成渝高速铁路某高架桥段地面三向振动特性分析

2019-03-05彭也也贺玉龙梅昌艮

噪声与振动控制 2019年1期

彭也也，贺玉龙，梅昌艮，周青

（1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031；2.四川理工学院化学与环境工程学院，四川自贡 643000）

高速铁路在轨道不平顺、车轮表面不光滑及车辆轴重等激励下产生车辆-轨道-桥梁相互作用引起桥梁结构振动，并通过桥墩基础向周围岩土层传播，诱发附近岩土体及邻近建筑物二次振动，严重影响铁路沿线居民的工作、学习和生活。随着我国高速铁路的快速发展，由此产生的环境振动问题愈加突出。由于车辆-轨道-桥梁-桥墩-土体作用系统的复杂性，现场测试仍为重要的环境振动研究手段，并能为理论分析、建模预测等提供有效的验证。贺玉龙等[1]通过对京津城际铁路桥梁段列车运行时的环境振动进行测试，分析了高架桥环境振动Z振级的衰减特性，并验证了各振动预测公式的适用情况。张光明等[2]通过对成灌铁路某桥梁段地面振动进行现场测试，研究了CRTS III型板式无砟轨道桥梁段Z振级的衰减规律。朱志辉等[3]通过比较车-桥-墩-桩-土耦合振动系统与车-桥系统及车-桥-墩系统的动力响应特性，分析了桥墩和桩基等下部结构对车桥耦合振动的影响，以及车桥耦合振动对周围场地土垂向和横向两向振动的影响。李小珍等[4]对某城际快速铁路在高架桥段引起的环境振动进行了现场实测，研究了车速等对横向和垂向振动大小的影响。毛昆明等[5]等通过测试分析了车速、车厢数量等对沪宁城际高架桥段垂向振动大小的影响。屈畅姿等[6]通过对武广高速铁路现场振动测试，分析了轴重、车速等对路堤段振动特性的影响。高广运等[7]采用薄层法对秦沈客运专线引起的地面垂向振动进行分析，并与实测结果进行了对比。

目前，大部分学者进行的振动测试主要关注垂向振动，对横向振动测试不多，但也有学者注意到了三向振动测试的全面性及必要性。李小珍等[8]通过实测津秦客专250 km/h～385 km/h通过时的三向振动，研究了三向振动随距离的衰减特性及车速对振动加速度级的影响。陈建国等[9]等现场实测了京广铁路的振动情况，研究发现列车的速度对地面水平向振动的主要频率有影响，对垂向振动的主要频率影响不大；列车通过时，同一点位置的垂向振动大于其他两个水平向振动。

我国新建高铁多采用高架桥形式，列车在高架桥段高速运行时引起的地面振动亦不可忽视。为此，本文对成渝高速铁路某高架桥段地面三向振动进行了现场测试，以期为未来理论分析、建模等提供参考依据。

1 现场测试概况

测试选取成渝高速铁路某高架桥段，位于简阳市海螺乡，设计速度350 km/h，运营列车为CRH380D型动车组，列车车辆数分别为8节编组和16节编组，列车长度为215.3 m和428.1 m。为避免其它因素干扰振动测试，所选择的高架桥梁位于开阔的旱地中。现场测试布点如图1所示。

图1 现场测试布点图

以测试桥墩上方的桥梁中心线为原点建立直角坐标系，顺桥向为X轴（纵向），水平面垂直于桥梁方向为Y轴（横向），竖直向下为Z轴（垂向），地面振动测点沿Y轴方向共布置5个测点，分别距桥梁中心线7.5 m、15 m、22.5 m、30 m、45 m，在各个测点处均布置纵向、横向、垂向加速度拾振器。

测试采用东方振动和噪声技术研究所INV3062-C1(S)24位智能数据采集系统，垂向和水平向941B型拾振器（H、V），采样频率640 Hz。

2 地面三向振动幅值随距离的衰减

以内线（成都至重庆）16节车辆编组为例，列车实际运行速度为295 km/h左右。地面三向振动在各测点加速度最大值及有效值如表1所列。

通过表1可以看出：在同一距离处，横向、纵向加速度最大值及有效值均大于垂向；近场横向加速度最大值及有效值大于纵向，而远场横向加速度最大值及有效值均与纵向相当。

表1 不同距离处地面三向加速度最大值及有效值

限于篇幅，仅给出地面横向振动加速度时程曲线，如图2所示。

由表1，地面垂向振动加速度有效值在不同距离间的差值分别为：4.7 mm/s2、3.8 mm/s2、2.2 mm/s2、0.7 mm/s2。可见，近场测点垂向加速度值出现明显衰减，垂向加速度有效值衰减速率为0.304 mm/s2∙m-1，随距离的增加，衰减速度逐渐变缓。

地面纵向振动加速度有效值在不同距离间的差值分别为：7 mm/s2、9.5 mm/s2、1.5 mm/s2、1.7 mm/s2。纵向加速度有效值衰减速率为0.525 mm/s2∙m-1。

地面横向振动加速度有效值在不同距离间的差值分别为：10.3 mm/s2、10.9 mm/s2、6.2 mm/s2、1.6 mm/s2。横向加速度有效值衰减速率为0.773 mm/s2∙m-1。

图2 横向振动加速度时程曲线

从地面三向振动加速度有效值的衰减速率看，横向加速度有效值衰减速率最大，纵向次之，垂向最小；随着距线路中心线距离的增加，三向加速度值均呈现明显减小趋势，衰减速率逐渐变缓。

3 三向振动主频随距离的变化

不同距离处地面三向振动最优频率及加速度值如表2所列。

3.1 垂向主频变化分析

由表2，随着距离的增加，垂向最优频率由30.4 Hz逐渐减小为9.6 Hz；从30 m到45 m，最优频率9.6 Hz的加速度值衰减很小，这表明垂向振动的高频成分均随着距离增大而衰减迅速，而低频成分随距离的衰减较缓，即低频振动比高频振动传播得更远。

表2 不同距离处地面三向振动最优频率及加速度值

3.2 水平向主频变化分析

随着距离的增加，纵向最优频率由68.8 Hz逐渐减小为9.6 Hz，但从30 m到45 m，最优频率9.6 Hz的加速度值出现反弹现象。横向最优频率则由64 Hz逐渐减小为6.4 Hz。

限于篇幅，仅给出地面横向振动加速度频谱曲线，如图3所示。

图3 不同距离处横向频谱图

由图3可知，随着距离的增加，横向优势频率64 Hz的加速度值由7.5 m处的24.74 mm/s2衰减至45 m处的0.61 mm/s2，衰减量为24.13 mm/s2；同时，另一优势频率9.6 Hz的加速度值由7.5 m处的21.98 mm/s2衰减至45 m处的5.49 mm/s2，衰减量达16.49 mm/s2。这表明横向优势频率随距离的变化规律与垂向和纵向存在一定差异，横向振动的高频和低频成分均衰减较快。

综合表2和图3，随着距离的增大，不管是垂向、纵向还是横向，振动优势频率均由高频向低频变化，远场振动均表现为低频占优。

4 三向振动加速度级对比分析

4.1 未计权三向加速度级对比分析

未计权三向加速度级如图4所示。

图4表明，未计权三向加速度级中，横向最大，纵向次之，垂向最小，不管在近场还是远场，水平向未计权加速度级均大于垂向。横向与纵向及垂向未计权加速度级间的差值分别为0 dB～3.1 dB和5.8 dB～7.3 dB，均小于8 dB，因此不能随意忽略某向振动。在近场，三向振动未计权加速度级均衰减较快，远场三向振动衰减速率有所减缓。近场横向加速度级大于纵向，但在30 m至45 m之间，二者已基本相等。因此，从振动能量传播方面来说，地面三向振动均不可忽略。