成都有軌電車蓉2號線的環境振動試驗研究

宋雨萌, 吳金澤, 劉晨浩, 向雄熙, 許浩南，孔德睿

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

[通信作者]孔德睿(1998—)，男，碩士，研究方向為橋梁減振降噪。

隨著社會經濟發展和城市化推進，我國目前正處于軌道交通建設高速發展期[1]。地鐵及地面交通均可引發臨近環境特別是高層建筑物的過量振動，對人們的生活及健康造成影響[2]，造成建筑物地基液化、不均勻下沉及建筑局部破壞[3]。

國內外學者已經對軌道交通的環境振動方面開展相關研究。Vogiatzis[4]通過振動實測數據分析開展振動影響評價；陳建琪等[5]從振源特性、振動傳播規律等方面總結了高速鐵路環境振動研究領域近年來的研究成果；賀玉龍等[6]研究發現明路堤段線路環境振動最大，路橋過渡段線路環境振動最小；崔高航等[7]發現軌道不平順是引起機車車輛產生振動和輪軌動作用力的主要原因。

為系統研究有軌電車引起的環境振動規律，本文對蓉2線沿線環境振動進行現場實測，對測試結果進行時域和頻域的分析，明確有軌電車引起的環境振動響應變化規律和振動水平。上述工作將有助于認識城市有軌電車的環境振動特性，為數值仿真分析提供參考對照依據。

1 試驗方案

為系統研究蓉2線列車荷載下的環境振動特性，試驗分別對列車經過時軌道直線段、彎道段、站臺段的環境振動進行測試，試驗場地如圖1所示。

圖1 試驗場地示意

現場測試采用壓電加速度傳感器(型號LC0108T)，動態采集儀(型號DH5922N)進行。對于每個試驗段，選擇試驗段中心位置(彎道段為圓曲線弧長中心位置，站臺段為站臺中心位置)為測試斷面。對于每個測試斷面，分別在距離外側軌道中心線2 m、11 m處設置測點，與地面方向垂直布置加速度傳感器，測點平面布置如圖2所示。試驗采樣頻率取2 560 Hz。為了保證測試數據的可靠性，測試時單次信號采集時間超過30 s，并保證每次信號采集期間無外來車輛通過。

圖2 測試場地平面布置

2 數據分析

試驗分別對蓉2線車輛分直道、彎道、站臺3個斷面進行了4次測試，共測得數據20組。剔除有干擾時測得的數據，最終選取7組數據作為本文研究對象進行振動加速度信號的時域、頻域、1/3倍頻程分析。

2.1 時域分析

對于不同測試斷面，截取合適的時間段進行時域信號分析。由于列車經過的時間很短(3～9 s)，且本文研究的環境振動值也為列車通過時統計意義上的數值。因此，采用測試斷面列車通過的平均速度作為列車速度進行分析。

2.1.1 直道路段

圖3、圖4給出了直線段列車平均速度為29 km/h、38 km/h條件下各測點的振動加速度時程曲線。由圖3(a)可見，列車經過時引起的響應加速度峰值約為0.2 m/s2。對比圖3(a)、圖3(b)，相比1#測點，2#測點的振動發生了顯著衰減，峰值約為0.04 m/s2，說明距離軌道中心線11 m時，有軌電車引起的環境振動可以忽略。對比圖3、圖4，列車引起的環境振動與列車運行速度有關，列車運行速度越大，引起的環境振動越大。

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖3 直道工況列車速度為29km/h的振動加速度時程曲線

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖4 直道工況列車速度為38km/h的振動加速度時程曲線

2.1.2 彎道路段

圖5、圖6給出了彎道段下列車速度為20 km/h、13 km/h時各測點的振動加速度時程曲線。結果顯示，對于1#測點，振動規律與直線段基本一致，即列車運行速度越大振級越大。對于2#測點，由于距離軌道中心線較遠，振動發生了較大的衰減，列車經過沒有對其造成太大的影響，因此不同車速下的車致振動差異不顯著。

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖5 彎道工況列車速度為20km/h的振動加速度時程曲線

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖6 彎道工況列車速度為13km/h的振動加速度時程曲線

2.1.3 站臺路段

圖7、圖8給出了列車以速度20 km/h進站、15 km/h出站時各測點的振動加速度時程曲線。由圖可知，列車進站時，由于速度較慢，引起的環境振動較小。對于時域信號，列車進出站引起的加速度幅值差異并不顯著。

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖7 列車以速度20km/h進站時的振動加速度時程曲線

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖8 列車以速度15km/h出站時的振動加速度時程曲線

2.2 頻域分析

由于時域分析僅反應振動響應瞬時的最大值，部分信號在時域上的特征不明顯。為分析不同測試工況下環境振動的頻率成分，對測試信號進行信號頻域分析。即，將現場實測的振動加速度時程進行快速傅里葉變換，得到振動加速度頻譜。

2.2.1 直道路段

圖9給出了直線段的振動加速度頻譜。可見，對于1#測點，電車引起的環境振動響應主要頻段在0～500 Hz，近場圖像為三駝峰狀，且峰值依次衰減；最大振動幅值為3.8×10-3m/s2，出現在約30 Hz處。對于2#測點，高頻振動衰減顯著，主要振動頻段小于100 Hz；最大振動幅值為1.9×10-3m/s2，同樣出現在約30 Hz處。總體上，與時域信號一致，列車速度越大，峰值加速度越大。

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖9 直道工況下的實測振動加速度頻譜

2.2.2 彎道路段

圖10給出了彎道段的實測振動加速度頻譜。對于1#測點，電車引起的環境振動響應主要頻段在0～500 Hz之間，最大振動幅值為6.0×10-3m/s2，出現在約160 Hz處。彎道段頻譜為雙駝峰狀，且最大振動幅值大于直線段。彎道段車輪與軌道發生碰撞、摩擦，造成頻譜第二個峰值(160 Hz)較大。對于2#測點，高頻振動發生了衰減，主要振動頻段小于100 Hz。彎道段亦存在列車速度越大，峰值加速度越大的規律。

2.2.3 站臺路段

圖11、圖12給出了列車以速度20 km/h進站、15 km/h出站時的實測振動加速度頻譜。對于測點1，進站和出站時電車引起的環境振動響應主要頻段均在0～375 Hz之間，但由于進出站列車減速，其引起的環境振動較小，最大振動幅值為9.0×10-4m/s2，出現在進站時230 Hz處。對于2#測點，其振動以低頻(小于100 Hz)為主，最大振動幅值僅3.8×10-4m/s2，出現在約30 Hz處。

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖10 彎道工況下的實測振動加速度頻譜

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖11 列車以速度20km/h進站時的實測振動加速度頻譜

2.3 1/3倍頻程分析

為評價有軌電車引起的環境振動，采用1/3倍頻程圖的方法計算振動加速度級。不同測點振動加速度1/3倍頻程譜如圖13、圖14、圖15所示，加速度參考值取1.0×10-5m/s2，圖中橫坐標為1/3倍頻程中心頻率，縱坐標為振動加速度級。

由圖可見，有軌電車產生的振級一般在20～60 dB之間。對于1#測點，不同斷面的振動峰值均出現在約100 ～ 200 Hz處，對于2#斷面，振動峰值均出現在25～50 Hz處。同時，通過每種測試工況在不同行車速度下以及不同測點處的振級最大值進行比較分析，發現振級的變化趨勢與時域分析的結果大致相同。

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖12 列車以速度15km/h出站時的實測振動加速度頻譜

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖13 直道段1/3倍頻程中心頻率

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖14 彎道段1/3倍頻程中心頻率

(a) 1#測點

(b) 2#測點圖15 站臺路段1/3倍頻程中心頻率

3 結論

本文以蓉二線有軌電車為研究對象，現場測試了有軌電車經過時地面振動加速度，對比分析了有軌電車經過直線段、彎道段、站臺段時引起的環境振動響應規律，得到結論：

(1)有軌電車引起的環境振動響應隨車速增大而增大；隨距軌道中心線的距離增大而減小。列車車速相同時，引起的環境振動表現出彎道段>直線段>站臺段的規律，且振動持續時間彎道段>站臺段>直線段。

(2)對于近場測點(距軌道中心線2 m)，有軌電車引起的環境振動響應主要頻段在0～500 Hz之間，對于遠場測點(距軌道中心線11 m)，環境振動響應主要頻段在100 Hz以下。