成渝高速鐵路某高架橋段地面三向振動特性分析

彭也也，賀玉龍，梅昌艮，周 青

（1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031；2.四川理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 自貢 643000）

高速鐵路在軌道不平順、車輪表面不光滑及車輛軸重等激勵下產(chǎn)生車輛-軌道-橋梁相互作用引起橋梁結(jié)構(gòu)振動，并通過橋墩基礎(chǔ)向周圍巖土層傳播，誘發(fā)附近巖土體及鄰近建筑物二次振動，嚴(yán)重影響鐵路沿線居民的工作、學(xué)習(xí)和生活。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，由此產(chǎn)生的環(huán)境振動問題愈加突出。由于車輛-軌道-橋梁-橋墩-土體作用系統(tǒng)的復(fù)雜性，現(xiàn)場測試仍為重要的環(huán)境振動研究手段，并能為理論分析、建模預(yù)測等提供有效的驗(yàn)證。賀玉龍等[1]通過對京津城際鐵路橋梁段列車運(yùn)行時(shí)的環(huán)境振動進(jìn)行測試，分析了高架橋環(huán)境振動Z振級的衰減特性，并驗(yàn)證了各振動預(yù)測公式的適用情況。張光明等[2]通過對成灌鐵路某橋梁段地面振動進(jìn)行現(xiàn)場測試，研究了CRTS III型板式無砟軌道橋梁段Z振級的衰減規(guī)律。朱志輝等[3]通過比較車-橋-墩-樁-土耦合振動系統(tǒng)與車-橋系統(tǒng)及車-橋-墩系統(tǒng)的動力響應(yīng)特性，分析了橋墩和樁基等下部結(jié)構(gòu)對車橋耦合振動的影響，以及車橋耦合振動對周圍場地土垂向和橫向兩向振動的影響。李小珍等[4]對某城際快速鐵路在高架橋段引起的環(huán)境振動進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，研究了車速等對橫向和垂向振動大小的影響。毛昆明等[5]等通過測試分析了車速、車廂數(shù)量等對滬寧城際高架橋段垂向振動大小的影響。屈暢姿等[6]通過對武廣高速鐵路現(xiàn)場振動測試，分析了軸重、車速等對路堤段振動特性的影響。高廣運(yùn)等[7]采用薄層法對秦沈客運(yùn)專線引起的地面垂向振動進(jìn)行分析，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比。

目前，大部分學(xué)者進(jìn)行的振動測試主要關(guān)注垂向振動，對橫向振動測試不多，但也有學(xué)者注意到了三向振動測試的全面性及必要性。李小珍等[8]通過實(shí)測津秦客專250 km/h～385 km/h通過時(shí)的三向振動，研究了三向振動隨距離的衰減特性及車速對振動加速度級的影響。陳建國等[9]等現(xiàn)場實(shí)測了京廣鐵路的振動情況，研究發(fā)現(xiàn)列車的速度對地面水平向振動的主要頻率有影響，對垂向振動的主要頻率影響不大；列車通過時(shí)，同一點(diǎn)位置的垂向振動大于其他兩個(gè)水平向振動。

我國新建高鐵多采用高架橋形式，列車在高架橋段高速運(yùn)行時(shí)引起的地面振動亦不可忽視。為此，本文對成渝高速鐵路某高架橋段地面三向振動進(jìn)行了現(xiàn)場測試，以期為未來理論分析、建模等提供參考依據(jù)。

1 現(xiàn)場測試概況

測試選取成渝高速鐵路某高架橋段，位于簡陽市海螺鄉(xiāng)，設(shè)計(jì)速度350 km/h，運(yùn)營列車為CRH380D型動車組，列車車輛數(shù)分別為8節(jié)編組和16節(jié)編組，列車長度為215.3 m和428.1 m。為避免其它因素干擾振動測試，所選擇的高架橋梁位于開闊的旱地中?，F(xiàn)場測試布點(diǎn)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場測試布點(diǎn)圖

以測試橋墩上方的橋梁中心線為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，順橋向?yàn)閄軸（縱向），水平面垂直于橋梁方向?yàn)閅軸（橫向），豎直向下為Z軸（垂向），地面振動測點(diǎn)沿Y軸方向共布置5個(gè)測點(diǎn)，分別距橋梁中心線7.5 m、15 m、22.5 m、30 m、45 m，在各個(gè)測點(diǎn)處均布置縱向、橫向、垂向加速度拾振器。

測試采用東方振動和噪聲技術(shù)研究所INV3062-C1(S)24位智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，垂向和水平向941B型拾振器（H、V），采樣頻率640 Hz。

2 地面三向振動幅值隨距離的衰減

以內(nèi)線（成都至重慶）16節(jié)車輛編組為例，列車實(shí)際運(yùn)行速度為295 km/h左右。地面三向振動在各測點(diǎn)加速度最大值及有效值如表1所列。

通過表1可以看出：在同一距離處，橫向、縱向加速度最大值及有效值均大于垂向；近場橫向加速度最大值及有效值大于縱向，而遠(yuǎn)場橫向加速度最大值及有效值均與縱向相當(dāng)。

表1 不同距離處地面三向加速度最大值及有效值

限于篇幅，僅給出地面橫向振動加速度時(shí)程曲線，如圖2所示。

由表1，地面垂向振動加速度有效值在不同距離間的差值分別為：4.7 mm/s2、3.8 mm/s2、2.2 mm/s2、0.7 mm/s2。可見，近場測點(diǎn)垂向加速度值出現(xiàn)明顯衰減，垂向加速度有效值衰減速率為0.304 mm/s2?m-1，隨距離的增加，衰減速度逐漸變緩。

地面縱向振動加速度有效值在不同距離間的差值分別為：7 mm/s2、9.5 mm/s2、1.5 mm/s2、1.7 mm/s2?？v向加速度有效值衰減速率為0.525 mm/s2?m-1。

地面橫向振動加速度有效值在不同距離間的差值分別為：10.3 mm/s2、10.9 mm/s2、6.2 mm/s2、1.6 mm/s2。橫向加速度有效值衰減速率為0.773 mm/s2?m-1。

圖2 橫向振動加速度時(shí)程曲線

從地面三向振動加速度有效值的衰減速率看，橫向加速度有效值衰減速率最大，縱向次之，垂向最??；隨著距線路中心線距離的增加，三向加速度值均呈現(xiàn)明顯減小趨勢，衰減速率逐漸變緩。

3 三向振動主頻隨距離的變化

不同距離處地面三向振動最優(yōu)頻率及加速度值如表2所列。

3.1 垂向主頻變化分析

由表2，隨著距離的增加，垂向最優(yōu)頻率由30.4 Hz逐漸減小為9.6 Hz；從30 m到45 m，最優(yōu)頻率9.6 Hz的加速度值衰減很小，這表明垂向振動的高頻成分均隨著距離增大而衰減迅速，而低頻成分隨距離的衰減較緩，即低頻振動比高頻振動傳播得更遠(yuǎn)。

表2 不同距離處地面三向振動最優(yōu)頻率及加速度值

3.2 水平向主頻變化分析

隨著距離的增加，縱向最優(yōu)頻率由68.8 Hz逐漸減小為9.6 Hz，但從30 m到45 m，最優(yōu)頻率9.6 Hz的加速度值出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。橫向最優(yōu)頻率則由64 Hz逐漸減小為6.4 Hz。

限于篇幅，僅給出地面橫向振動加速度頻譜曲線，如圖3所示。

圖3 不同距離處橫向頻譜圖

由圖3可知，隨著距離的增加，橫向優(yōu)勢頻率64 Hz的加速度值由7.5 m處的24.74 mm/s2衰減至45 m處的0.61 mm/s2，衰減量為24.13 mm/s2；同時(shí)，另一優(yōu)勢頻率9.6 Hz的加速度值由7.5 m處的21.98 mm/s2衰減至45 m處的5.49 mm/s2，衰減量達(dá)16.49 mm/s2。這表明橫向優(yōu)勢頻率隨距離的變化規(guī)律與垂向和縱向存在一定差異，橫向振動的高頻和低頻成分均衰減較快。

綜合表2和圖3，隨著距離的增大，不管是垂向、縱向還是橫向，振動優(yōu)勢頻率均由高頻向低頻變化，遠(yuǎn)場振動均表現(xiàn)為低頻占優(yōu)。

4 三向振動加速度級對比分析

4.1 未計(jì)權(quán)三向加速度級對比分析

未計(jì)權(quán)三向加速度級如圖4所示。

圖4表明，未計(jì)權(quán)三向加速度級中，橫向最大，縱向次之，垂向最小，不管在近場還是遠(yuǎn)場，水平向未計(jì)權(quán)加速度級均大于垂向。橫向與縱向及垂向未計(jì)權(quán)加速度級間的差值分別為0 dB～3.1 dB和5.8 dB～7.3 dB，均小于8 dB，因此不能隨意忽略某向振動。在近場，三向振動未計(jì)權(quán)加速度級均衰減較快，遠(yuǎn)場三向振動衰減速率有所減緩。近場橫向加速度級大于縱向，但在30 m至45 m之間，二者已基本相等。因此，從振動能量傳播方面來說，地面三向振動均不可忽略。

圖4 未計(jì)權(quán)三向加速度級

4.2 計(jì)權(quán)后三向加速度級對比分析

根據(jù) GB/T 13441.1-2007（ISO 2631-1:1997）給出的1/3倍頻程下基本頻率計(jì)權(quán)[10]，對垂向振動采用Wk計(jì)權(quán)，縱向、橫向振動采用Wd計(jì)權(quán)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 計(jì)權(quán)后三向加速度級

圖5表明，垂向計(jì)權(quán)加速度級在整個(gè)測試區(qū)間內(nèi)均大于縱向和橫向，垂向比水平向加速度級高2.8 dB～5.7 dB。這表明即使經(jīng)過計(jì)權(quán)后，縱向和橫向振動也不能隨意忽略。

未計(jì)權(quán)的振動加速度是客觀量，反映了振動幅值絕對值大小，而計(jì)權(quán)后的加速度是主觀量，反映了人體對于振動的響應(yīng)。在研究高速鐵路運(yùn)營引起的振動能量隨距離的衰減時(shí)，應(yīng)考慮三向振動；而在進(jìn)行高速鐵路振動的環(huán)境影響評價(jià)時(shí)，可以垂向振動為主，水平向振動為輔。

5 結(jié)語

通過對成渝高鐵高架橋段地面三向振動現(xiàn)場測試結(jié)果進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，得到以下結(jié)論。

（1）地面三向振動加速度幅值及有效值均隨距離的增大而衰減；三向振動能量近場主要集中在6 Hz～72 Hz范圍內(nèi)，高頻振動較低頻振動衰減快，三向振動在遠(yuǎn)場優(yōu)勢頻率均趨向于10 Hz左右；

（2）地面橫向、縱向振動未計(jì)權(quán)加速度級均較垂向振動大，但三者之間的差值均小于8 dB，從振動能量傳播方面來說，三向振動均不宜忽略；

（3）地面垂向計(jì)權(quán)加速度級大于縱向和橫向，但橫向與垂向計(jì)權(quán)加速度級相差不大，建議在進(jìn)行高速鐵路振動的環(huán)境影響評價(jià)時(shí)，以垂向振動為主，水平向振動為輔。