，圖4、圖5分別給出了以分貝數(shù)表示的路堤段和高架橋段計(jì)權(quán)振動(dòng)總值與Z振級(jí)之間的關(guān)系。

圖4 路堤段振動(dòng)總值與Z振級(jí)

圖5 高架橋段振動(dòng)總值與Z振級(jí)

以分貝數(shù)表示的路堤段計(jì)權(quán)振動(dòng)總值VLa和VLZ振級(jí)隨橫向距離y的變化關(guān)系可用負(fù)指數(shù)函數(shù)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(jì)權(quán)振動(dòng)總值與Z振級(jí)之間的差值在近場(chǎng)為0.94 ～1.11 dB，遠(yuǎn)場(chǎng)差值則為2.01 ～4.18 dB。

以分貝數(shù)表示的高架橋段計(jì)權(quán)振動(dòng)總值VLa和VLZ振級(jí)隨橫向距離y的變化關(guān)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(jì)權(quán)振動(dòng)總值與Z振級(jí)之間的差值在近場(chǎng)為1.18～1.33 dB，遠(yuǎn)場(chǎng)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(jì)權(quán)振動(dòng)總值與Z振級(jí)隨距離的變化規(guī)律類似，且近場(chǎng)計(jì)權(quán)振動(dòng)總值與Z振級(jí)之間的差值較小。

未計(jì)權(quán)振動(dòng)總值反映了地面三向振動(dòng)的總能量，計(jì)權(quán)振動(dòng)總值則反映了人體對(duì)地面三向合成振動(dòng)強(qiáng)度的主觀感受。當(dāng)關(guān)注高速鐵路運(yùn)營(yíng)引起的地面振動(dòng)能量傳播時(shí)，未計(jì)權(quán)振動(dòng)總值更為客觀、全面；而當(dāng)評(píng)價(jià)高速鐵路運(yùn)營(yíng)振動(dòng)的環(huán)境影響時(shí)，近場(chǎng)可用Z振級(jí)近似代替以分貝數(shù)表示的計(jì)權(quán)振動(dòng)總值。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)成渝高鐵路堤段和高架橋段地面三向振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了地面振動(dòng)總值隨距離的變化，得到以下結(jié)論。

(1)路堤段和高架橋段振動(dòng)總值均隨距離增加而近似呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減,近場(chǎng)衰減快,遠(yuǎn)場(chǎng)衰減緩慢。

(2)計(jì)權(quán)振動(dòng)總值與Z振級(jí)隨距離的變化規(guī)律類似，且近場(chǎng)兩者之間的差值較小，當(dāng)評(píng)價(jià)高速鐵路運(yùn)營(yíng)振動(dòng)的環(huán)境影響時(shí)，近場(chǎng)可用Z振級(jí)近似代替計(jì)權(quán)振動(dòng)總值。