铁路振动对历史城墙影响的测试分析

周德豪

（中国铁路设计集团有限公司 机械动力与环境工程设计研究院，天津 300308）

0 引言

铁路列车运行对周围建筑产生振动影响，尤其是古建筑对振动更加敏感。我国学者着手研究铁路振动对古建筑的影响，钱春宇等[1]针对西安城墙北门段进行了多种工况的交通振动测试，得出列车运行引起的北门振动响应较大，货物列车快速通过时，水平向最大振动速度高于容许振动标准；王林安等[2]对新建京张高速铁路下穿八达岭长城振动进行影响评估，通过现场测试、理论计算、有限元仿真分析，预测新建线路对长城产生的振动速度低于容许振动速度；张凯[3]通过现状测试及理论计算研究地铁运行对西安城墙和平门振动影响，得出测试及计算结果均满足容许振动要求；徐建[4]针对不同类型的古建筑，综述了防振技术的研究现状和发展趋势，对古建筑的振动控制工作提出建议，并指出《古建筑防工业振动技术规范》(GBT 50452—2008)[5]的容许振动速度比一般规范严格。

通过上述学者的研究可以看出，存在铁路振动对古建筑的影响。《古建筑防工业振动技术规范》中规定，砖石结构的控制点位置为承重结构最高处，控制点方向为水平方向；但规范并未给出不同控制点位置及方向的对比情况。为此，按照《古建筑防工业振动技术规范》中工业振动对砖石结构古建筑振动影响的评估步骤及方法开展测试，获得古城墙结构的振动速度响应，并比较不同控制点位置与方向的振动响应，以分析不同响应结果。

根据《古建筑防工业振动技术规范》中评估铁路振动对古建筑振动影响的方法，进行铁路振源和古建筑的现状调查、确定古建筑结构的容许振动速度标准并计算或测试古建筑结构振动响应，当古建筑周边已有铁路振源时可以采用测试法。本文选用测试法调查古建筑和振源状况，测试铁路振动下的古建筑振动响应。

1 城墙古建筑振动响应测试

以某砖结构城墙为测试分析对象，该城墙建于明代，现状较为完整。城墙周围主要振源为铁路、公路。铁路走向为东西向，古城墙位于铁路南侧，距离最近的铁路股道约为31 m；现状铁路主要为客运，车型为动车组列车及普速旅客列车。

1.1 测试方案

将振动传感器放置于城墙顶部和城墙底部，分别测试不同方向振动加速度。测试过程中记录铁路过车(列车类型、编组、速度、股道)、风向风速等相关测试情况。采样频率为3 200 Hz，不低于规范中100～120 Hz 要求，采样数据更充分。数据处理采用0.1～200 Hz滤波，包含铁路振动的主要频率范围。记录时间不应少于15 min，记录通过列车不少于5 列，保证实验数据有效。

1.2 测点布置

本次实验布设城墙底部和顶部2 处测点，每处测点进行水平且平行于铁路线、水平且垂直于铁路线、垂直水平面3个方向，依次命名为X、Y、Z方向。

古城墙底部及顶部布点在同一垂面，与铁路线路的水平距离相差小于0.5 m。底部测点与铁路高差1 m，顶部测点与铁路高差9 m，距最外侧铁路线路约31 m。布置情况如图1、图2所示。

图1 古城墙底部测点

图2 古城墙顶部测点

1.3 测试仪器

本次实验采用LMS数据采集仪，低量程高灵敏度加速度传感器(PCB 传感器，灵敏度10.01 V/g)、数据线等。测试仪器满足低频、微幅的要求，起始频率小于0.5 Hz，分辨率高于10-6m/s。仪器满足《古建筑防工业振动技术规范》要求。

2 测试结果分析

数据分析前，应对原始记录信号去零飘和干扰，并进行带阻滤波。振动响应分别按同一高度、同一方向各测点速度时程最大峰峰值的一半确定，选取5 列车进行分析并取平均值。

2.1 时程分析

采用加速度传感器，需对采集到的加速度进行积分得到振动速度。选择相同股道、同一类型、速度相近(30～40 km/h)的列车。本次选取获得最外侧股道通过速度相近的普速列车通过历程的数据，分析对比城墙底部3 个方向振动速度、城墙顶部3 个方向振动速度。不同测点振动速度时程分析如图3所示。

2.2 对比分析结果

速度相近的5 列车通过时，城墙振动速度汇总如表1、图4所示。

图3 不同测点振动速度时程分析图（滤波后）

表1 不同列车产生的城墙振动速度表

通过以上分析得出：振动速度最大值出现在普速内燃列车经过时的城墙顶部Y 向；无论顶部或底部，Z 向振动速度均最小，远小于X 方向、Y 方向振动；水平方向振动速度中，Y方向显著大于X方向。动车组列车相对于普速列车产生的振动影响较小，主要在于动车组轴重及簧下质量更小。

3 结论

通过对城墙底部及顶部数据分析可知：铁路列车引起的振动速度中，垂向振动速度最小，远小于水平方向振动速度；水平振动速度中，垂直于铁路线方向显著大于平行于铁路线方向。水平方向振动速度对古建筑更不利，应作为古建筑振动的评价量，并且城墙顶部水平振动大于底部水平振动。与《古建筑防工业振动技术规范》中“砖砌体古建筑，控制点位于称重结构的最高处，控制点方向水平”结论一致。通过测试进一步得出，铁路引起的古建筑水平振动中，垂直铁路线方向是主要贡献量，并显著大于平行铁路线方向，当进行铁路对古建筑振动速度粗略估算时，可将垂直于铁路线方向振动速度作为评价量。铁路振动从城墙底部传到城墙顶部过程中，垂向振动产生衰减，水平振动产生放大，此现象与城墙建筑结构特点相关。

图4 不同列车产生的城墙振动速度图