雙層車輛段運用庫環(huán)境振動特性實測分析

賀利工，劉文武，羅信偉，陳艷明，鐘貞浪，徐浩能

（1.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測與保障國家重點實驗室，江西 南昌 330013）

1 研究背景及概況

車輛段作為地鐵運營的保障基地，承擔了車輛檢修、車輛運用和全線設(shè)備設(shè)施綜合維修和保養(yǎng)任務(wù)[1]，其占地面積廣大且擁有同等面積的上蓋平臺，為了使車輛段上蓋廣闊平臺得到合理利用，國內(nèi)在北京、廣州、深圳等大城市均著手車輛段上蓋物業(yè)的開發(fā)與設(shè)計。

國內(nèi)外學(xué)者對地鐵運行引起的環(huán)境振動問題進行了一系列的研究[2-6]。Anderson[7]通過現(xiàn)場實測，發(fā)現(xiàn)列車運行引起的振動會與周邊建筑物產(chǎn)生共振且共振頻率范圍在0～10 Hz 之間。Zou 等[8-9]分別實測了廣州和深圳某車輛段，并分析了振動從車輛段周圍地面?zhèn)髦粮浇ㄖ膫鞑ヒ?guī)律，結(jié)果表明，50 Hz 以上的振動響應(yīng)衰減率大于50 Hz 以下的振動響應(yīng)衰減率。謝偉平[10-11]，馮青松[12]等對列車運行引起車輛段振動響應(yīng)進行了大量的現(xiàn)場實測并建立車輛段上蓋物業(yè)精細化有限元模型，以此模擬出列車運行時上蓋物業(yè)的振動響應(yīng)。劉文武[13]等實測分析了列車出入庫蓋板的振動規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)行標準進行了評價。

目前的研究大多針對單層車輛段內(nèi)列車運行時附近建筑物或其上蓋建筑物的振動分析，雙層地鐵車輛段作為一種新式結(jié)構(gòu)，其振動傳遞路徑的復(fù)雜性明顯不同于單層車輛段，且目前對于列車運行引起的雙層車輛段及其上部結(jié)構(gòu)振動的研究較少。本文通過對某典型雙層車輛基地的運用庫源強及蓋板進行現(xiàn)場實測，選取信噪比良好的數(shù)據(jù)進一步分析運用庫的源強振動特性和振動傳播規(guī)律，研究結(jié)果可供雙層車輛段的減振設(shè)計參考。

2 現(xiàn)場測試

測試地點為某地鐵典型雙層車輛基地的運用庫，測試內(nèi)容包括采集運用庫（一層L17 股道，軌道形式為普通軌道，二層L3 股道，軌道形式為減振軌道）和運用庫上方蓋板在列車通過時垂向振動加速度數(shù)據(jù)。測試列車為6 節(jié)編組B 型車，測試列車運行時速為10 km/h，且每種工況均為一列車單獨行駛，無其他干擾因素，結(jié)合現(xiàn)場條件，運用庫一層測點布置在L17 股道的道床和最鄰近軌道的框架柱子上，運用庫二層測點分別布置在L3 道床和最鄰近L3 股道的框架柱子上。運用庫上方蓋板為振動敏感區(qū)域，分別在運用庫軌道上方蓋板布置了4 個振動測點D1～D4。運用庫剖面及蓋板測點布置示意圖如圖1 所示。

圖1 測點示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring points

本次測試所采用的數(shù)據(jù)采集儀包括NI CRIO-9031 和SQuadriga Ⅲ測試系統(tǒng)。其中NI CRIO-9031用于車輛段運用庫內(nèi)振動源強測試，并采用觸發(fā)采樣裝置進行監(jiān)測；SQuadriga Ⅲ用于車輛段上方蓋板振動測試。道床和柱子振動數(shù)據(jù)采集選用393B04 加速度傳感器；上方蓋板振動數(shù)據(jù)選用941B 振動傳感器采集。

3 運用庫振動源強特性分析

本次測試共收集到上下兩層有效行車數(shù)據(jù)各10 組，圖2 和圖3 分別給出了運用庫一、二層源強測點的典型垂向振動加速度時程曲線和頻譜圖。由圖2 可知，一層道床和柱子的垂向加速度時程峰值分別約為1.75 m/s2和0.26 m/s2；一層道床垂向振動優(yōu)勢頻段范圍為60～120 Hz，振動峰值頻率出現(xiàn)在87.8 Hz 處，柱子的振動優(yōu)勢頻段范圍為60～100 Hz，振動峰值頻率為76.3 Hz。

圖2 一層股道源強測點振動響應(yīng)Fig.2 Vibration response of the first-floor strand source strength measuring point

圖3 二層股道源強測點振動響應(yīng)Fig.3 Vibration response of the second-floor strand source strength measuring point

由圖3 可知，二層道床和柱子的加速度峰值均大于一層，分別約為1.65 m/s2和0.27 m/s2，二層道床垂向振動優(yōu)勢頻段范圍在30～100 Hz 內(nèi)，振動峰值頻率出現(xiàn)在49.6 Hz 處，柱子的振動優(yōu)勢頻段范圍在30～60 Hz 內(nèi)，振動峰值頻率出現(xiàn)在50.8 Hz 處。

綜上，一層道床和柱子振動峰值頻率均大于二層道床和柱子。從鋼軌處分析其原因，圖4 為上下兩層鋼軌測點頻譜圖，從中可知，一層鋼軌在100 Hz處有明顯的峰值振動，二層鋼軌振動峰值也在50 Hz處，推測在該頻段處鋼軌結(jié)構(gòu)模態(tài)被激發(fā)。此外二層鋼軌在160 Hz 處還存在峰值，但傳至其他結(jié)構(gòu)處未見峰值，可能是二層為大跨度混凝土結(jié)構(gòu)，剛度較小，振動高頻能量衰減更快，且二層為減振軌道，鋼軌上的振動能量在流經(jīng)減振扣件時高頻能量也有所衰減。

圖4 鋼軌測點1/3 倍頻譜Fig.4 1/3 octave spectrum of rail measuring points

源強測點振動響應(yīng)有效數(shù)據(jù)平均值如表1 所示。由表1 可知，一、二層柱子的特征頻帶寬度均小于道床，頻帶寬度的減小主要因為振動傳遞過程中高頻成分衰減過快。一層道床垂向加速度峰值和振動加速度級均大于二層，而一層柱子垂向加速度峰值和振動加速度級均小于二層。這主要是因為運用庫一層軌道位于地下基礎(chǔ)之上，而二層軌道直接位于混凝土板上，一層道床的支承剛度大于二層，且一層道床振動的高頻部分會被基礎(chǔ)土層吸收一部分，從而導(dǎo)致從道床傳至柱子的過程中，一層振動衰減量大于二層。

表1 源強測點振動響應(yīng)Tab.1 Vibration response of source intensity measuring point

圖5 為運用庫振源測點三分之一倍頻程圖，由圖5 可知：一、二層道床和柱子振動加速度級隨1/3倍頻變化的趨勢基本一致, 一層道床和柱子的加速度級在5～80 Hz 頻段內(nèi)逐漸增加，峰值頻率在80 Hz附近，在80～200 Hz 頻段內(nèi)逐漸下降；二層道床和柱子的加速度級在50 Hz 處達到峰值。除了12.5～63 Hz 頻段外，一層道床和柱子振動加速度級分別大于二層道床和柱子，結(jié)果和頻域圖中反映的規(guī)律相近。

圖5 源強測點1/3 倍頻程圖Fig.5 1/3 octave spectrum of source intensity measuring point

為了更直觀地展現(xiàn)振動從道床至柱子的傳遞損失，采用分頻段傳遞損失比來分析其衰減情況，分頻段傳遞損失比可定義為

式中：ηi為軌枕-柱子第i 個1/3 倍頻段的傳遞損失比；Ti為軌枕第i 個1/3 倍頻段振動加速度級；Bi為柱子第i 個1/3 倍頻段振動加速度級。

圖6 所示為一、二層道床-柱子分頻段傳遞損失比。由圖6 可知，一層道床-柱子振動傳遞損失比最大為0.60，而二層振動傳遞損失比最大為0.34；一層道床-柱子振動傳遞損失比隨1/3 倍頻程中心頻率變化總體呈減小趨勢，振動傳遞損失比在1～6 Hz低頻內(nèi)均大于二層，在6.3～200 Hz 頻段內(nèi)，一、二層道床-柱子分頻段傳遞損失比量值相當，綜上可解釋雖然一層道床的Z 振級大于二層，但由于道床振動傳遞到柱子的過程中土體吸收了振動中較多的低頻能量，使得一層的低頻振動衰減更大，從而使得一層柱子的Z 振級小于二層柱子。

圖6 道床-柱子分頻段傳遞損失比Fig.6 Transfer loss ratio of ballast-column frequency division

4 振動傳播規(guī)律

4.1 蓋板振動分析

為分析運用庫一、二層行車誘發(fā)蓋板的振動規(guī)律，分別測試記錄列車通過一層L17 股道和二層L1、L3 股道時蓋板測點的振動響應(yīng)，表2 為運用庫列車誘發(fā)蓋板測點Z 振級統(tǒng)計表。

表2 運用庫列車誘發(fā)蓋板最大Z 振級統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of maximum Z vibration level of cover plate caused by the train operation

由表2 可知，列車在運用庫二層行車比一層行車引起上方蓋板的振動響應(yīng)大，兩者相差約8～14 dB；列車在運用庫二層或一層行車引起蓋板板中的振動響應(yīng)都大于蓋板端部（D2/D3 大于D1/D4），其原因可能是蓋板端部受梁的約束較大，車輛段蓋板的振動評價應(yīng)選取板中的振動響應(yīng)。

圖7 和圖8 為運用庫一、二層行車誘發(fā)蓋板各測點垂向1/3 倍頻譜。可知：各測點各分頻振級變化趨勢相似，蓋板振動的卓越頻率主要集中在25～80 Hz。在4 Hz 低頻范圍內(nèi)，蓋板各測點振動加速度級變化趨勢基本一致，靠近板中的測點振動響應(yīng)大于蓋板端部測點。

圖7 一層行車蓋板各測點1/3 倍頻譜Fig.7 1/3 octave spectrum of each measuring point of the cover plate when driving on the the first floor

圖8 二層行車蓋板各測點1/3 倍頻譜Fig.8 1/3 octave spectrum of each measuring point of the cover plate when driving on the the second floor

4.2 振動傳遞分析

為進一步分析運用庫振動的傳播衰減規(guī)律，分別計算同一豎直斷面一、二層道床、柱子和蓋板的Z振級平均值，統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 運用庫列車各測點Z 振級統(tǒng)計表Tab.3 statistical table of Z vibration level of each measuring point of trains in operation zone

由表3 可知：當列車在一、二層行車時，振動由道床-柱子-蓋板的傳遞方向逐漸衰減。一層行車時，振動從道床傳至柱子時Z 振級減小了19.67 dB，從柱子傳至蓋板時，Z 振級減小了5.3 dB；二層行車時，振動波由道床傳至柱子時Z 振級減小了19.54 dB，由柱子傳至蓋板時Z 振級減小了1.35 dB。綜上，運用庫二層行車誘發(fā)的蓋板振動大于一層行車。

圖9 和圖10 分為車輛段一、二層各測點及蓋板的1/3 倍頻譜。可知，當列車在一層行車時，振動由道床傳遞至柱子時各分頻振級均出現(xiàn)衰減，由柱子傳至蓋板時在1～10 Hz 和50～200 Hz 均出現(xiàn)較大的衰減。當列車在二層行車時，振動由道床傳至柱子時各分頻振級均出現(xiàn)衰減，由柱子傳至蓋板時在1～6.3 Hz 和50～200 Hz 頻段內(nèi)振動衰減量較一層行車時的衰減量少，從振動傳遞路徑可以看出：一層行車產(chǎn)生的振動波除了經(jīng)過土體衰減外還要經(jīng)過豎向兩根車輛段柱子，傳遞路徑和復(fù)雜程度遠大于二層行車。另外，不論是一層行車還是二層行車，在10～30 Hz 以內(nèi)，蓋板的振動加速度級均大于柱子，這主要是蓋板材料在其固有頻率處出現(xiàn)了共振現(xiàn)象而引起的增大。

圖9 一層行車各測點1/3 倍頻譜Fig.9 1/3 octave spectrum of each measuring point when driving on the the first floor

圖10 二層行車各測點1/3 倍頻譜Fig.10 1/3 octave spectrum of each measuring point when driving on the the second floor

5 結(jié)論

1）列車分別通過一層和二層時各道床和柱子的振動響應(yīng)相差不大，但一層道床-柱子的振動衰減相對二層較大；一層道床和柱子加速度級峰值頻率在80 Hz 附近，二層道床和柱子的峰值頻率在50 Hz 附近。

2）運用庫行車誘發(fā)蓋板振動的卓越頻率主要集中在25～80 Hz。在低頻范圍內(nèi)，蓋板各測點振動加速度級變化趨勢基本一致，靠近板中的測點振動響應(yīng)大于蓋板端部測點，車輛段運用庫蓋板的振動評價應(yīng)選取板中的振動響應(yīng)。

3）列車在運用庫二層行車比一層行車引起上方蓋板的振動響應(yīng)大，若進行上蓋開發(fā)應(yīng)當優(yōu)先考慮對運用庫二層進行減振設(shè)計。

4）無論是一層行車還是二層行車，振動由道床傳至柱子時全頻段均在衰減，且振動能量中的低頻部分容易引起蓋板的共振。