声学知识
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不同标准下地铁列车通过引起的室内振动评价

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随着我国城市化进程的不断加快,城市规模不断扩大,城市人口激增,机动车保有量迅速增长,造成了严重的空气污染、能源消耗以及交通拥堵问题。城市轨道交通运输能力大、占地少、能耗小、安全性好,已成为解决城市交通问题的首选方案。世界上第一条地下铁道于1863年1月10日首先在伦敦建成,至今己有150多年的历史。随后,世界各国都纷纷开始发展轨道交通,到目前为止,世界上已有超过200个城市拥有轨道交通,线路总长超过9000公里。我国自20世纪60年代北京建成第一条地铁线路以来,经过近50年的发展,现已进入轨道交通的蓬勃发展时期,许多城市也正在大力发展地铁、轻轨等城市轨道交通系统。轨道交通项目的建成,承担了大量的客流,在城市交通中发挥着举足轻重的作用,在公共交通运量中的比重也逐年上升。同时还促进了沿线土地开发,加快了城市发展,产生了明显的国民经济效益和社会效益。

尽管轨道交通对城市发展有巨大贡献,给城市居民的生活带来了很大的方便,但轨道交通运行所引发的振动问题,自运营以来一直持续受到人们的关注。城市轨道交通不可避免地会经过一些居民聚集区和重要建筑群,随着交通密度和荷载的不断增加,所引起的振动影响日益显著。除此之外,振动还会影响精密设备和仪器的正常使用,甚至会对建筑物造成损害。

地铁引起室内振动原理

地铁列车在运行时由于轮轨相互作用产生振动,再由轨道基础和隧道等传播介质传播至地面和沿线建筑物,由此进一步引起建筑物内门窗和设备等的振动,对沿线地面建筑物产生影响。

地铁列车振动影响建筑物主要可以分为三个阶段:

(1)振动产生阶段,也即列车车轮对轨道的冲击产生振动,主要包括:运行列车的重力对轨道产生冲击,造成车轮和轨道结构振动;车轮与钢轨发生作用产生的作用力,形成车辆与轨道结构振动;轨道不平顺或车轮磨损等随机激励产生的振动;偏心车轮产生的周期性激励振动。

(2)振动传播阶段,振动通过轨道基础和隧道向周围土壤和地面建筑传播。

(3)振动作用阶段,振动作用在沿线地面建筑物上,诱发建筑结构振动及室内家具等的二次振动和结构噪声,对建筑物内的人群和精密仪器产生影响。

不同标准下地铁列车通过引起的室内振动评价

现有标准解读

对于地铁列车通过时引起的建筑物室内振动,现行有效的主要标准有《城市区域环境振动测量方法》(GB10071-1988)、上海市地标《城市轨道交通(地下段)列车运行引起的住宅室内振动与结构噪声限值及测量方法》(DB31/T470-2009)和《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》(JGJ/T170-2009)。

不同标准中,对于轨道交通列车通过时引起的建筑物室内振动的测试要求和评价量不同。其中《GB10071-1988》和《DB31/T470-2009》中规定室内振动测量应使用全身振动垂向计权,频率范围为1~80Hz,评价量为Z计权振级最大值VLZmax。测得轨道交通列车通过时引起的建筑物室内振动垂向加速度振级频谱,根据ISO2631/1-1985中规定的全身振动Z计权因子进行修正。在1~80Hz范围内各1/3倍频程中心频率计权因子如下表1所示。

不同标准下地铁列车通过引起的室内振动评价

由各1/3倍频程中心频率上的计权加速度振级可计算得计权加速度,再根据下列公式得到Z计权振级:

不同标准下地铁列车通过引起的室内振动评价

《JGJ/T170-2009》中规定室内振动应测量铅垂向振动加速度,频率范围为4~200Hz,评价量为各个1/3倍频程中心频率上经Z计权因子(参考ISO2631/1-1997[6])修正后的最大振动加速度级,称为分频最大振级。《JGJ/T 170-2009》(JGJ/T170-2009)中规定的4~200Hz范围内各1/3倍频程中心频率计权因子如下表2所示。

不同标准下地铁列车通过引起的室内振动评价

另外,对于地铁列车通过时引起的室内振动限值,不同标准对于不同功能区的敏感点的要求有所不同,见下表3。

不同标准下地铁列车通过引起的室内振动评价

通过表3可以看出,在1类区和2类区的标准上,《GB10071-1988》要求较为宽松,《JGJ/T170-2009》中限值最为严格。

试验证明:当振动达到60dB时,一般人刚刚可以感觉到振动,它并不太会影响人的睡眠;当振动达到65dB时,会对睡眠有轻微影响;达到69dB时,轻睡眠的人会被惊醒;达到79dB后,所有人将被惊醒。所以,对于居民较多的2类区中,夜间振动不应高于69dB,《DB31/T470-2009》和《JGJ/T170-2009》对于2类区的标准限值较为适宜。

实测案例

为比较不同标准下轨道交通列车通过时引起建筑物室内振动的大小,对上海地铁8号线沿线某住宅建筑进行了室内振动测试。分别测试近远轨列车通过时引起的室内振动的时域信号,选取室内振动最大值时刻进行分析,分析频率范围为1~200Hz。近远轨列车通过时引起的室内振动最大值1/3倍频程频谱图如图1所示。

图1 近远轨列车通过引起的建筑物室内振动最大值频谱

不同标准下地铁列车通过引起的室内振动评价

分别根据ISO2631/1-1985中Z计权曲线和JGJ/T170-2009中Z计权曲线对近远轨列车通过时引起的建筑物室内振动最大值频谱进行计权分析,得到相应标准中的评价量。最大Z振级VLZmax和分频最大振级的计算结果分别如下表5所示。

不同标准下地铁列车通过引起的室内振动评价

根据计算结果,近远轨列车通过时引起的室内振动分频最大振级均比最大Z振级VLZmax大,两者差值分别为3.3dB和2.3dB。由于列车运行引起的室内振动能量主要集中在40~80Hz,两种Z计权因子在40~80Hz中心频率上的差值为3dB或4dB。由于分频最大振级为单个频率上的最大振级,最大Z振级VLZmax为1~80Hz整个频带上振动能量的总和,所以两者之间的差值一般会小于40~80Hz中心频率上计权因子的差值,一般为2~4dB。

标准限值对比

根据三种标准,近远轨列车通过时引起的室内振动达标情况如下表6所示。

不同标准下地铁列车通过引起的室内振动评价

该敏感点处居民普遍反应列车经过时引起的室内振动较大,对居民的正常生活产生了一定的影响。若根据测试结果,参考《GB10071-1988》和《DB31/T470-2009》,室内振动均能达标,与居民实际感受不符。这主要是由于两标准中最大Z振级VLZmax参考的是ISO2631/1-1985计权曲线,该曲线计权值主要是基于等感曲线以及当时采用的“疲劳-熟练度降低限”曲线来提出的。而《JGJ/T170-2009》中分频最大振级参考的是ISO 2631/1-1997计权曲线,该计权曲线充分考虑了振动对人体健康、感觉、舒适度和运动病等诸多方面的因素,更加注重人的感受。随着ISO2631/1-1997计权曲线的提出,已取代ISO2631/1-1985计权曲线。

所以,由于《JGJ/T170-2009》中计权方式较新,又更加注重人的主观感受,且其规定的各功能区室内振动标准限值较为严格,在实际测试主要能量在40~80Hz的地铁列车振动引起的室内振动时,较为适宜。

结论

地铁列车通过时引起的建筑物室内振动能量主要集中在40~80Hz,根据《JGJ/T170-2009》得到的分频最大振级比《GB 10071-1988》和《DB31/T470-2009》中所规定的最大Z振级VLZmax一般会大2~4dB。

由于《JGJ/T 170-2009》中对振动的计权方式已取代另外两标准中计权曲线,又更加注重人的主观感受,且其规定的各功能区室内振动标准限值较为合理,在实际测试地铁列车振动引起室内振动时,使用该标准较为合理适宜。


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2019-08-06

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