列车运行引起坡子街村房屋振动测试与分析.pdf
第34卷 第2期 2017年6月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 2 Jun. 2017 doi10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2017. 02. 026 列车运行引起坡子街村房屋振动测试与分析 郑水明 1,2, 孔宇阳1,2, 雷静雅1,2 (1.中国地震局地震研究所地震预警湖北省重点实验室, 武汉430071; 2.武汉地震工程研究院有限公司, 武汉430071) 摘 要 武广城际铁路列车通过坡子街村时, 导致了该村A、B、C三栋房屋明显振动。为了分析房屋振动 原因, 进行了现场振动测试, 从而获得了列车通过时三栋房屋的振动时程。依据测试数据, 分别从时域和频 域两方面进行处理分析, 分析表明 高速列车运行产生的振动引起B、C两栋房屋x轴方向发生共振现象。 由于共振效应,B、C两栋房屋x轴方向振动速度峰值反而大于距铁路更近的A栋房屋。结果还发现 列车运 行速度加快会明显增加房屋共振的幅度, 但列车长度对房屋共振的幅度及振动持时影响均不明显。 关键词 高速铁路;结构振动;现场测试;共振;峰值速度 中图分类号 TU4 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2017)02 -0138 -06 Monitoring and Analysis of Buildings Vibration of Pozijie Village caused by Trains Running ZHENG Shuiming1, 2, KONG Yuyang1, 2, LEI Jingya1, 2 (1. Hubei Key Laboratory of Earthquake Early Warning,Institute of Seismology,CEA,Wuhan 430071,China;2. Institute of Earthquake Engineering of Wuhan Co Ltd,Wuhan 430071,China) Abstract In the Pozijie village near WuhanGuangzhou Railway,vibration monitoring of three buildings was car ried out during train running. To analyze the reason for building vibration,field vibration experiments were conducted to obtain the vibration time of the three buildings during train running. The monitored data were analyzed in the time domain and frequency domain,and some conclusions were drawn. The result showed that resonances occurred on the x direction of the B and C buildings caused by train running. Due to the resonance effect,the peak vibration velocity of B or C buildings along the x direction is higher than that of A building,which is closer to the railway. The result al so showed that the increasing train speed results in the higher peak velocity value of resonance of building,however, the length of train has an unobvious effect on the duration and the amplitude of resonance. Key words highspeed railway;buildings vibration;monitoring;resonance;peak velocity 收稿日期2017 -01 -25 作者简介郑水明(1978 -) , 男, 高级工程师, 主要从事环境振动、 工 程地震工作, (Email)zhengshuiming20@ sohu. com。 基金项目中国地震局社会公益研究项目(1521401800062) 随着我国高速铁路的迅速发展, 列车运行速度 也大幅提高, 列车运行引起的环境振动问题也愈加 突出, 影响着沿线居民的生活。国内外学者已高度 关注这一问题, 采用解析分析、 数值模拟和现场试验 对列车引起的环境振动进行了大量的研究[ 18], 获得 了列车引起的环境振动特点、 传播规律及其对沿线 附近建筑物影响等有意义的研究成果。目前, 高速 列车引起的环境振动影响主要研究对象为按抗震规 范建设的小区、 火车站等建筑, 而对铁路沿线附近的 大量农村自建房缺少相关研究。结合工程实践, 探 讨了铁路高架桥上列车运行引起的环境振动对农村 自建房的影响。 1 测试对象 本次选取了汨罗市新市镇坡子街村3栋自建房万方数据 为振动测试对象, 振动源为武广城际铁路线上运行 列车, 铁路以高架桥方式从坡子街村穿过。测试房 屋结构特点为2间(A、C两栋)或3间(B栋)三层 楼, 单间宽约4. 5 m, 底层为商铺, 层高约4 m, 其它 层层高约3. 5 m, 纵深约12 m, 三层加盖木瓦结构斜 坡屋顶。房屋底层有钢筋混凝土梁、 柱及圈梁, 二、 三层仅有混凝土挑梁。3栋房屋楼板均为预制板, 承重墙体均为24 cm宽空斗墙, 材料为烧制的红色 粘土砖。3栋房屋地基基础埋深均约为1. 5 m, 地基 土层均为红色粘土层。A、B测试房屋到铁路线最近 高架桥桥墩的距离分别约为20 m和90 m,B、C两 栋房屋紧密相邻, 见图1及图2。 图1 测试房屋与铁路线相对位置示意图( 单位m) Fig. 1 Sketch of the buildings position relative to railway line(unitm) 图2 B和C栋房屋与铁路线相对位置照片 Fig. 2 Photo of the buildings position relative to railway line 2 测试仪器 本次测试采用4850型振动测试仪, 系统由采集 器与三分向速度传感器组成, 可以同时采集三个相 互垂直方向的振动速度过程。仪器频带范围为1 ~ 300 Hz, 测量精度为0. 01 cm/ s。 高速列车运行对附近地面或建筑物的振动影响 频率小于200 Hz, 依据奈奎斯特采样定理, 采样频 率设置为2 kHz, 可以记录到测试房屋的真实振动 过程[ 3,4]。本次测试仪器采集采用阀值触发模式, 阀值设置为0. 01 cm/ s。 测试前, 在3栋房屋三层的层顶各布设1套测 振仪, 速度传感器利用石膏粘在清理干净的楼板上, 测试方向见示意图1。 3 测试数据分析 武广城际铁路运行列车为CRH动车组, 编组形 式为1组8节车厢或2组16节车厢, 单组长度约为 200 m。测试时, 对列车穿过坡子街村时的运行速度 进行简单测量, 主要为约300 km/ h或200 km/ h两 种。本次测试时间持续约10 h, 多次记录到高速列 车穿过坡子街村时3栋房屋的振动过程。 3. 1 振动幅值及频谱分析 图3 ~图5分别为一列8节车厢动车组速度约 300 km/ h通过时,3栋房屋的振动时程曲线及相应 的频谱曲线, 表1为各房屋相应的振动速度峰值及 主频值。 从图3 ~图5中可以看出,B、C两栋房屋x轴 方向均为单频周期性振动, 频率为3. 4 Hz。A栋房 屋三个方向及B、C两栋房屋其它方向均为多频非 周期性振动。相对于A栋房屋,B、C两栋房屋距离 高铁震源更远。从表1可知,B、C两栋房屋y、z轴 方向速度峰值明显小于A栋房屋, 这与目前获得的 规律相一致, 即列车运行产生的振动对周围环境影 响会随着离铁路线的距离增加而快速衰减[ 47]。但 比较x轴方向速度峰值,B、C两栋房屋却分别约为 A栋房屋的3倍与2倍, 且远大于各自其它两个方 向的速度峰值。 为分析B、C两栋房屋x轴方向振动速度放大 的原因, 本文采用韩瑞龙等提出的多层砌体低阶自 振周期经验公式[ 9], 见式( 1) , 对测试房屋的自振频 率进行了估算。经计算, 房屋1阶的自振频率约为 3. 9 Hz,与B、C两栋房屋x轴方向的主振频率 3. 4 Hz十分接近, 因此x轴方向振动速度放大的原 因是房屋发生了共振现象。 T1= 0. 0131H + 0. 1127,f1= 1/ T1(1) 式中T1,f1分别为结构的第一阶自振周期(s) 与频率(Hz) ;H为房屋高度,m。 3. 2 列车运行速度及车长对共振影响 图6、 图7分别为8节车厢动车组运行速度为 200 km/ h与16节车厢动车组运行速度300 km/ h 通过时,B栋房屋的振动时程曲线, 相应的振动速度 峰值见表2。 对比表1与表2中B栋房屋x轴方向速度峰值 可知, 列车运行速度越快, 共振速度峰值也越大, 而列 车的长度变化对房屋共振的幅度及振动持时影响均 不明显。当8节车厢动车组运行速度从200 km/ h提 高到300 km/ h时, 速度峰值提高了约73%。当8节 与16节车厢动车组时速均为300 km/ h时, 房屋共 振速度峰值大致相同, 仅相差0. 10 cm/ s, 速度幅值 以0. 05 cm/ s为起止的共振持续振动时间也大致相 当, 均约为7. 5 s。 931第34卷 第2期 郑水明, 孔宇阳, 雷静雅 列车运行引起坡子街村房屋振动测试与分析 万方数据 图3 8节动车组以300 km/ h速度运行时A栋房屋的振动时程曲线(a) 及其相应的频谱图(b) Fig. 3 Velocity timehistory curves(a)and Fourier spectra(b)of the A building vibration caused by eight units trains running about 300 km/ h 图4 8节动车组以300 km/ h速度运行时B栋房屋的振动时程曲线(a) 及其相应的频谱图(b) Fig. 4 Velocity timehistory curves(a)and Fourier spectra(b)of the B building vibration caused by eight units trains running about 300 km/ h 041爆 破 2017年6月 万方数据 图5 8节动车组以300 km/ h速度运行时C栋房屋的振动时程曲线(a) 及其相应的频谱图(b) Fig. 5 Velocity timehistory curves(a)and Fourier spectra(b)of the C building vibration caused by eight units trains running about 300 km/ h 表1 房屋振动的速度峰值及主振频率值 Table 1 Peak velocity and main frequency of buildings vibration 车型/车速房屋编号 测试方向 峰值速度/ (cms -1) 主振频率/ Hz 计算自振 频率/ Hz x方向0. 083. 4、6. 7、9. 9 Ay方向0. 083. 4、6. 7、9. 9、12. 4 z方向0. 083. 4、9. 9、12. 4 x方向0. 263. 4 8节车厢/ 300 kmh -1 By方向0. 043. 4、5. 2、9. 93. 9 z方向0. 023. 4、5. 2、9. 9 x方向0. 163. 4 Cy方向0. 023. 4、5. 2、9. 9 z方向0. 053. 4、6. 7、9. 9 4 结论 通过对列车运行引起新市镇坡子街村3栋自建 房的振动测试与分析, 获得如下结论 (1) 高速列车运行产生的振动引起B、C两栋房 屋x轴方向发生共振现象。 (2) 虽然列车运行产生的振动对周围环境影响 会随着距铁路线距离的增加而快速衰减[ 47], 但由于 共振效应, 放大了振动对房屋的影响, 致使B、C两 栋房屋x轴方向的振动速度峰值反而大于距铁路更 近的A栋房屋, 且远大于这两栋房屋y、z轴方向的 振动幅值。 141第34卷 第2期 郑水明, 孔宇阳, 雷静雅 列车运行引起坡子街村房屋振动测试与分析 万方数据 图6 8节动车组时速200 km/ h时B栋房屋的振动时程曲线 Fig. 6 Velocity timehistory curves of the B building vibration caused by eight units trains running about 200 km/ h 图7 16节动车组时速300 km/ h时B栋房屋的振动时程曲线 Fig. 7 Velocity timehistory curves of the B building vibration caused by sixteen units trains running about 300 km/ h 表2 不同列车情形B栋房屋振动速度峰值 Table 2 Peak velocity of the B building vibration under different train speeds and lengths 车型/车速房屋编号 测试方向 峰值速度/ (cms -1) x方向0. 15 8节车厢/ 200 kmh -1 By方向0. 03 z方向0. 02 x方向0. 27 16节车厢/ 300 kmh -1 By方向0. 03 z方向0. 02 (3) 列车运行速度加快会明显增加房屋共振的 幅度, 但列车长度变化对房屋共振的幅度及振动持 时影响均不明显。 参考文献(References) [1] G Lombatert,G Degrande. 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