重载铁路列车运行诱发场地振动特性的测试与分析

胡晶晶

（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430070）

随着我国铁路交通的飞速发展，铁路建设规模越来越大，运输能力越来越强，同时，列车运行引起的振动与噪声问题也引起了广泛的关注[1,2]。重载列车通常采用增加轴重、增大单列编组长度、增大运输频次等方式来提升线路的运输能力，但是由此诱发的环境振动强度更高、持续时间更长、且作用频率更高。环境振动长期作用会降低建筑物的强度干扰敏感设备以及引起人体的不适的性能[3,4]。

列车在轨道不平顺及车辆轴重等激励下产生振动，通过轮轨作用将振动传递到路基，从而引起场地振动，场地振动波在土体中以弹性波动的方式传播，通过场地上的建筑物基础传递到建筑物内部，从而诱发建筑物的振动和二次噪声[5]。路线周边建筑物长期受到列车振动的影响会产生疲劳损伤，出现裂缝、变形甚至倒塌，尤其是一些建造年代比较久或者建造质量比较差的建筑。因此，研究重载铁路列车运行诱发的场地振动特性具有重要的现实意义和应用价值。

由于场地土材料阻尼和几何阻尼的存在，列车诱发的环境振动波的能量一般会随着传播距离的增大而减小，但是由于环境振动系统非常复杂，涉及到车辆模型、轨道模型、轮轨耦合、路基模型、土层特性等多个动力学问题，列车运行引起的地面振动预测尚未形成统一的结论。近年来，国内外学者针对铁路诱发环境振动问题进行了一系列的研究，现场实测是常用的手段，司丕贤等[6]通过对昌九城际铁路路基段进行现场测试，从时域、频域等多方面分析了列车编组、速度、轴重等因素对地面振动的影响；
高广运等[7]在上海中心城区地铁附近某拟建住宅办公楼的关键位置布置测点，影响选择代表性测试数据进行时程、频谱、1/3 倍频程频谱和计权加速度级分析，对地面环境振动特性和对拟建住宅办公楼的影响进行了评价；
李小珍等[8]对津秦客专线32m 简支梁桥区段高速列车通过时的地面振动响应进行了时域和频域分析，得到了列车速度250～385km/h 时，地面振动响应的衰减规律。本文采用现场实测的方式，对不同类型、不同车速的货运重载列车引起的路基周边60米内场地的三向振动响应进行时域和频域分析，运用峰值振动速度（PPV）、均方根振级和三分之一倍频程振级等多个指标研究场地振动波的衰减规律，为重载铁路线的设计和铁路沿线场地振动预测提供依据。

本文针对朔黄重载铁路试验线开展研究，线路总长度594km，自运营20 多年以来运输能力逐年增长，截止目前运输能力超过2.55亿吨，是我国西煤东运的重要通道之一，全线为双线有砟重型线路。测试地点位于山西省原平市，为高原地貌，选取铁路沿线的一片没有建筑物且没有其他振动源的开阔场地，场地土从上到下可分为4 层，依次为粉细砂、细砂、卵砾石、砂岩，测试场地如图1。

图1 测试场地现场

测试过程中共采集了31趟测试列车的振动数据，试验列车为我国铁路货运列车常有的三种车型C64k，C70，C80，最大轴重(满载)分别为21，23 和25t，最小轴重（空载）分别为5.8，6.0和5.0t，车厢长度分别为12.2，14.0 和12m，测试期间，3 种类型列车运行速度均为20km/h～120km/h，列车线路情况不变。

选取测试路段的一个横断面进行测点布置，如图2 所示，轨枕下方的道砟厚度约为1.1m，路基高度为2m。测点布置在垂直于轨道轴线方向上的一条直线上，共有8 个测点，GP1-GP8，各测点间距均为7.5m，由于在测试过程中发现GP2、GP3之间存在沟渠，所以实际的测试点GP1-GP2之间的距离为6.5m，GP2-GP3之间的距离为8.5m。每个测点放置竖向、横向和纵向振动传感器各一个，其中纵向为沿线路方向，纵向为垂直线路方向，传感器型号为891II 型拾振器，速度分辨率、加速度分辨率、灵敏度等参数均符合测试要求。

图2 测点布置图

各国规范中衡量环境振动强度大小的指标各不相同，有速度振级、PPV、三分之一倍频程振级等，目前尚无统一的评价标准，文章选取有代表性的三个指标进行分析。在不同的方向，振动的大小不同，而人体对振动的感知是各个方向振动的累加效应，建筑物也会同时受到水平和竖向振动的影响，所以在研究交通荷载诱发环境振动问题时，三个方向的振动都需要考虑。

2.1 峰值速度

地面上质点或建筑结构的振动响应通常用振动速度来描述，质点的振动速度和振动频率能直接反映振动能量的大小，《建筑工程容许振动标准》GB50868-2013 采用PPV 指标规定了不同类型的建筑物的振动限值，建筑物的类型、振动位置、振源频率都会对容许振动值产生影响，如表1。

表1 建筑结构容许峰值振动速度（mm/s）

2.2 振动速度级

美国《轨道交通环境振动与噪声评价导则》通过振动速度的均方根振级来衡量振动强度的大小，定义如式(1)，该标准规定了高敏建筑的振动速度级限值为65dB。

式（1）中：LV表示均方根振动速度级(dB)；
V表示速度峰值的均方根；
Vref=2.54×10-8m/s，表示速度基准值。

式（2）中：vp表示每一时刻的速度；
T表示周期，T=t2-t1。

2.3 三分之一倍频程分析

人体对不同频率振动的敏感程度不同，且人体对列车振动的低频部分更为敏感，所以需要对振动响应作频谱分析。将振动的频谱范围分成多个相连的频率段，每个小的频率段称为频程，对n 倍频程的定义如式（3）：

式(3)中：f1和f2分别为频带内的下限和上限截止频率，当n=1/3 时，频程就称为三分之一倍频程。各频程通常用其中心频率f0来表示，f0与f1和f2之间的关系为：

为了更加清楚的看到各频带内振动随距离的变化情况，还需要对振动响应进行三分之一倍频程分析。住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准中给出了1-80Hz范围内1/3倍频程各频段的中心频率和上下限频率，将实际测得的速度时程进行离散傅立叶变换得到其频域内对应的速度傅立叶谱，从而求出各频率段对应的速度有效值，代入式(1)可得各频段的振动速度级。

3.1 时域与频域分析

对采集到的地面测点振动速度数据进行时域和频域分析，由于测量数据较多，选取时速为80km/h 的C64k 列车满载时地面四个测点（GP1、GP2、GP3、GP4）的竖向振动响应进行分析，结果如图3和图4所示，本次测量采样间隔为0.002s。

图3 竖向振动时域分析

图4 竖向振动频域分析

由图3可以看出，路基段振动速度时程呈现明显的周期性，曲线大致可分为三个区段，加载初期的振动上升段，列车全部进入测试区的平稳段和列车驶离后的衰减段，这是由于列车编组固定、各轮轴间的相对位置关系固定，列车周期性的加载。距离轨道最近的测点GP1 的竖向PPV 达到了1.64mm/s，远大于普通列车的振动强度。对比7.5m、14m、22.5m 和30m 的速度时程可以看出，随着测点与外轨之间距离的增加，各时段的振动速度总体呈减小趋势，但是30m 处部分时段响应比22.5m处增大，说明列车诱发的地面振动响应随距离变化曲线并不是单调递减，在某一些区域存在振动突变。国内外学者通过多次的实测分析证明了突变区域的存在，由于实际的土层分布复杂且不均匀，振源也是多个频率的叠加，加上地表存在多个振动体的干扰，导致突变区产生的原因没有形成定论，比较有代表性的是由于突变区多种体波和面波能量的叠加而导致的[9]。

由图4 可以看出，近轨7.5m 处的振动呈现宽频特征，频率范围为1～200 Hz，对环境影响大。从7.5m 到14m，50Hz 以上的高频振动迅速衰减，但是小于10Hz 的低频振动增大，22.5m 和30m 处的振动频谱特征非常相似，高频振动非常小，振动均集中在30Hz 以内，特征频率均在7Hz 附近。对比14m 和22.5m 处的频谱图，可以发现50Hz 以下低频振动有振动突变现象，50Hz 以上高频振动并没有放大现象，不同频段的振动衰减规律不同，需要采用不同的减振措施。

3.2 振动随距离衰减

选取同一车速下，C80重车（满载）、C64k重车（满载）、C80 空车和C64k 空车经过时，地面8 个测点GP1-GP8（距外轨的距离分别为7.5、14、22.5、30、37.5、45、52.5和60 m）的竖向、横向、纵向的峰值振动速度进行对比，如图5所示：

图5 峰值振动速度随距离变化曲线

图5反应了相同车速下，不同车重的四种列车运行时地面60m 内测点的PPV 随距离的变化规律，可以看出，竖向和横向的PPV随距离的变化曲线呈现明显的幂函数衰减趋势，衰减速度先快后慢，从7.5m 到14m 衰减很快，而14m 以后衰减缓慢，而纵向振动随距离衰减曲线则呈线性特征。曲线上可以明显看到振动放大区，但在不同的振动方向，放大区的位置不同，其中竖向振动在60m 处，横向振动在22.5m和45m处，纵向振动在22.5m和37.5m 处，而在同一方向，不同载重列车的放大区的位置是相近的。对比三个方向的振动大小，7.5m 处的竖向振动大于水平向振动，其余各测点三个方向的振动差别不大。

为了研究地面8 个测点在不同振动频率随距离变化的衰减规律，对振动速度响应进行1/3倍频程分析，以C80 重车（满载）、车速80km/h 为例，如图6 所示。近场测点（距轨道轴线的距离为7.5、14、22.5和30m）振动在10Hz以内的低频部分随距离的衰减很慢，在20Hz以上的高频段迅速衰减，其中在31.5Hz-40Hz 频段衰减最快，7.5m 处测点的竖向速度振级与14m 处的振级相差约30dB，此频段的振级在0-80Hz内最大，横向的衰减规律与竖向相似，高频部分随距离增加衰减很快。远场测点（轴线距离为37.5、45、52.5和60 m）的竖向振动和横向振动在不同频段呈现不同的衰减规律，竖向振动在50Hz以内随距离衰减较慢，在50Hz-80Hz内出现了振动突变现象，横向振动随距离的衰减规律不明显，整体呈波动下降趋势，各测点的最大振级均出现在3.15Hz附近，在16Hz以内振动随距离衰减较慢，在30Hz以上频段出现了振动突变现象。

图6 不同距离测点的1/3倍频程振级

图7 为近场测点的速度均方根振级随时间的变化曲线，计算方法见公式1和2，可以看出各测点曲线形状相似，列车呈周期性加载，每条曲线均有多个波峰，振动持续时间大于120s。从7.5m 到14m处竖向振动衰减较大，振级相差15dB左右，随着距离增大，衰减速度变慢，这与图6 中衰减规律相似，在15s左右，7.5m处的振级最大，而其他测点振级最大值出现在中间时段。横向振动随距离衰减较慢，从7.5m 到14m 振级相差5dB 左右，22.5m处振动大于14m。

图7 不同距离测点的均方根振级

3.3 振动随车速

对比不同车速条件下（车速范围为20km/h～120km/h），C64k 重车运行引起的近场测点三个方向的PPV与列车速度的关系，如图8所示。

图8 不同车速下地面测点的峰值速度

由图8可以看出，在车速小于40km/h时，车速对竖向振动的影响不大，车速大于40km/h时，竖向振动随车速增加迅速增大。在车速小于60km/h时，车速对横向振动的影响不大，大于60km/h 时，横向振动随车速增加迅速增大。随着车速的增加，纵向振动逐步增大，但是在40km/h-60km/h区段，振动有下降，车速大于100km/h 时，增大幅度减小。说明振动随着车速的增加，PPV 不一定是增加的，可以预测速度超过一定值时，振动增长缓慢或者不在增加。

文章针对重载列车在路基段运行诱发的场地振动特性和传播衰减规律问题，以朔黄重载铁路为背景，进行了振动现场实测和数据分析，得到了不同车速、不同轴重下、不同距离处的振动信号在时域、频域、均方根、峰值等方面的传播特性，为类似线路设计和沿线场地的振动预测提供参考，主要结论如下：

（1）近轨7.5m处的竖向振动呈现宽频特征，频率范围为1～200Hz，随着距外轨的距离的增大，远场振动呈低频振动特征，振动集中在50Hz以内。

（2）路基段场地的竖向振动随距离衰减呈幂函数趋势，而纵向振动呈线性趋势；
峰值振动速度和振级的分析均发现，振动随距离增加不是单调递减，而是在局部存在突变现象，突变区的位置与振动方向有关，与车型无关。

（3）同一测点在三个方向的振动大小，近轨处竖向振动比较大，远轨处三个方向的振动差别不大，在进行环境振动评价的时候，三个方向振动都要考虑。

（4）车速和轴重是影响场地振源能量的两个重要因素，轴重越大，振动越大；
在一定范围内时场地振动幅值随车速的增加而增大，当速度超过一定数值时，振动增长缓慢，车速对PPV的影响降低。

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