地铁振动激励下声阻隔振支座减振效果实测分析

Field Measurement and Analysis of Vibration Reduction Performance of Sound-Insulating Isolation Bearings under Metro-Induced Excitation

摘要

为研究地铁列车运行引起的环境振动及其对上盖建筑舒适度的影响，本文以上海某地铁车辆段上盖综合开发工程为背景，开展了声阻隔振橡胶支座的现场测试与减振效果分析。该支座通过降低动刚度、提高阻尼比并削弱振动传播路径（声桥效应），实现振动与声能的协同控制。本文首先介绍结构概况及支座构造机理，其次基于相关规范对不同楼层振动响应进行时程与频域分析。结果表明：声阻隔振支座在列车激励下可显著降低高层建筑竖向加速度峰值及加速度级，且振动响应沿高度呈衰减规律；铅芯型支座通过声阻垫切断“铅芯—连接板”路径，进一步提升减振性能，最大减振幅值约为10 dB。研究表明，该类支座可兼顾竖向振动控制与声学隔离，对地铁上盖建筑舒适度提升具有重要工程应用价值。

Abstract

To investigate metro-induced environmental vibrations and their effects on the serviceability of over-track buildings， field tests and performance analyses of soundproof vibration isolation rubber bearings were conducted based on a development project above a metro depot in Shanghai. The bearings achieve coupled vibration–acoustic control by reducing dynamic stiffness， increasing damping， and interrupting transmission paths （acoustic bridge effect）. Time-domain and frequency-domain analyses show that the bearings significantly reduce peak vertical acceleration and vibration levels， with responses attenuating along building height. The lead-core configuration， incorporating sound-insulating pads， further enhances performance by disrupting the “lead core-connection plate” path， achieving a maximum reduction of approximately 10dB. These results demonstrate the effectiveness of the proposed system in integrating vertical vibration mitigation and acoustic isolation for over-track buildings.

Graphical abstract

关键词

竖向振动控制 / 声阻隔振支座 / 舒适度 / 减振降噪 / 场地测试

Key words

vertical vibration isolation / sound-insulating rubber bearings / comfort / vibration damping and noise reduction / field test

0 引 言

随着城市化不断推进，地铁车辆段因占地规模巨大，其上盖开发愈发受到重视。这种模式能有效提升土地集约利用率与综合效益，推动TOD模式在城市空间开发中快速发展^［1-2］。然而，车辆在运营过程中会引发较强的振动效应，不仅对上部结构的使用舒适度产生影响^［3］，还可能对周边环境造成不利作用^［4］。列车运行诱发的环境振动与结构二次噪声成为制约因素，尤其在咽喉区、列检线、试车线等高活动功能地区更为突出^［5］。因此，在TOD项目建设中引入竖向振动控制技术已成为提升建筑服务性能与优化环境质量的重要措施，对于推动城市建设的可持续发展具有积极意义^［6］。

声阻隔振源自于声子晶体的力学性能。声子晶体是一种周期性结构，由Kushwaha^［7-8］等于1993年提出。声子晶体具有在特定带隙中抑制弹性波传播的特性，因而具备减振能力。Zhao^［9］等利用声子晶体原理，设计出了一种新型的应用于轨道交通隔振的产品。王学宗等^［10］提出一种低频隔振设计，对于10~70 Hz的振动具有很好的抑制能力。同时，声子晶体在船舶和汽车等工业领域也有广泛的研究和应用^［11-13］。

本文基于此概念提出一种新型的声阻隔振支座，并应用于一实际地铁上盖结构地铁隔振项目中，结合振动加速度测试理论及实践^［14-18］，对该支座安装后隔振效果进行了测试和评估。

1 项目背景

1.1　项目概况

本项目为毗邻上海轨道交通15号线的TOD综合开发工程，地块正下方分布有地铁停车列检库、运用库、试车线及入库咽喉区等设施。15号线为6A编组，试车线的最高运行速度可达80 km/h，列车进入库区前需通过咽喉区弯道并逐步减速直至完全停稳。该地块的整体布局如图1所示。

为同时隔离地震和地铁运行的影响，本项目采用振震双控技术，在地下室与上部结构首层之间增加一高度为2.6 m的隔振层，进行层间隔振设计。隔振层中应用声阻隔振支座产品，可起到在水平向隔离地震及在竖向隔离地铁激励的作用。

1.2　声阻隔振垫原理

声阻隔振的基本机理在于通过阻断振动与噪声的传播路径，降低机械振动或声波由振源向目标区域的传递效率。其典型结构剖面如图2所示。与常规橡胶隔震支座相比，声阻隔振橡胶支座的改进主要体现在以下两方面：①材料配方经过优化，并引入特定增强填料，使其相较于普通橡胶具有更低的动刚度系数和更高的阻尼性能；②在铅芯声阻隔振支座中，于铅芯与上下连接板之间增设声阻垫，有效切断了“下连接板—铅芯—上连接板”的机械波传播路径，从而显著削弱上部结构的振动响应。

本项目中声阻隔振支座布置如图3所示，共计26套支座，含6套LNR1100-S、10套LRB1000-S、10套LRB900-S，其力学性能参数见表1，并与普通橡胶支座参数进行了对比。表1中内容显示，隔振参数中，声阻隔振支座具备更小的竖向动刚度以及更大的阻尼比，有助于发挥更好的竖向隔振效果。

1.3　测试方案

选取运行库上方一栋建筑单体，对汽车库、隔振层上下支墩以及1层、4层、7层、10层（顶层）进行振动测试，测点布置如图4（a）所示，现场图片示意如图4（b）所示，图中为隔振层下支墩处测点。在每一楼层，测点均布置于楼板跨中位置。测试时间包含昼间段和夜间段。

1.4　评估标准

对于振动评估，常用现行规范有《城市区域环境振动标准》（GB 10070—1988）^［19］、《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/T 170—2009）^［20］、《住宅建筑室内振动限值及其测量方法标准》（GB/T 50355—2018）^［21］等。依据《城市区域环境振动标准》，本项目单体属于表2中的“居民、文教区”，最大Z振级应满足“昼间70 dB，夜间67 dB”要求，其中最大Z振级计算方法依据ISO2631-1：1997。最大分频振级应满足“昼间65 dB，夜间62 dB”的要求。

《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》中明确规定适用于城市轨道交通列车运行引起沿线建筑物室内振动和二次结构噪声的控制与测量，振动的频率范围为4~200 Hz，室内二次辐射噪声的频率范围为16~200 Hz。二次噪声限值结果见表3，本项目应满足“昼间41 dB，夜间38 dB”限值要求。

2 测试结果与分析

2.1　数据处理方法

对于地铁振动影响的评价，通常先基于离散信号计算加速度均方根值（RMS），如式（1）所示：

a_{\mathrm{r}\mathrm{m}\mathrm{s}}=\sqrt[]{\frac{\mathrm{1}}{T}{\int }_{\mathrm{0}}^T a^{\mathrm{2}}(t)\mathrm{d}\mathrm{t}}（1）

根据式（2）进一步换算为加速度级（dB）。

VAL=\mathrm{20}\mathrm{l}\mathrm{g}\left(\frac{a_{\mathrm{r}\mathrm{m}\mathrm{s}}}{a_{\mathrm{0}}}\right)（2）

在此基础上，引入ISO 2631-1—1985标准所规定的Z计权因子进行修正，可得到1/3倍频程中心频率上的Z计权加速度级V{L}_z，该参数已成为衡量地铁运行对地面振动影响的重要指标。

2.2　数据处理结果

测试地铁车辆段，采集到5段地铁运行时振动信号，典型时程数据如图5所示，加速度幅值谱如图6所示，考虑按JGJ/T 170—2009计权的分频振级曲线如图7所示。

图5中各工况加速度时程结果显示，地铁振动加速度从车库传导至隔振层下支墩时，其峰值已得较大衰减，主要原因是振动高频成分在传播过程中被过滤。对比上支墩和下支墩的加速度时程，可以看到上支墩处加速度同样得到衰减，说明隔振层起到了隔离振动的作用。

由图6可知，在测试时段内的五条地铁通过时，车库处加速度最大，峰值均值可达10.63 cm/s²；到达下支墩时，加速度峰值变为2.53 cm/s²；到上支墩时，加速度峰值变为0.36 cm/s²，从峰值评估，隔震上下支墩减振率为86%。从建筑楼层加速度时程可以发现，结构楼层加速度峰值呈现两端小、中间大的特点。本测试中，4层的水平加速度峰值明显高于1层和10层，详细统计结果见表4。

由图7可知，在4层、7层有明显的接近70 Hz的振动，这在1层及顶层均不存在。可能原因是在70 Hz处出现局部振型，或出现层间驻波现象，导致4层和7层的响应相对较高。图6中结果显示，在5班次地铁经过时，各上部楼层响应均小于62 dB，且图中所示隔振层上下支墩处减振效果显著。

图8及图9对比了汽车库、下支墩、上支墩及上部楼层的Z振级和计权后最大分频振级的分布规律，从图中可以看出，减振后各楼层振级满足规范要求，由于Z振级和分配振级有不同的权值，所以7层的最大分频振级明显更大。

分频振级及Z振级统计结果见表5和表6。从隔振层下支墩到上支墩，Z振级减小5.0 dB，分频最大振级减少4.6 dB。

上下支墩之间的传递函数如图10所示，从图上可以看出，声阻隔振支座可有效减小大于30 Hz的高频振动，在40 Hz以上可以减小近10 dB。在低频振动范围内，声阻隔振支座对振动的放大有限，在30 Hz最大放大3 dB，因此声阻隔振支座具有优良的减振性能。

图11为加速度小波能量图（各楼层的时-频谱），能揭示列车运行引起的振动能量在时间与频率维度上的分布特征，从而说明结构的竖向传播规律、频带衰减特性与局部放大现象。从图像整体看，底部B1、下支墩能量在10~80 Hz范围广泛分布，且颜色饱和度高，说明列车通过时地铁激励能量丰富、持续时间长。随层数升高，能量带逐渐变窄并衰减，验证竖向隔振支座对高频成分具有明显衰减作用。1层及上支墩： 能量主要集中在30~50 Hz之间，70 Hz附近能量较弱，显示出支座有效阻断了中高频能量的上行传播。4层与7层：70 Hz附近出现明显的横向亮带，且持续时间约为列车全程（10~25 s），说明该频带存在层间放大或局部共振；其频带窄、相对稳定，高频（60 Hz）能量明显衰减，表明振动沿高度传播后被耗散或被结构阻尼吸收。

图12为各测试楼层的二次噪声计算结果，图中显示在1层至顶层，二次噪声最大值为36 dB，小于38 dB，满足二次噪声限值要求。

3 结论与建议

本文以临近地铁环境下设置声阻隔振支座的高层住宅结构为研究对象，基于现场振动测试与实测数据分析，得到如下结论：

（1） 地铁运行诱发的环境振动可经地基-结构路径传播并在上部结构中放大，对居住舒适性产生不利影响，竖向振动控制应作为此类工程设计的重要内容予以考虑。

（2） 所采用的声阻橡胶支座通过降低体系动刚度、提高等效阻尼比，并削弱结构传声路径（声桥效应），在满足竖向承载性能要求的同时，实现了振动能量的有效耗散，形成“隔振-耗能”协同控制机制。

（3） 现场实测结果表明，设置该隔振支座后结构振动响应显著降低，隔振层整体减振效果约为5.0 dB，验证了其在实际工程中的有效性。

综上，声阻隔振支座在临近轨道交通建筑的振动控制中具有良好的工程适用性与推广潜力。

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