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(dòng)的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

隨著中國(guó)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(shí)性、運(yùn)送量大等優(yōu)點(diǎn)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(dòng)問題也越來越受到人們的重視。在國(guó)際上，環(huán)境振動(dòng)已經(jīng)被列為7大環(huán)境公害之一，并且已經(jīng)出臺(tái)了一系列規(guī)范對(duì)環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行限定。國(guó)際上現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范主要包括：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)iso2631-1:1997、iso2631-2:2003，日本的jisz8735-1981，德國(guó)的din4150-1、din4150-2和din4150-3以及英國(guó)的bs6472-1:2008等。我國(guó)結(jié)合上述規(guī)范以及實(shí)際國(guó)情也頒布了相關(guān)規(guī)范。

國(guó)家環(huán)境保護(hù)局最早于1989年批準(zhǔn)實(shí)施了gb10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱gb10070-88)以及gb10071-88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》(以下簡(jiǎn)稱gb10071-88)，該規(guī)范規(guī)定了城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)值及其適用地帶范圍和監(jiān)測(cè)方法[8,9]。此后，隨著行業(yè)的發(fā)展以及國(guó)家對(duì)于環(huán)境振動(dòng)的日漸重視，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)出細(xì)分化的趨勢(shì)。而針對(duì)于交通振動(dòng)對(duì)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(píng)價(jià)，由于規(guī)范繁多，計(jì)算流程復(fù)雜，給工程人員對(duì)于軌道交通的振動(dòng)計(jì)算造成了很大的困擾。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)的計(jì)算方法，用于對(duì)應(yīng)的城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，所述方法包括下列步驟：

1)測(cè)量軌道交通環(huán)境的實(shí)際振動(dòng)加速度時(shí)程a(j)，通過傅里葉變換，計(jì)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(jí)計(jì)算，得到城市軌道交通環(huán)境的分頻加速度振級(jí)、z振級(jí)、分頻計(jì)權(quán)加速度振級(jí)和豎向四次方振動(dòng)劑量值；

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

所述步驟1)具體為：

11)測(cè)量軌道交通環(huán)境的實(shí)際振動(dòng)加速度時(shí)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(cè)量的實(shí)際振動(dòng)加速度時(shí)程a(j)變換至頻域內(nèi)，計(jì)算頻域內(nèi)各頻率點(diǎn)處的幅值|ai(j)|；

13)根據(jù)步驟12)中得到的幅值|ai(j)|，計(jì)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(cè)量的實(shí)際振動(dòng)加速度時(shí)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(diǎn)處的幅值|ai(j)|進(jìn)行計(jì)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(duì)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(dòng)加速度時(shí)程ai(j)，根據(jù)ai(j)的值計(jì)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(duì)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(jì)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(jì)算得到振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度值awi；

22)根據(jù)步驟21)計(jì)算得到的振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度值awi，計(jì)算得到分頻加速度振級(jí)val或分頻計(jì)權(quán)加速度振級(jí)val'；

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

24)根據(jù)步驟21)計(jì)算得到的振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度值awi，計(jì)算得到豎向四次方振動(dòng)劑量值vdvz。

所述振動(dòng)計(jì)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(duì)應(yīng)的加速度計(jì)權(quán)因子。

所述分頻加速度振級(jí)val具體為：

所述分頻計(jì)權(quán)加速度振級(jí)val'具體為：

其中，a0為基準(zhǔn)加速度值。

所述z振級(jí)vlz具體為：

其中，wi為1/3倍頻程第i段對(duì)應(yīng)的分貝計(jì)權(quán)因子。

所述豎向四次方振動(dòng)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(guó)家各個(gè)規(guī)范下進(jìn)行城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)評(píng)判所需要的參數(shù)進(jìn)行系列化的統(tǒng)一計(jì)算，只需測(cè)量軌道交通環(huán)境的實(shí)際振動(dòng)加速度時(shí)程，即可得到與各個(gè)規(guī)范對(duì)應(yīng)的振級(jí)參數(shù)，計(jì)算程序規(guī)范化且計(jì)算方式簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有技術(shù)每次都要進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算相比，便于工程人員一次化對(duì)城市軌道交通環(huán)境的振動(dòng)進(jìn)行評(píng)判，簡(jiǎn)單方便，實(shí)用性能強(qiáng)。

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

(3)通過傅里葉變換，將時(shí)域上的計(jì)算轉(zhuǎn)變成頻域進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，因而可以在頻域范圍內(nèi)對(duì)振動(dòng)的成分進(jìn)行查看，對(duì)比明確，更加便于對(duì)振動(dòng)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(cè)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法流程圖；

圖2為實(shí)施例中六層居民樓的方位圖；

圖3為加速度時(shí)程圖；

圖4為頻譜圖；

圖5為計(jì)算結(jié)果與限值對(duì)比圖；

圖6為具體的計(jì)算過程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)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(shí)施例。

本發(fā)明提出的一種城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)的計(jì)算方法，用于統(tǒng)一對(duì)與國(guó)家各個(gè)規(guī)范相對(duì)應(yīng)的城市軌道交通環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，該方法包括下列步驟：

1)測(cè)量軌道交通環(huán)境的實(shí)際振動(dòng)加速度時(shí)程a(j)，通過傅里葉變換，計(jì)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(cè)量軌道交通環(huán)境的實(shí)際振動(dòng)加速度時(shí)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(cè)量的實(shí)際振動(dòng)加速度時(shí)程a(j)變換至頻域內(nèi)，計(jì)算頻域內(nèi)各頻率點(diǎn)處的幅值|ai(j)|；

13)根據(jù)步驟12)中得到的幅值|ai(j)|，計(jì)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(cè)量的實(shí)際振動(dòng)加速度時(shí)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(diǎn)處的幅值|ai(j)|進(jìn)行計(jì)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(duì)應(yīng)頻段的幅值譜的最大幅值，f為相應(yīng)的頻率；

133)對(duì)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(dòng)加速度時(shí)程ai(j)，根據(jù)ai(j)的值計(jì)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(jí)計(jì)算，得到與國(guó)家各個(gè)規(guī)范相對(duì)應(yīng)的城市軌道交通環(huán)境的分頻加速度振級(jí)、z振級(jí)、分頻計(jì)權(quán)加速度振級(jí)和豎向四次方振動(dòng)劑量值：

21)根據(jù)步驟1)得到的加速度有效值ari，計(jì)算得到振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度值awi：

awi＝ari·wik；

其中，wik為1/3倍頻程第i段對(duì)應(yīng)的加速度計(jì)權(quán)因子；

22)根據(jù)步驟21)計(jì)算得到的振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度值awi，計(jì)算得到分頻加速度振級(jí)val或分頻計(jì)權(quán)加速度振級(jí)val'：

分頻計(jì)權(quán)加速度振級(jí)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(jí)val，計(jì)算得到z振級(jí)vlz：

其中，wi為1/3倍頻程第i段對(duì)應(yīng)的分貝計(jì)權(quán)因子；

24)根據(jù)步驟21)計(jì)算得到的振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度值awi，計(jì)算得到豎向四次方振動(dòng)劑量值vdvz：

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

根據(jù)上述步驟進(jìn)行具體的計(jì)算，如圖6所示，過程如下：

參照?qǐng)D2所示實(shí)際工程，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到如圖3所示的工程加速度時(shí)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(jì)算過程如下：

(1)時(shí)程加速度有效值計(jì)算：在城市軌道交通振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算中，首先需要得到振動(dòng)加速度的有效值a，單位m/s²為，其計(jì)算公式如(1.1)所示。對(duì)于解析信號(hào)而言，采用(1.1)式的中間表達(dá)式，而對(duì)于離散采樣數(shù)據(jù)，則采用后一個(gè)表達(dá)式(1.2)；其中t為振動(dòng)數(shù)據(jù)的計(jì)權(quán)時(shí)間，n為采樣數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)。

(2)計(jì)權(quán)加速度有效值計(jì)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(jì)權(quán)因子wk、wd以及w、wh修正后得到計(jì)權(quán)加速度有效值awi，如式(1.3)所示。

(3)振級(jí)計(jì)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(dòng)加速度級(jí)，由于采用的鉛垂向計(jì)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(dòng)加速度級(jí)”與“z振級(jí)”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(dòng)加速度級(jí)”；為gb/t50355-2005條文說明1.0.5條給出的鉛垂向計(jì)權(quán)因子(即iso2631-1:1985之中的鉛垂向計(jì)權(quán)因子w)，而(la,i-wi)即為“分頻振級(jí)”。在計(jì)算水平向振級(jí)vlxy時(shí)，只需將鉛垂向計(jì)權(quán)因子換成水平向計(jì)權(quán)因子即可。同時(shí)由于交通振動(dòng)的間歇性和長(zhǎng)期性，以計(jì)權(quán)加速度均方根值為基礎(chǔ)的基本評(píng)價(jià)方法可能會(huì)低估振動(dòng)對(duì)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(dòng)劑量值，計(jì)算公式如式(1.6)所示。

上述計(jì)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(dòng)加速度時(shí)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(duì)應(yīng)的加速度計(jì)權(quán)因子，awi為振動(dòng)計(jì)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(shí)，得到的val為分頻加速度振級(jí)la,i，當(dāng)a為振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度值awi時(shí)，得到的val為分頻計(jì)權(quán)加速度振級(jí)。

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

式(1.6)，式中awi為振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度值，vdvz為豎向四次方振動(dòng)劑量值。

運(yùn)用編制的matlab程序進(jìn)行上述計(jì)算過程，可以直接得到本工程的與規(guī)范限值對(duì)比的振級(jí)，結(jié)果如圖5所示，經(jīng)計(jì)算本工程的可知分頻最大振級(jí)vlmax和鉛垂向振級(jí)vlz均超過了相關(guān)規(guī)范之中的限值，會(huì)對(duì)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(dòng)是本次軌道交通振動(dòng)的主要振動(dòng)成分，在進(jìn)行工程減振時(shí)需要主要控制在40hz左右的振動(dòng)。通過matlab編程，利用傅里葉變換，將時(shí)域之中的加速度轉(zhuǎn)變成頻域進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，只需要輸入加速度既可以得到最終振級(jí)，同時(shí)還可以在頻域范圍內(nèi)對(duì)振動(dòng)的成分進(jìn)行查看，具有簡(jiǎn)單易行、對(duì)比明確的優(yōu)點(diǎn)。