本發(fā)明涉及軌道交通領(lǐng)域，尤其是涉及一種城市軌道交通環(huán)境振動的計算方法。

背景技術(shù)：

隨著中國城市經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，人口不斷增多，交通問題在城市規(guī)劃中越來越受到重視，城市軌道交通以其安全性、準(zhǔn)時性、運送量大等優(yōu)點逐漸成為解決城市交通問題的重要方法。但是，隨著城市軌道交通路網(wǎng)逐漸完善，其引發(fā)的環(huán)境振動問題也越來越受到人們的重視。在國際上，環(huán)境振動已經(jīng)被列為7大環(huán)境公害之一，并且已經(jīng)出臺了一系列規(guī)范對環(huán)境振動進(jìn)行限定。國際上現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范主要包括：國際標(biāo)準(zhǔn)iso2631-1:1997、iso2631-2:2003，日本的jisz8735-1981，德國的din4150-1、din4150-2和din4150-3以及英國的bs6472-1:2008等。我國結(jié)合上述規(guī)范以及實際國情也頒布了相關(guān)規(guī)范。

國家環(huán)境保護(hù)局最早于1989年批準(zhǔn)實施了gb10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱gb10070-88)以及gb10071-88《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》(以下簡稱gb10071-88)，該規(guī)范規(guī)定了城市區(qū)域環(huán)境振動的標(biāo)準(zhǔn)值及其適用地帶范圍和監(jiān)測方法[8,9]。此后，隨著行業(yè)的發(fā)展以及國家對于環(huán)境振動的日漸重視，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)出細(xì)分化的趨勢。而針對于交通振動對于建筑物的影響，主要使用gb10070-88、jbj16-2000j61-2000、jgj/t170-2009、gb50868-2013規(guī)范進(jìn)行評價，由于規(guī)范繁多，計算流程復(fù)雜，給工程人員對于軌道交通的振動計算造成了很大的困擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題提供一種城市軌道交通環(huán)境振動的計算方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種城市軌道交通環(huán)境振動的計算方法，用于對應(yīng)的城市軌道交通環(huán)境振動進(jìn)行統(tǒng)一計算，所述方法包括下列步驟：

1)測量軌道交通環(huán)境的實際振動加速度時程a(j)，通過傅里葉變換，計算得到1/3倍頻程不同中心頻率處的加速度有效值ari；

2)根據(jù)步驟1)得到的加速度有效值ari，進(jìn)行振級計算，得到城市軌道交通環(huán)境的分頻加速度振級、z振級、分頻計權(quán)加速度振級和豎向四次方振動劑量值；

3)將步驟2)中得到的分頻加速度振級、z振級、分頻計權(quán)加速度振級和豎向四次方振動劑量值進(jìn)行可視化展示。

所述步驟1)具體為：

11)測量軌道交通環(huán)境的實際振動加速度時程a(j)，其中j＝1,2,3,...,n；

12)通過快速傅里葉變換，將步驟11)測量的實際振動加速度時程a(j)變換至頻域內(nèi)，計算頻域內(nèi)各頻率點處的幅值|ai(j)|；

13)根據(jù)步驟12)中得到的幅值|ai(j)|，計算得到1/3倍頻程不同中心頻率處的加速度有效值ari。

所述步驟13)具體為：

131)判斷步驟1)測量的實際振動加速度時程a(j)是否為離散值，若是則進(jìn)入步驟132)，若否則進(jìn)入步驟133)；

132)直接根據(jù)頻域內(nèi)各頻率點處的幅值|ai(j)|進(jìn)行計算，得到1/3倍頻程不同中心頻率處的加速度有效值ari；

133)對步驟12)中得到的幅值進(jìn)行傅里葉逆變換，得到各頻帶的振動加速度時程ai(j)，根據(jù)ai(j)的值計算得到1/3倍頻程不同中心頻率處的加速度有效值ari。

所述步驟132)具體為：

其中，aimax為ai(j)在1/3倍頻程所對應(yīng)頻段的幅值譜的最大幅值，f為相應(yīng)的頻率。

所述根據(jù)ai(j)的值計算得到1/3倍頻程不同中心頻率處的加速度有效值ari具體為：

所述步驟2)具體為：

21)根據(jù)步驟1)得到的加速度有效值ari，計算得到振動計權(quán)加速度值awi；

22)根據(jù)步驟21)計算得到的振動計權(quán)加速度值awi，計算得到分頻加速度振級val或分頻計權(quán)加速度振級val'；

23)根據(jù)步驟22)得到的分頻加速度振級val，計算得到z振級vlz；

24)根據(jù)步驟21)計算得到的振動計權(quán)加速度值awi，計算得到豎向四次方振動劑量值vdvz。

所述振動計權(quán)加速度值awi具體為：

awi＝ari·wik；

其中，wik為1/3倍頻程第i段對應(yīng)的加速度計權(quán)因子。

所述分頻加速度振級val具體為：

所述分頻計權(quán)加速度振級val'具體為：

其中，a0為基準(zhǔn)加速度值。

所述z振級vlz具體為：

其中，wi為1/3倍頻程第i段對應(yīng)的分貝計權(quán)因子。

所述豎向四次方振動劑量值vdvz具體為：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明通過將國家各個規(guī)范下進(jìn)行城市軌道交通環(huán)境振動評判所需要的參數(shù)進(jìn)行系列化的統(tǒng)一計算，只需測量軌道交通環(huán)境的實際振動加速度時程，即可得到與各個規(guī)范對應(yīng)的振級參數(shù)，計算程序規(guī)范化且計算方式簡單，與現(xiàn)有技術(shù)每次都要進(jìn)行獨立計算相比，便于工程人員一次化對城市軌道交通環(huán)境的振動進(jìn)行評判，簡單方便，實用性能強(qiáng)。

(2)本發(fā)明提出的計算方法，是按照計算的最簡順序來實現(xiàn)的，比如說z振級的求取需要分頻加速度振級之后才可進(jìn)行，因而這種計算方法是最為簡便且不會造成重復(fù)計算的方法，大大節(jié)省了工作人員的時間和計算量。

(3)通過傅里葉變換，將時域上的計算轉(zhuǎn)變成頻域進(jìn)行對比計算，因而可以在頻域范圍內(nèi)對振動的成分進(jìn)行查看，對比明確，更加便于對振動程度的判斷。

(4)本發(fā)明最終將得到的結(jié)果進(jìn)行可視化展示，結(jié)果顯示直觀，便于工程人員進(jìn)行觀察和監(jiān)測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法流程圖；

圖2為實施例中六層居民樓的方位圖；

圖3為加速度時程圖；

圖4為頻譜圖；

圖5為計算結(jié)果與限值對比圖；

圖6為具體的計算過程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。

本發(fā)明提出的一種城市軌道交通環(huán)境振動的計算方法，用于統(tǒng)一對與國家各個規(guī)范相對應(yīng)的城市軌道交通環(huán)境振動進(jìn)行計算，該方法包括下列步驟：

1)測量軌道交通環(huán)境的實際振動加速度時程a(j)，通過傅里葉變換，計算得到1/3倍頻程不同中心頻率處的加速度有效值ari：

11)測量軌道交通環(huán)境的實際振動加速度時程a(j)，其中j＝1,2,3,...,n；

12)通過快速傅里葉變換，將步驟11)測量的實際振動加速度時程a(j)變換至頻域內(nèi)，計算頻域內(nèi)各頻率點處的幅值|ai(j)|；

13)根據(jù)步驟12)中得到的幅值|ai(j)|，計算得到1/3倍頻程不同中心頻率處的加速度有效值ari：

131)判斷步驟1)測量的實際振動加速度時程a(j)是否為離散值，若是則進(jìn)入步驟132)，若否則進(jìn)入步驟133)；

132)直接根據(jù)頻域內(nèi)各頻率點處的幅值|ai(j)|進(jìn)行計算，得到1/3倍頻程不同中心頻率處的加速度有效值ari：

其中，aimax為ai(j)在1/3倍頻程所對應(yīng)頻段的幅值譜的最大幅值，f為相應(yīng)的頻率；

133)對步驟12)中得到的幅值進(jìn)行傅里葉逆變換，得到各頻帶的振動加速度時程ai(j)，根據(jù)ai(j)的值計算得到1/3倍頻程不同中心頻率處的加速度有效值ari：

2)根據(jù)步驟1)得到的加速度有效值ari，進(jìn)行振級計算，得到與國家各個規(guī)范相對應(yīng)的城市軌道交通環(huán)境的分頻加速度振級、z振級、分頻計權(quán)加速度振級和豎向四次方振動劑量值：

21)根據(jù)步驟1)得到的加速度有效值ari，計算得到振動計權(quán)加速度值awi：

awi＝ari·wik；

其中，wik為1/3倍頻程第i段對應(yīng)的加速度計權(quán)因子；

22)根據(jù)步驟21)計算得到的振動計權(quán)加速度值awi，計算得到分頻加速度振級val或分頻計權(quán)加速度振級val'：

分頻計權(quán)加速度振級val'具體為：

其中，a0為基準(zhǔn)加速度值；

23)根據(jù)步驟22)得到的分頻加速度振級val，計算得到z振級vlz：

其中，wi為1/3倍頻程第i段對應(yīng)的分貝計權(quán)因子；

24)根據(jù)步驟21)計算得到的振動計權(quán)加速度值awi，計算得到豎向四次方振動劑量值vdvz：

3)將步驟2)中得到的分頻加速度振級、z振級、分頻計權(quán)加速度振級和豎向四次方振動劑量值與國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范值進(jìn)行對比，并進(jìn)行可視化展示。

根據(jù)上述步驟進(jìn)行具體的計算，如圖6所示，過程如下：

參照圖2所示實際工程，經(jīng)過現(xiàn)場測量得到如圖3所示的工程加速度時程圖，經(jīng)過一次fourier變換得到如圖4所示的頻譜圖，具體的計算過程如下：

(1)時程加速度有效值計算：在城市軌道交通振動評價指標(biāo)計算中，首先需要得到振動加速度的有效值a，單位m/s²為，其計算公式如(1.1)所示。對于解析信號而言，采用(1.1)式的中間表達(dá)式，而對于離散采樣數(shù)據(jù)，則采用后一個表達(dá)式(1.2)；其中t為振動數(shù)據(jù)的計權(quán)時間，n為采樣數(shù)據(jù)的點數(shù)。

(2)計權(quán)加速度有效值計算：結(jié)合1/3倍頻程不同中心頻率處的加速度有效值，按gb/t13441.1-2007或者iso2631-1:1985中的計權(quán)因子wk、wd以及w、wh修正后得到計權(quán)加速度有效值awi，如式(1.3)所示。

(3)振級計算：如式(1.4)所示，單位為db。其中：a0為基準(zhǔn)加速度值，規(guī)范取值為10^-6m/s²；在gb/t50355-2005中的限值是分頻鉛垂向振動加速度級，由于采用的鉛垂向計權(quán)因子與gb10070-88中相同，所以可以推導(dǎo)出各1/3倍頻程中心頻率處的“z向分頻振動加速度級”與“z振級”間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(1.5)所示。式中l(wèi)a,i為1/3倍頻程中心頻率處的“振動加速度級”；為gb/t50355-2005條文說明1.0.5條給出的鉛垂向計權(quán)因子(即iso2631-1:1985之中的鉛垂向計權(quán)因子w)，而(la,i-wi)即為“分頻振級”。在計算水平向振級vlxy時，只需將鉛垂向計權(quán)因子換成水平向計權(quán)因子即可。同時由于交通振動的間歇性和長期性，以計權(quán)加速度均方根值為基礎(chǔ)的基本評價方法可能會低估振動對人體舒適性的影響，故在gb50868-2013中附加了豎向法，即豎向四次方振動劑量值，計算公式如式(1.6)所示。

上述計算公式如下：

式(1.1)，式中ai(j)為經(jīng)過快速fourier變換和fourier逆變換得到的各頻帶的振動加速度時程，ari為1/3倍頻程第i頻段的加速度有效值。

式(1.2)，式中aimax為1/3倍頻程第i頻段的幅值譜的最大幅值，f為相應(yīng)的頻率。

式(1.3)，awi＝ariwik，式中wik為1/3倍頻程第i頻段對應(yīng)的加速度計權(quán)因子，awi為振動計權(quán)加速度值。

式(1.4)，式中a0為基準(zhǔn)加速度值，一般取用a0＝10^-6m/s²，當(dāng)a為1/3倍頻程第i頻段的加速度有效值ari時，得到的val為分頻加速度振級la,i，當(dāng)a為振動計權(quán)加速度值awi時，得到的val為分頻計權(quán)加速度振級。

式(1.5)，式中l(wèi)a,i為分頻加速度振級，wi為1/3倍頻程第i頻段對應(yīng)的分貝計權(quán)因子，vlz為z振級。

式(1.6)，式中awi為振動計權(quán)加速度值，vdvz為豎向四次方振動劑量值。

運用編制的matlab程序進(jìn)行上述計算過程，可以直接得到本工程的與規(guī)范限值對比的振級，結(jié)果如圖5所示，經(jīng)計算本工程的可知分頻最大振級vlmax和鉛垂向振級vlz均超過了相關(guān)規(guī)范之中的限值，會對居民生活造成影響，需要進(jìn)行減振降噪工作，并且由圖3頻譜圖可以知道，40hz的振動是本次軌道交通振動的主要振動成分，在進(jìn)行工程減振時需要主要控制在40hz左右的振動。通過matlab編程，利用傅里葉變換，將時域之中的加速度轉(zhuǎn)變成頻域進(jìn)行對比計算，只需要輸入加速度既可以得到最終振級，同時還可以在頻域范圍內(nèi)對振動的成分進(jìn)行查看，具有簡單易行、對比明確的優(yōu)點。