摘要
为了研究综合交通枢纽中地铁、高铁和行人等振源单独作用和共同作用下楼板的振动响应问题,以武汉站为例,对其站厅层开展现场振动实验测试,并结合标准JGJ/T 170—2009 对站厅层进行了振动舒适度评价。时域分析结果表明:列车产生的振动传递到站厅层,会在各个结构柱处产生一定的放大;振源数目对水平方向加速度的影响大于对竖向加速度的影响;站厅层一跨内的振动传递特性可近似用二次函数递减推算。频域分析结果表明:站厅层的振动频率均集中在0~100 Hz;随着测点距离的变化,高频成分发生明显衰减,但10~20 Hz处的低频成分并没有随着距离的增加而出现明显的衰减。振动舒适度评价表明:武汉站站厅层的振动舒适度符合规范要求,但长期处在振动的环境中,会对工作人员的身心产生一些影响。该研究对新建综合交通枢纽的设计和在役交通枢纽的正常运行维护具有一定的指导意义。
综合交通枢纽将城市中各种交通方式连接在一起,极大地方便了人们的出行,但其组成复杂,通常由地下层、地面层(站厅层)、站台层及候车层组成。各种振源产生的振动通过结构和大地以复杂的形式传播,单一振源的影响已不在适用于综合交通枢纽。
目前,针对综合交通枢纽高架车站振动特性的研究已取得一些成果。冉汶民
笔者以武汉站为例,针对人行、高铁和地铁3种振源开展了振动实测:①列车单独作用产生振动;②多股列车(包括高铁与地铁)共同作用产生振动;③列车与行人共同作用产生的振动。
武汉站是我国第1个“桥建合一”的新型结构火车站,地面高度为18~27 m,设计轨顶标高为31.86 m。武汉站分为地下层、地面层、站台层和候车层,总建筑面积为33.2万

图1 武汉站轨道示意图
Fig.1 Track diagram of Wuhan Station

图2 振动测试设备
Fig.2 Instruments and equipment for vibration testing
为了反映枢纽结构在车辆进出站时武汉站站厅层的振动特性,在武汉站高铁站厅层布置测点。测点及传感器布置如

图3 测点及传感器布置
Fig.3 Measuring point layout and sensor layout
经前期现场调查,将站厅层分为5种测试工况,各工况对应的测试内容如
工况 | 实测内容 |
---|---|
1 | 背景振动测试 |
2 | 地铁单独作用下的振动实测分析 |
3 | 高铁单独作用下的振动实测分析 |
4 | 高铁与地铁共同作用下的振动实测分析 |
5 | 高铁与地铁与随机人群共同作用下的振动实测分析 |
参照测试当天高铁列车时刻表及相关人员记录地铁列车到站时刻表,对所得数据按

图4 各工况下各测点的时域曲线
Fig.4 Time domain curve of each measuring point under each working condition
由
取测点在各工况下竖向与水平向加速度进行分析,并对其峰值加速度取均方根(root mean square, 简称RMS),即
(1) |
其中:N为样本总数,其值为振动时间T和采样频率f的比值;为样本对应的加速度值。
各工况下测点1峰值加速度有效值如
工况 | 竖向加速度有效值/ | 增长率/% | 顺轨加速度有效值/ | 增长率/% | 垂轨加速度有效值/ | 增长率/% |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.331 7 | - | 0.257 7 | - | 0.261 7 | - |
2 | 1.305 2 | 2.934 9 | 0.545 0 | 1.115 6 | 0.600 7 | 1.295 4 |
3 | 1.749 6 | 4.274 7 | 0.644 6 | 1.501 4 | 0.836 6 | 2.196 8 |
4 | 4.818 7 | 13.527 3 | 2.431 5 | 8.435 4 | 3.781 7 | 13.450 5 |
5 | 5.813 1 | 16.525 2 | 2.962 8 | 10.497 1 | 4.139 8 | 14.818 9 |
引入加速度增长率S,可看出各工况相较于工况1的加速度增大量为
S= | (2) |
其中:为各工况下各向加速度有效值;为环境振动下加速度有效值;i=1,2,…,5。
观察
为进一步得到站厅层相邻股道间振动的传递特性,对工况2~5各竖向测点RMS值作二元回归分析,得到的加速度有效值及拟合曲线如

图5 加速度有效值及拟合曲线
Fig.5 Acceleration effective value and fitting curve
工况 | 拟合系数 | 二次多项式拟合公式 |
---|---|---|
5 | 0.901 | |
4 | 0.915 | |
3 | 0.995 | |
2 | 0.946 |
对测点1各工况下的振动加速度进行频域分析,由于篇幅限值,以工况3,5为例,各测点的频谱曲线如

图6 工况3,5各测点的频谱曲线
Fig.6 Spectrum curve of working conditions 3 and 5
张向东

图7 人体各部位固有频率
Fig.7 Natural frequencies of various parts of human body
分析图
振动舒适度分析是综合交通枢纽的一个重要分析指标,影响舒适度的因素既有主观因素,又有客观因素。笔者基于文献[
1/3倍频程中心频率/Hz | 4 | 5 | 6.3 | 8 | 10 | 12.5 | 16 | 20 | 25 | 31.5 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
计权因子/dB | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | -1 | -2 | -4 | -6 | -8 |
1/3倍频程中心频率/Hz | 40 | 50 | 63 | 80 | 100 | 125 | 160 | 200 | 250 | |
计权因子/dB | -10 | -12 | -14 | -17 | -21 | -25 | -30 | -36 | -42 |
对于大型综合交通枢纽结构,现有标准常以振级为评价指标对其舒适度进行评价,为了实现加速度向振级的转变,参考文献[
(3) |
其中:为加速度有效值();为基准加速度,。
计算出各工况下的1/3倍频程中心频率所对应加速度的振动加速度级,根据


图8 工况3,5各测点振级曲线
Fig.8 Vibration level curve of each measuring point under working conditions 3 and 5
由
区域 | 昼间 | 夜间 |
---|---|---|
特殊住宅区 | 65 | 62 |
居住、文教区 | 65 | 62 |
居住、商业混合区、商业中心区 | 70 | 67 |
工业集中区 | 75 | 72 |
交通干线两侧 | 75 | 72 |
虽然武汉站站厅层的振动舒适度符合规范要求,但对于工作人员而言,长期暴露在振动环境中,还是有一定影响。因此,如何减小振动的影响,是未来综合交通枢纽建设应考虑的重要因素之一。
1) 通过时域分析发现:列车产生的振动传递到站厅层时,会在各个结构柱附近产生一定的放大;振源数目对水平向加速度的影响大于对竖向加速度的影响;对于相邻股道的振动传递特性可近似用二次函数递减推算。
2) 通过频域分析发现,武汉站站厅层的振动主频均集中在100 Hz以内,随着与振源距离的增大,振动逐渐向低频过度。
3) 通过振动舒适度评价发现:单一振源振级在1~6.3 Hz的低频范围增长缓慢,多振级在1~10 Hz的低频部分增长比较缓慢;在50 Hz处单一振源振级第1次出现峰值,在80 Hz处多振源振级第1次出现峰值;尽管武汉站站厅层的振动舒适度符合规范要求,但长期暴露在振动的环境中,会对人体一些重要器官造成一定影响。
参考文献
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