地鐵振動(dòng)傳播的峰值和頻率特征分析*

周 力 何繼平 明暄暉 陳屹林

(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海; 2.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司,215101,蘇州; 3.福斯羅扣件系統(tǒng)(中國(guó))有限公司,215300,昆山∥第一作者,碩士研究生)

地鐵振動(dòng)傳播的峰值和頻率特征分析*

周 力1何繼平2明暄暉3陳屹林2

(1.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海; 2.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司,215101,蘇州; 3.福斯羅扣件系統(tǒng)(中國(guó))有限公司,215300,昆山∥第一作者,碩士研究生)

采用2種不同剛度的扣件,對(duì)地鐵振動(dòng)傳播途徑各主要部位進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試,獲得了各部位相應(yīng)的振動(dòng)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)。首先，統(tǒng)計(jì)了時(shí)域振動(dòng)加速度峰值及其變化情況；然后，通過(guò)傅里葉變換計(jì)算了各部位振動(dòng)的頻譜,對(duì)比分析了振動(dòng)在傳播過(guò)程的頻譜變化規(guī)律；最后，計(jì)算分析了地表Z振級(jí)變化。結(jié)果表明，扣件剛度在一定范圍內(nèi)變化,對(duì)60 Hz附近的振動(dòng)峰值影響有限,隧道壁和地表的豎向及橫向振動(dòng)振級(jí)分別在650 Hz和340 Hz附近迅速下降，之后趨于平緩。使用剛度較小的扣件有利于減小地表豎向振動(dòng)，但不利于減小地面橫向振動(dòng)。

地鐵振動(dòng); 峰值; 頻率特性; 加速度頻譜

地鐵在給人們出行帶來(lái)方便的同時(shí),其車輛運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲也給沿線環(huán)境造成了極大的影響,成為了軌道交通的主要污染源[1-3]。和其他公路交通產(chǎn)生的噪聲不同,地鐵噪聲的特點(diǎn)是規(guī)律性強(qiáng),頻率范圍窄。不僅采用常規(guī)的振動(dòng)控制方法往往不能取得預(yù)期的效果,而且不同頻率的振動(dòng)對(duì)人或結(jié)構(gòu)設(shè)備產(chǎn)生的影響是不同的；因此，分析研究振動(dòng)及其噪聲頻率特征對(duì)評(píng)估分析振動(dòng)與噪聲對(duì)不同環(huán)境影響，以及選擇合理的控制措施有較大意義。研究表明,由輪軌相互作用產(chǎn)生的振動(dòng)在沿著軌道結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)及土介質(zhì)的傳播中,不僅振動(dòng)幅值和頻率的貢獻(xiàn)率會(huì)變化,而且不同的結(jié)構(gòu)形式也會(huì)對(duì)變化產(chǎn)生一定影響。長(zhǎng)期以來(lái),在地鐵的振動(dòng)與噪聲控制研究中,往往較重視振動(dòng)的強(qiáng)度變化,而忽略頻率貢獻(xiàn)率的變化。但是研究和掌握頻率貢獻(xiàn)率變化規(guī)律特性,對(duì)正確評(píng)估地鐵振動(dòng)噪聲對(duì)環(huán)境的影響,采用合理的技術(shù)控制手段是十分重要的。地鐵振動(dòng)波在傳播中,先后經(jīng)過(guò)軌道、隧道及土介質(zhì)等復(fù)雜結(jié)構(gòu),目前還無(wú)法僅依靠理論分析方法就能精確預(yù)測(cè)其頻率在傳播中的變化。本文通過(guò)采用在實(shí)際線路中試驗(yàn)的方法來(lái)研究地鐵輪軌振動(dòng)在傳播中的變化規(guī)律特征。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

試驗(yàn)選取某軌道交通線路的典型運(yùn)營(yíng)路段,在同一測(cè)試斷面,分別對(duì)2種不同參數(shù)的鋼軌扣件所產(chǎn)生的振動(dòng)傳播情況進(jìn)行測(cè)試。一種扣件的靜剛度約為32 kN/mm,另一種扣件的靜剛度約為19 kN/mm。測(cè)試方法參照GB/T 19846—2005《機(jī)械振動(dòng)列車通過(guò)時(shí)引起鐵路隧道內(nèi)部振動(dòng)的測(cè)量》進(jìn)行制定。對(duì)列車通過(guò)時(shí)地鐵軌道、隧道及附近地表的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試后,對(duì)比2種扣件對(duì)振動(dòng)情況的影響,并分析振動(dòng)傳播規(guī)律。

1.1 測(cè)試方案

試驗(yàn)段選在線路的某直線路段,無(wú)坡度,列車為B型車。試驗(yàn)段共設(shè)置7個(gè)測(cè)點(diǎn),分別測(cè)試鋼軌、道床、隧道壁和地表的豎向和橫向振動(dòng)加速度。其中，地表7#測(cè)點(diǎn)位于隧道中心線與測(cè)試斷面交點(diǎn)正上方附近。

1.2 測(cè)試結(jié)果

將測(cè)試得到的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選統(tǒng)計(jì),得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)程峰值平均值(見(jiàn)圖1)。

由圖1可見(jiàn),豎向和橫向傳播的振動(dòng)加速度峰值,沿鋼軌、道床、隧道壁和地表依次減小,且橫向振動(dòng)加速度峰值衰減速度較豎向慢。

更換扣件后,鋼軌豎向振動(dòng)加速度時(shí)域峰值減小了32.6%,道床減小了48.9%,隧道壁減小了28.6%,地表減小了12.5%。由此可見(jiàn),減小扣件豎向剛度時(shí),道床的豎向振動(dòng)加速度峰值顯著減小,同時(shí)隧道壁和地表豎向振動(dòng)加速度峰值也皆有減小。鋼軌橫向振動(dòng)加速度時(shí)域峰值減小了4.5%,道床增加了15.6%,隧道壁增加了11.1%,地表增加了12.5%?？梢?jiàn)，增大扣件豎向剛度后,道床、隧道壁和地表橫向振動(dòng)加速度峰值均有所增大。

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 頻譜特性分析

要深入研究振動(dòng)傳播過(guò)程的規(guī)律特性,必須分析其頻率構(gòu)成及其變化規(guī)律,并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),得到如圖2和圖3所示的軌道線路各主要結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)頻譜曲線。更換扣件前后,各測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)主要頻段如表1所示。

可見(jiàn),振動(dòng)在傳播過(guò)程中,其主要頻段逐漸縮窄,且振動(dòng)向中低頻振動(dòng)變化。且這一點(diǎn)與振動(dòng)的高頻易衰減特性相符。

圖2 換扣件前豎向振動(dòng)頻譜

當(dāng)更換剛度較小的扣件后,鋼軌在670 Hz以上頻段的振動(dòng)顯著減小,主要振動(dòng)頻率范圍向中低頻段縮窄。頻率1 047 Hz和1 314 Hz附近的2個(gè)峰值顯著減小。道床在中高頻段內(nèi)的振動(dòng)減小,但在610 Hz和1 590 Hz頻段附近存在2個(gè)顯著的峰值。隧道壁在500 Hz以上頻段的振動(dòng)顯著減小,但610 Hz附近存在峰值。地表豎向振動(dòng)的頻率主要集中于0～150 Hz，較更換扣件前的0～250 Hz頻段范圍更窄。

從振動(dòng)傳播的頻率特征分析,豎向振動(dòng)在由鋼軌傳播到隧道壁的過(guò)程中,頻率分布由高頻到低頻集中,反映了高頻振動(dòng)成分在傳播中不斷地衰減的特性。但是在振動(dòng)由鋼軌向軌枕的傳播中,發(fā)現(xiàn)不同扣件的傳播衰減規(guī)律也有不同。使用剛度較大的扣件時(shí),豎向振動(dòng)由鋼軌傳播到道床的過(guò)程中,其主要振動(dòng)頻率范圍在一定程度上分散。而更換剛度較小的扣件后,振動(dòng)從鋼軌傳播到道床，再到隧道壁的過(guò)程中,振動(dòng)頻率的變化范圍相對(duì)較小。扣件剛度在一定范圍內(nèi)的改變對(duì)地表豎向振動(dòng)頻率影響不大,均在60 Hz附近存在峰值。

圖3 換扣件后豎向振動(dòng)頻譜

測(cè)點(diǎn)位置豎向振動(dòng)主要頻段/Hz更換扣件前剛度較大的扣件更換扣件后剛度較小的扣件鋼軌0～25000～2500道床0～25000～2500隧道壁0～7400～740地表0～2500～150

同樣，將橫向振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),得到如圖4和圖5所示的軌道線路各主要結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)頻譜曲線。將更換扣件前后,各測(cè)點(diǎn)橫向振動(dòng)主要頻段列舉如表2所示。

圖4 換扣件前橫向振動(dòng)頻譜

由于振動(dòng)具有高頻易衰減特性,故橫向振動(dòng)在傳播過(guò)程中,其主要頻段逐漸縮窄,且振動(dòng)向中低頻振動(dòng)變化。

更換剛度較小的扣件后，鋼軌振動(dòng)在1 000 Hz以上頻段顯著減小,尤其在頻率1 300 Hz附近的振動(dòng)峰值顯著減小,其主要振動(dòng)頻率范圍向中低頻縮窄。道床橫向振動(dòng)在中高頻段內(nèi)被放大,還產(chǎn)生了1 500 Hz附近的顯著峰值。隧道壁振動(dòng)在390 Hz附近有了1個(gè)新的峰值。地表振動(dòng)主要頻段縮窄,在60 Hz附近的峰值較使用剛度較大的扣件時(shí)有所增大。

圖5 換扣件后橫向振動(dòng)頻譜

表2 各測(cè)點(diǎn)橫向振動(dòng)主要頻段

從振動(dòng)傳播的頻率特征分析,橫向振動(dòng)在由鋼軌傳播到隧道壁的過(guò)程中的頻率分布同樣也是由高頻到低頻集中。這也反映了高頻振動(dòng)成分在傳播中不斷地衰減的特性。更換剛度較小的扣件后,在振動(dòng)從鋼軌傳播到道床、再到隧道壁的過(guò)程中,主要振動(dòng)頻率先向高頻域轉(zhuǎn)移，再回到低頻域,主要振動(dòng)頻率范圍在一定程度上較更換前剛度較大的扣件分散。可見(jiàn)采用不同扣件對(duì)橫向振動(dòng)有不同的影響。與豎向振動(dòng)相似,更換扣件前后,地表橫向振動(dòng)均存在60 Hz附近的峰值。

從測(cè)試結(jié)果分析可以看出,扣件剛度改變對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的傳播頻率特征有一定影響。使用前剛度較大的扣件時(shí),隧道內(nèi)豎向振動(dòng)傳播的主要振動(dòng)頻率范圍在一定程度上分散,而更換剛度較小的扣件后,隧道內(nèi)橫向振動(dòng)傳播的主要振動(dòng)頻率范圍在一定程度上分散。扣件剛度即使在一定范圍內(nèi)發(fā)生改變,其地表豎向和橫向振動(dòng)也均存在60 Hz附近的峰值。

2.2 振級(jí)衰減分析

GB 10071—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》采用振動(dòng)加速度級(jí)(以下簡(jiǎn)稱“振級(jí)”)La來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境振動(dòng)[4]。

La=20 lg(a/a0)

式中：

a——振動(dòng)加速度有效值;

a0——基準(zhǔn)加速度,a0=10-6m/s2。

由于振級(jí)是從能量的角度,對(duì)列車通過(guò)時(shí)間段內(nèi)的總能量進(jìn)行計(jì)算分析,故能系統(tǒng)地反映振動(dòng)傳播過(guò)程中能量的變化規(guī)律特性。

2.2.1 豎向振級(jí)衰減分析

采用剛度較大的扣件時(shí),豎向振級(jí)-頻率曲線見(jiàn)圖6。鋼軌各頻率振級(jí)在全頻域內(nèi)分布較為均勻,主要分布在中低頻段。道床振動(dòng)主要分布在中高頻頻段。在低于約650 Hz的頻段內(nèi),其振級(jí)隧道壁振動(dòng)與道床振動(dòng)的振級(jí)幾乎重合,且在此頻段內(nèi)的振動(dòng)幾乎沒(méi)有衰減。而在高于約650 Hz的頻段、隧道壁振動(dòng)與道床振動(dòng)分離,且振幅迅速下降,以致趨于平緩。地表振動(dòng)集中在低頻(40～100 Hz),而在高于約340 Hz的頻段,振級(jí)變化趨于平緩。

更換剛度較小的扣件后,鋼軌振級(jí)主要分布于低頻段(見(jiàn)圖7);道床振級(jí)在全頻域內(nèi)的分布較為平均;在低于約650 Hz的頻段內(nèi),隧道壁振動(dòng)與道床振動(dòng)振級(jí)幾乎重合,而在高于約650 Hz的頻段,隧道壁振動(dòng)振級(jí)迅速降低,之后趨于平緩,與剛度較大的扣件的情況相似;地表振動(dòng)同樣集中在區(qū)域40～100 Hz低頻，在高于340 Hz的頻段其振級(jí)趨于平緩。

圖6 換扣件前豎向振級(jí)-頻率曲線

圖7 換扣件后豎向振級(jí)-頻率曲線

值得注意的是,改變扣件剛度后,豎向振動(dòng)從鋼軌處產(chǎn)生直至傳播到地表,其在60 Hz附近的峰值始終存在。這與之前頻譜分析的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。可見(jiàn)鋼軌扣件剛度在一定范圍內(nèi)的變化,對(duì)60 Hz附近的振動(dòng)峰值頻率變化影響有限。

2.2.2 橫向振級(jí)衰減分析

對(duì)于剛度較大的扣件,橫向振級(jí)-頻率曲線見(jiàn)圖8。鋼軌振級(jí)在全頻域內(nèi)分布較為均勻,主要分布在中低頻域;道床振動(dòng)主要分布在中高頻域;在高于約650 Hz的頻段,隧道壁振動(dòng)振級(jí)迅速下降，之后趨于平緩;地表振動(dòng)集中在低頻40～100 Hz頻段，在高于340 Hz的頻段,其振級(jí)變化趨于平緩。

更換剛度較小的扣件后,鋼軌振級(jí)分布以中低頻域?yàn)橹?見(jiàn)圖9);道床振級(jí)在全頻域內(nèi)分布較為平均;在低于650 Hz的頻段內(nèi),隧道壁振動(dòng)振級(jí)與道床振動(dòng)振級(jí)幾乎重合,而在高于650 Hz的頻段,其振級(jí)迅速下降,并趨于平緩。這一點(diǎn)同使用剛度較大扣件時(shí)的情況相同。地表振動(dòng)同樣集中在低頻頻段,在高于340 Hz左右的頻段，其振級(jí)趨于平緩。

改變扣件剛度后,橫向振動(dòng)從鋼軌至到地表處,在60 Hz附近的1個(gè)峰值也始終存在。

圖8 換扣件前橫向振級(jí)-頻率曲線

圖9 換扣件后橫向振級(jí)-頻率曲線

2.2.3 比較分析

可見(jiàn)，橫向振動(dòng)與豎向振動(dòng)的情況相同。除60 Hz的振動(dòng)峰值之外,當(dāng)扣件剛度在一定的范圍內(nèi)變化時(shí),隧道壁豎向及橫向振動(dòng)振級(jí)均在約650 Hz處下降，之后趨于平緩;地表豎向及橫向振動(dòng)振級(jí)均在約340 Hz處下降，之后趨于平緩?？梢?jiàn)，鋼軌扣件剛度在一定的范圍內(nèi)變化，并不影響本次測(cè)試的軌道結(jié)構(gòu)振級(jí)衰減特性規(guī)律。

2.3 地表Z振級(jí)分析

評(píng)價(jià)環(huán)境振動(dòng)對(duì)人體的影響時(shí),一般采用Z振級(jí)作為指標(biāo)進(jìn)行分析[5]。Z振級(jí)是按照ISO 2631/1—1985規(guī)定,通過(guò)全身振動(dòng)Z計(jì)權(quán)因子修正后得到的振級(jí)。通過(guò)計(jì)算列車經(jīng)過(guò)時(shí)的地表振動(dòng)Z振級(jí),可評(píng)價(jià)振動(dòng)環(huán)境對(duì)人體的影響。本試驗(yàn)得到不同扣件剛度對(duì)應(yīng)的Z振級(jí)見(jiàn)表3。

表3 地表振動(dòng)Z振級(jí)

由表3可知,更換剛度較小的扣件后,地表豎向向振動(dòng)Z振級(jí)減小了2.09 dB,而橫向振動(dòng)Z振級(jí)增大了1.47 dB。測(cè)試結(jié)果表明,采用剛度較小的扣件有利于減小地表豎向振動(dòng),但不利于減小地表橫向振動(dòng)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某軌道交通線路典型運(yùn)營(yíng)路段，通過(guò)更換不同剛度變扣件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比分析,以研究改變扣件參數(shù)對(duì)軌道振動(dòng)傳播特性的影響。2種扣件的豎向剛度分別為32 kN/mm和19 kN/mm。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析,主要得出以下結(jié)論:

(1) 時(shí)域上,輪軌產(chǎn)生的豎向和橫向振動(dòng)加速度峰值的傳播,沿鋼軌、道床、隧道壁和地表依次減小,橫向振動(dòng)的加速度峰值衰減速度較豎向振動(dòng)慢。采用剛度較小的扣件時(shí),道床、隧道壁和地表的豎向振動(dòng)加速度峰值衰減較快,橫向振動(dòng)加速度峰值衰減較慢。

(2) 振動(dòng)在“鋼軌-道床-隧道壁-地表”路徑的傳播過(guò)程中,其主要頻段逐漸縮窄,且振動(dòng)向中低頻振動(dòng)變化。這與振動(dòng)的高頻易衰減特性相符。采用不同剛度扣件時(shí),地表豎向振動(dòng)與橫向振動(dòng)均存在60 Hz附近的峰值。

(3) 采用不同剛度扣件時(shí),隧道壁豎向振動(dòng)振級(jí)和橫向振動(dòng)振級(jí)均在高于約650 Hz的頻段迅速下降，之后趨于平緩。地表豎向振動(dòng)振級(jí)和橫向振動(dòng)振級(jí)均在高于約340 Hz的頻段趨于平緩。

(4) 更換剛度為較小的扣件后,地表豎向Z加速度振級(jí)減小了2.09 dB,而橫向Z加速度振級(jí)增大了1.47 dB。這表明，在所研究的扣件剛度變化范圍內(nèi),使用剛度較小的扣件,有利于減小地表豎向振動(dòng),但不利于減小地表橫向振動(dòng)。

[1] 樓夢(mèng)麟,賈旭鵬,俞潔勤.地鐵運(yùn)行引起的地表振動(dòng)實(shí)測(cè)及傳播規(guī)律分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2009,29(3):282-288.

[2] 耿傳智,廖志軍.地鐵振動(dòng)衰減特性研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,37(3):344-348.

[3] 郝珺,耿傳智,朱劍月.不同軌道結(jié)構(gòu)減振效果測(cè)試分析[J].城市軌道交通研究,2008,4(3):68-71.

[4] 馬利衡.滬寧城際高速鐵路振動(dòng)及其對(duì)周圍環(huán)境影響研究[D].北京:北京交通大學(xué),2014.

[5] 耿傳智,孫曉明.地鐵軌道結(jié)構(gòu)減振效果的實(shí)測(cè)分析[J].環(huán)境污染與防治,2011,33(11):54-62.

On Peak and Frequency Characteristics of Metro Vibration Transmission

ZHOU Li, HE Jiping, MING Xuanhui, CHEN Yilin

By adopting two metro fastenings with different rigidities, the vibration of each major part of transmission (rail,track bed,tunnel wall and ground surface) are tested, the time-histories data are collected. Firstly, the vibration acceleration peaks of time domain and its changes are summarized; then the vibration acceleration spectrums of each part are calculated by Fourier transform, the changes of spectrums in the process of vibration transmission are analyzed. The Z vibration levels of ground surface are calculated. The results show that the fastening rigidity differing in a certain range has a limited influence to 60Hz vibration peak value, the vertical and horizontal vibration levels of tunnel wall and ground surface decrease rapidly at 650Hz and 340Hz respectively, and remain on steady levels afterward. So the metro fastenings with low rigidity could reduce the surface vertical vibration, but not the horizontal vibration.

metro vibration; peak value; frequency characteristics; acceleration spectrum

Institute of Railway and Urban Rail Transit,Tongji University,201804,Shanghai,China

*國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目(51678446);國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51408434)

TB 533+2

10.16037/j.1007-869x.2017.03.021

2016-03-11)