随着国内经济的快速发展, 越来越多的大型公共建筑如雨后春笋般涌现, 其中综合交通枢纽是城市基础设施建设中的重要环节。轨道交通作为人们出行的一种便捷方式, 正在各主要城市大量密集建设。由于站台、候客厅及其上部换乘枢纽区共建一体, 列车运行引起的振动未经土层和减振装置有效衰减, 直接通过道床、柱等刚性构件传至上部结构, 造成共建体楼板、填充墙、门窗的振动, 从而引起上部换乘旅客的不舒适感, 严重时可能会引发结构安全性问题。

目前对该领域的研究分析仅限于列车运行对周围环境的振动影响, 而较少考虑换乘建筑物上部的振动问题, 因此科学评估轨道列车运行影响下的舒适度和安全性对类似工程的规划设计有重要的参考价值。本文以武汉某共建工程为研究背景, 介绍了结构舒适度和安全性评价的基本原理和标准, 对地铁、城铁振动影响下的共建体上部结构进行实测评价, 获得了共建体上部结构动力响应的实测数据, 分析讨论了共建体在列车激励下的振动特性。

武汉天河机场交通中心 (见图1) 是华中地区规模最大、功能最齐全的大型交通综合体, 由多个单位分区段参与建设, 与T2, T3航站楼相邻, 能够满足旅客对航空、地铁、城铁、长途客运、出租车、公交车、小轿车的换乘需求, 实现多种交通形式的无缝对接。整体呈扁平半圆形, 总用地面积10.5hm², 最大尺寸为259m×461m, 建筑高度12.8m。主要分为4个功能层, 地下2层为交通转换大厅, 共有6条列车线路通过, 其中4条线路为汉孝城际铁路, 另2条为武汉市2号地铁线路 (见图2) 。地下1层为社会停车场, 地上1层为长途客运站、社会停车场、出租车停车场, 地上2层为社会停车场、转换大厅、集散中心、配套商业设施。

交通中心作为轨道交通与上部乘换枢纽区共建一体式结构, 下部列车在运行时由于车轮对轨道的冲击及轨道不平顺等原因引起的振动可能会给建筑物中的换乘旅客、工作人员带来不良影响。因此, 有必要对交通中心在列车运行影响下的安全性及舒适性进行实测评估。真实准确地分析共建一体式结构的振动响应规律并对其安全性及舒适性进行评价, 对提高该类型建筑物的适用性、舒适性都具有重要的工程价值, 这一问题的解决将会大力推动该类结构形式在全国各地交通换乘枢纽建设中的发展和推广, 并由此产生显著的社会与经济效益。

舒适度主要是指人在相当长的时间内感受不到建筑物的振动, 而建筑物的振动加速度水平与人的舒适感直接相关。衡量建筑物所遭受到的振动安全性常用的物理量为振动速度, 这是因为振动速度与建筑物的破坏有着直接关系, 它们能直接反映建筑物的破坏烈度以及结构物振动响应时的能量大小, 在建筑物的振动中起着决定性作用。

交通中心结构类型为框架结构, 汉孝城际铁路和武汉地铁2号线位于交通中心中庭公共区域正下方。因此, 研究范围以城铁、地铁区域为中心, 适当向两边延伸, 重点关注典型的梁柱节点和楼板中央部位, 考察该范围内测点的振动加速度水平和振动速度以评价天河机场交通中心在城铁、地铁运行下的结构舒适度和安全性。

舒适度评价执行ISO10137∶2007, 该标准适用于建筑物、建筑物内部的走道、紧邻建筑物的走道等场所, 利用频率计权加速均方根 (R.M.S) 进行评价, 基本概念如下。

频率计权均方根加速度为:

式中:a_w (t) 为瞬时频率计权加速度;T为测量时间长度。

数值表示为:

式中:W_i为第i个1/3倍频带的计权系数;a_i为第i个1/3倍频带的加速度均方根值 (m/s²) 。

ISO10137∶2007的评价方法为当波峰因数比值<6时, 则根据不同环境将振动加速度基准曲线与倍乘因子相乘, 即得到该环境下的振动舒适度限值。根据不同频率下振动的计权R.M.S限值的基本曲线和不同环境下基本曲线的倍乘因子, 二者结合共同确定加速度限值, 交通中心1层、2层属于换乘层和商业夹层, 评价指标取值同普通办公室, 即为竖向2cm/s², 水平向1.44cm/s²。当波峰因数比值>6时, 则按振动4次方剂量值VDV进行评价。

4次方振动剂量值:

式中:a_w (t) 为瞬时计权加速度;T为测量时间长度。

项目结构安全性评价参照执行我国GB6722—2014《爆破安全规程》及GB/T50452—2008《古建筑防工业振动技术规范》中的相关规定。值得说明的是, 与爆破振动的瞬时冲击特性不同, 列车运行引起的振动具有一定的持续时间及重复作用, 其振动限值应相对严格;评价对象为大跨钢筋混凝土结构, 参照《古建筑防工业振动技术规范》中古旧建筑物的相关规定可能略显严苛。

测试主要采用日本东京测振株式会社生产的SPC-51型振动采集分析仪。这套设备为目前世界上在振动测试方面最为先进和精密的设备, 在国内属领先水平, 可以充分保证测试数据和结果的可靠性与有效性。

测试分为地铁运行下结构振动响应测试与城铁运行下结构振动响应测试2部分, 测试区域涵盖了交通中心地上1层和2层2个楼层。综合考虑天河机场交通中心实地情况, 在现场两个楼层的柱底、楼板中央等部位布设了传感器, 自动采集地铁、城铁运行时柱底测点的三向速度和加速度, 记录楼板测点 (见图3) 的铅垂向加速度。

对所采集信号进行分析之前, 首先对信号进行预处理, 消除趋势项和噪声部分, 提取有用信号。

从地铁、城铁运行时各测点典型铅垂加速度响应及频谱 (见图4) 可以看出, 列车通过时地上1层、2层位于地铁、城铁正上方的3号测点和5号测点响应最大, 其中地上1层3号点最大幅值为1.635cm/s², 能够明显记录到列车通过时所引起振动的波形。城铁通过时各楼层测点的响应明显小于地铁运行所导致的响应, 并且多数测点无法记录到城铁通过时所导致振动的波形, 说明城铁运行引起的振动响应较小, 在环境激励下表现不明显。城铁、地铁进/离站平均时速都在30km左右, 并且城铁、地铁在轴重、编组、轨重方面几乎一致。相较于地铁引起的明显振动响应, 城铁却并不明显, 这可能与列车所采取的轨道形式有关, 地铁为普通轨道, 而城铁采用了固有频率为10Hz的钢弹簧浮置板轨道, 钢弹簧浮置板轨道在纵向上扩散了原本相对集中的振动荷载, 在横向上延长了荷载作用时间, 从而减弱了轨轮的冲击力引起的振动。

在测试条件下, 对于地上1层、2层的同一平面位置, 1层各测点的铅垂加速度振幅要比2层稍大。就5号点而言, 地上1层最大幅值为1.495cm/s², 2层最大幅值为1.143cm/s²。而对于同一楼层不同位置, 距列车影响区域越远, 其振动响应越弱。综上可知, 建筑物所产生的动力响应随着距振源距离的增大而减小。

从对应的频谱图 (见图5) 可以看出, 地铁振动主频集中在40Hz以上, 其余距地铁运行较远的区域响应较小。而城铁40Hz以上频率成分略大, 但从总体来说振动频率成分较为分散, 无明显振动主频。

从地上1层、2层楼层测点最大计权均方根加速度评价结果 (见图6, 7) 可以看出, 3号测点, 即地铁正上方点计权均方根加速度响应较大, 地上1层、2层各测点z向与合成向计权均方根加速度普遍大于x向和y向, 总体来看所有测点3个方向及合成向的计算结果均未超出标准限值1.44cm/s²。

从地上1层、2层的最大波峰因数计算结果 (见表1, 2) 可以看出, 3方向的波峰因数均<6, 因此无须附加评价这3个方向的振动剂量。

地铁、城铁运行时楼板各测点的最大计权均方根加速度结果与ISO10137∶2007中的标准限值比较如表3所示。从表中可以看出城铁、地铁运行所引起的楼板振动未超出标准限值。

列车运行时地上1层、2层最大水平速度响应如图8、图9所示, 《古建筑防工业振动技术规范》限值为0.45mm/s。从图中可以看出各楼层3号测点和5号测点的速度响应较大, 其余测点响应较小, 总体来看所有测点的最大水平速度响应均未超出限值。

天河机场交通中心建筑高度小, 仅12.8m, 但平面面积巨大, 达到近80 000m², 如此规模的扁平式建筑并不常见。从结构上来看, 交通中心整体为框架结构, 2层及屋面为部分预应力框架结构, 在地上部分 (15) ~ (16) 轴与 (33) ~ (34) 轴为消防车道并设置有通长的伸缩缝兼防振缝, (23) ~ (26) 轴的汉孝城铁区域位于整个交通中心的中央, (27) ~ (29) 轴的地铁2号线区域位于城铁东侧。城铁、地铁均从交通中心底部穿越, 交通中心地下室底板与轨道交通体的外剪力墙为共建区, 两者属于共建体, 连接形式为刚性连接。

由于防振缝的区隔, 本次振动测试范围为受列车运行影响较大的 (16) ~ (33) 轴区域, 该范围内的结构特点为连续且相对规则的框架结构, 从上节测试结果看, 振动响应最大的是距列车最近的点, 由此可知在对类似共建体的设计上, 要特别注意列车附近区域的防振处理, 可在共建体交界处采取柔性连接或其他减振措施。但本次测试位置未涉及防振缝的边界, 所以不排除建筑物在边界处或结构有较大变化处有其他结果。

另外, 城铁钢弹簧浮置板轨道的减振效果明显优于地铁的普通轨道, 在进行有大型上部结构的列车轨道设计和施工时, 可以将列车轨道的减振处理作为重要措施予以考虑。

1) 建筑物所产生的动力响应随着距振源距离的增大而减小。

2) 在测试条件下, 城铁通过时各楼层测点的响应小于地铁运行所导致的响应, 并且城铁运行引起的振动响应较小, 在环境激励下表现不明显, 钢弹簧浮置板轨道对结构减振起到积极作用。

3) 地铁、城铁运行引起的交通中心共建体地上1层、2层计权均方根加速度响应小于ISO10137∶2007中规定的限值, 结构振动舒适度满足要求。

4) 地铁、城铁运行引起的交通中心共建体地上1层、2层最大水平速度响应均未超过《爆破安全规程》和《古建筑防工业振动技术规范》中规定的结构容许振动速度。在测试条件下, 城铁运行对交通中心的结构安全性没有影响。

目前, 对轨道列车引起的上部结构振动响应的研究较少, 尤其是武汉市天河机场交通中心这类超大扁平式共建体。在轨道列车运行的影响下, 通过对武汉市天河机场交通中心的振动舒适度和安全性研究, 排除了大众对建筑物适用性和安全性的担忧。