復雜工況下地鐵交疊式車站振動特性分析

史海歐,廖春明,張 凌,馮青松,陳艷明

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司,廣州 510010； 2.華東交通大學鐵路環境振動與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013)

引言

隨著我國城市的快速發展，城市地鐵建設如火如荼，地鐵線路如同網絡盤踞在城市地下，線路的密集化使得2條或多條線路在同一地鐵站交匯，這種換乘站使得地鐵線路更加高效便捷，提高土地利用率，換乘站內及周圍可設商業區，利用其商業價值，提高社會經濟效益。然而，地鐵列車長期頻繁運行，產生的振動經由軌道、大地給鄰近建筑物的居民帶來干擾，振動通過軌道、站臺影響乘客及車站內工作人員的舒適度。因此，研究不同工況下列車經過引起的換乘站結構振動特性具有重要意義[1-8]。

國內外諸多學者針對地鐵車站展開了大量研究[9-13]。此外，周凌宇等[14]分析和評價了地鐵列車運行產生的振動與噪聲對地面站廳環境影響；安東輝等[15]建立三維有限元模型分析了車站擴建改造對原有結構的受力影響；高偉等[16]通過建立地下多層交疊式換乘站模型分析了交匯工況下車站內樓板振動分布規律；由廣明等[17]建立車站與隧道交疊模型，分析了不同動載工況下的地表振動規律；孫可等[18]基于現場實測及數據分析，研究了地鐵列車進站—停靠—出站階段對臨近地下空間樓層振動規律，提出減振建議；李正川等[19]通過建立綜合交通樞紐有限元模型，采用頻域加載分析方法，計算得到綜合交通樞紐站臺和站房的振動響應規律；宋冉等[20]基于某地下二層島式車站建立了雙跨無柱裝配式地鐵車站模型，研究橫斷面跨度較大及接頭連接剛度不確定造成結構受力和變形影響；邵帥等[21]根據車站結構設計、工程地層特性建立合理的幾何相似模型，通過振動臺模型試驗分析了強震作用下飽和土地鐵車站地下結構的液化破壞。綜上所述，當前研究著重于地鐵車站結構設計研究及列車簡單運行工況下的車站振動，對于地鐵車站的振動特性研究較少，尤其關于復雜工況下大型地鐵交疊式換乘站研究更少。

針對既有研究的不足，結合現場實測，采用ANSYS建立輪軌耦合模型及地鐵交疊式換乘站有限元模型，分析不同線路交疊與單線運行、地鐵線路進站制動、出站啟動及不同時間段載重等工況下地鐵交疊式換乘站振動特性影響。

1 模型建立

1.1 車站概述

換乘站位于廣州地區某兩條線路交匯處，呈十字交叉形，為地下雙層結構，地下一層包含地鐵A號線、站廳層及辦公區，站臺類型為側式站臺，A號線上下行線路之間為設備夾層，兩側式站臺之間通過地下二層通道換乘。地下二層為地鐵B號線，站臺類型為島式站臺，地鐵車站辦公區在地下一樓東北角。

本次測試采集儀采用SQuadrigaⅢ數據采集儀，ArtemiS數據采集分析軟件分析數據，采用941B加速度傳感器和DH610V加速度傳感器。在地下一層A號線上行線一側的站臺和站廳層布置測點，在地下二層B號線下行線的玻璃墻腳和站臺中央布置測點，測點位置見圖1，地下一層測點從站臺到站廳為S1～S4，地下二層測點從玻璃墻腳到站臺中央為S5～S8，平面測點圖上圓點為地下一層測點，矩形點為地下二層測點。A號線路上車型為L型列車，編組為4節；B號線路上車型為B型列車，編組為6節。實測采集了地鐵A號線上下行線進出站、B號線上下行線進出站、交疊兩線同時進出站下站臺的振動數據。

圖1 測點布置

1.2 輪軌耦合模型

采用UM多剛體動力學仿真軟件，建立地鐵B型車動力學仿真模型(圖2)，車廂包括1個車體、2個轉向架及4個輪對，地鐵B型車計算參數見表1。

圖2 車輛動力學仿真

表1 地鐵B型車參數

車軌耦合動力學仿真中的軌道不平順采用實測車站內地鐵不平順數據，實測軌道不平順見圖3，將實測的不平順數據導入多剛體動力學軟件UM中。

圖3 實測不平順譜

為驗證模型，以地鐵列車啟動出站進行討論，啟動加速分3個階段[22]，將三階段的速度-時間曲線導入UM中仿真列車啟動加速階段，得到輪軌力，見圖4。

圖4 輪軌力

1.3 車站有限元模型

地鐵換乘站是地下兩層交疊式結構，地下一層站臺類型為側式站臺，地下二層站臺類型為島式站臺。

車站主要組成結構為：土體、樓板、立柱、道床板及鋼軌。鋼軌采用CHN60標準鋼軌，扣件為WJ-8B型常阻力扣件，車站土層參數見表2，車站材料參數見表3。

表2 車站土層參數

表3 車站材料參數

地鐵交疊式換乘站模型中，梁、立柱、鋼軌采用梁單元BEAM188，樓板采用SHELL63，土層及道床板采用SOLID45模擬。地鐵交疊式換乘站局部模型見圖5。

圖5 車站模型

振型為結構的固有特性，與結構本身剛度和質量有關，對結構模型進行模態分析，得到前20階自振頻率，見表4。

表4 模態頻率 Hz

將圖4中計算的輪軌力施加在地鐵交疊式換乘站模型中。由于在測試過程中并未測量車輛輪軌力，為驗證模型的準確性，將計算得到的地下二層站臺中央加速度與對應站臺實測加速度進行對比驗證。在車輛-軌道分析模型中，積分步長選擇0.005 s，截取頻率為100 Hz。對比分析得到結論，有限元仿真結果能很好地模擬20～80 Hz峰值頻段。根據實測地鐵車站列車出站樓板測點垂直振動加速度與車站模型仿真列車出站工況下，計算出跟實測點相應的節點振動加速度，時域頻譜對比分析見圖6。圖6表明，采用的計算模型對于分析列車運行引起交疊式車站振動及其傳遞規律能很好地完成預測和定量分析任務。

圖6 仿真與實測時域頻譜對比

2 不同工況下計算結果分析

本節主要分析不同線路交疊及單獨運行、地鐵列車進站制動、出站啟動及載重等工況下，地鐵交疊式換乘站內振動特性影響。

2.1 不同線路交疊及單獨運行影響分析

為分析不同線路交疊及單獨運行對車站的影響，選取6組典型行車工況對樓板的振動特性進行分析，選取了中心平面的地面交匯節點，設備夾層節點，地下一層站臺層節點，地下二層站臺節點。各工況下節點峰值加速度見表5，限于篇幅，僅顯示地鐵B號線運行工況下，上述4個節點的時程曲線見圖7。

由圖7和表5可知，地下一層A號線雙線運行加速度峰值接近地下一層A號線單線運行加速度峰值的2倍，地下一層A號線單雙線運行引起的車站振動響應要遠大于地下二層B號線單雙線運行引起的車站振動響應，A、B號線交叉單雙線同時運行引起的振動響應近似于A號線單雙線運行引起的振動響應，說明地鐵車站振動主要由A號線運行引起的，地鐵A號線單雙線運行對地鐵振動響應影響最大。同時，無論哪種工況，可以發現地下一層上的振動加速度最大，地下一層樓板與軌道板通過節點耦合，車軌耦合實際轉化成車輛-樓板耦合作用，因此，振動響應大。A號線單雙線單獨運行時，地下一層節點振動加速度峰值最大，設備夾層節點次之，地面交匯點更小，地下二層站臺節點最小，可知，振動向上衰減速度慢于向下衰減速度，地下一層列車運行對地下二層站臺影響相對較小。B號線單雙線單獨運行時，地下一層節點振動加速度峰值最大，地下二層站臺節點次之，地面交匯點更小，設備夾層節點最小，振動傳遞到地面上有放大作用。

表5 不同行車工況下加速度峰值

圖7 各層測點時域曲線

2.2 列車進出站分析

為分析地鐵A號線、B號線列車進出站時對站臺及站廳的振動影響，分別測試了A號線和B號線列車進站制動和出站啟動工況下的振動數據，進行時頻分析，限于篇幅，僅顯示地鐵A號線進出站工況下地下一層站臺及站廳的垂直振動加速度時域頻譜圖，如圖8、圖9所示，A號線上行線和B號線下行線進出站工況各測點的Z振級見表6，可得到如下結論。

圖8 列車進站時垂向加速度時程與頻譜

圖9 列車出站時垂直加速度時程與頻譜

(1)列車在進站制動工況下，測點S1和S3的垂向加速度峰值分別為0.079，0.054 m/s2，列車進站工況下一開始引起的垂向振動加速度最大，隨著車速逐漸降低，其振動加速度幅值逐漸減小，在列車最后停止一段，振動加速度有短暫驟增再減小的過程。測點振動加速度幅值隨著與線路中心線垂直距離增大而有明顯降低。

(2)列車在出站啟動工況下，測點S1和S3的垂向加速度峰值分別為0.19，0.126 m/s2，且列車出站啟動引起的振動加速度明顯大于列車進站制動引起的振動加速度，列車出站啟動時引起的垂向振動加速度在前幾秒內，振動加速度有較小驟增然后減小的過程，再隨著列車速度增大而逐漸增加到最值。

(3)在頻譜上，列車進、出站工況下，測點S1和S3垂向振動響應主要分布在25～50 Hz和90～140 Hz頻段上；測點振動響應隨距線路中心線增大而減小，垂向振動響應幅值顯著大于水平向。

(4)根據JGJ/T170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》中辦公室垂向振動限值為86 dB和水平振動限值為83 dB，站臺與站廳上的振級大于規范限值，地鐵A號上行線出站工況下站臺與站廳上的振級平均值超過90 dB，大于進站工況下振級，超過規范振動限值，影響人體不適。站廳柱腳處水平振動高于其他測點，需引起關注。地鐵列車B號線進出站工況下各測點振級未超過限值。

表6 各測點Z振級平均值 dB

2.3 不同載重分析

為分析不同載重下地鐵列車運行對樓板振動特性的影響，計算空車、正常和早高峰3種情況下地下二層站臺振動加速度(圖10)，列車運行速度取60 km/h。

由圖10可知：隨著B號線列車單線通過車站載重越大，車站樓板的振動加速度也越大，且載重從正常到早高峰引起的振動加速度增值比速度從空載到正常引起的振動加速度增值大，載重變化引起的樓板振動加速度增幅小于速度變化引起的增幅。

圖10 不同載重時域曲線

3 結論

采用有限元分析軟件ANSYS建立大型交疊式地鐵換乘車站結構；通過多體動力學軟件UM建立了地鐵B型動車模型，導入ANSYS已建好的軌道模型，形成車輛-軌道-大地耦合模型。對車站進行模態分析并驗證了模型準確性，分析列車在不同線路列車交疊工況、行車進出站工況、不同載重工況引起的車站振動特性分析，得出結論如下。

(1)地下一層A號線單雙線運行引起的車站樓板振動響應大于地下二層B號線引起的振動響應。無論哪種工況，地下一層樓板上的振動加速度最大，這是由于車輛-樓板耦合作用引起的。

(2)地鐵列車出站工況下樓板振動加速度大于進站工況下。無論何種工況，其振動響應主要集中在20～50 Hz和80～150 Hz頻段上，A號線進出站引起地下一層樓板振級超過振動限值，B號線進出站引起地下二層站臺振級滿足振動限值。

(3)地鐵列車在不同時段的載重不同，列車載重越大，車站結構振動響應及增幅越大。