地鐵車輛段庫內(nèi)振動測試及分析

張磊磊,柴 博

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 機環(huán)院,天津 300308）

0 引言

目前，國外關(guān)于地鐵車輛段上蓋物業(yè)振動的研究主要集中于采用工程措施來改變結(jié)構(gòu)本身的自振頻率和結(jié)構(gòu)剛度，以此抑制振動的擴散傳播，從而達到減振降噪的目的。一些學(xué)者也通過有限元或?qū)嶒災(zāi)M分析得到列車運行時的振動傳播規(guī)律。相比國外，國內(nèi)對城市軌道交通車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)研究起步較晚，但近年來取得了快速發(fā)展。2012年，林君城對地鐵車輛段上蓋物業(yè)可行性進行分析，闡述了將地鐵車輛段與上蓋物業(yè)有機結(jié)合起來，對合理節(jié)約用地、促進社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義[1]。為了評估地鐵車輛段對上蓋物業(yè)的振動影響程度，鄒林志等以車輛段內(nèi)列車進出道岔段對地面及上蓋物業(yè)產(chǎn)生的振動影響作為研究對象，分析得到道岔段斷面處的振動均大于與之相對應(yīng)的直線段斷面處地面振動[2]；隨后，程保青等研究了地鐵車輛段咽喉區(qū)振動對上層物業(yè)的振動影響，通過建立軌道-地基土-上蓋建筑有限元模型，仿真驗證了咽喉區(qū)對高層建筑的振動影響程度更大，上蓋建筑物內(nèi)的最大振級會隨離地平臺高度的增加而增大[3]；呂文婷根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析了地下車輛段上層物業(yè)各樓層的振動傳播規(guī)律以及測試特點，并利用有限元軟件建立車輛段上蓋物業(yè)模型進行預(yù)測分析，得到整體建筑物的振動情況滿足相關(guān)標準[4]。董光輝分析了上蓋物業(yè)地鐵采用不同軌道類型時，列車出入車輛段引起對周圍建筑物的振動影響程度，并通過有限元仿真得出浮置板結(jié)構(gòu)碎石道床可以明顯地降低對周圍建筑物的振動影響，為地鐵上蓋物業(yè)道床的選取提供了重要參考[5]。

該文以地鐵車輛段庫內(nèi)地面振動為研究對象，通過對試驗測試數(shù)據(jù)做時域、頻域分析處理，得到車輛段庫內(nèi)檢查坑地面測點沿水平順軌方向、水平垂軌方向的振動變化規(guī)律及傳播特性，為今后城市中同類地鐵上蓋物業(yè)的開發(fā)建設(shè)提供參考。

1 地鐵車輛段庫內(nèi)振動響應(yīng)測試

該次研究選取某城市軌道交通上蓋物業(yè)車輛段，主體包括三部分，其中地面層為地鐵停車場，二層為汽車停車場，最上層為上蓋物業(yè)（在建），總建設(shè)面積約8萬m2。該次測試庫內(nèi)線為立柱式檢查坑整體道床、50 kg/m鋼軌。

1.1 測試儀器

該次測試采用丹麥的B&K多通道振動噪聲測試系統(tǒng)，選用1臺筆記本電腦、4個振動傳感器、移動電源及若干數(shù)據(jù)線等設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集及分析。

1.2 測點布置

該文主要研究列車進出地鐵車輛段時，車輛段庫內(nèi)檢查坑沿水平順軌方向、水平垂軌方向的地面測點，在鉛錘向振動加速度的變化規(guī)律及特點。為更直觀描述出各斷面的振動變化規(guī)律，這里采用對比測試分析法，分別在地鐵車輛段庫內(nèi)端部、庫內(nèi)中部設(shè)置2處監(jiān)測斷面，共布設(shè)4個監(jiān)測點。該次試驗運行地鐵A型車，采用8節(jié)編組，并且根據(jù)試驗測試要求，車輛試驗運行車速需與運營車速保持一致。為了消除測試誤差，選取振動波形完整的、信噪比高的、無明顯畸變的4組有效振動測試數(shù)據(jù)，并且各組有效數(shù)據(jù)截取列車完全通過測點時所需要的時長，分析庫內(nèi)地面沿順軌、垂軌方向在鉛錘向的振動變化規(guī)律。具體測點布置如圖2所示，其中測點1位于車輛段庫內(nèi)端部靠近輪軌0.5 m處，測點2位于車輛段庫內(nèi)端部距近軌3.5 m樁基外側(cè)墻壁處，測點3位于車輛段庫內(nèi)中部靠近輪軌0.5 m處，測點4位于車輛段庫內(nèi)中部距近軌3.5 m樁基外側(cè)墻壁處。

2 地鐵車輛段庫內(nèi)測試數(shù)據(jù)及分析

通過對試驗測試數(shù)據(jù)進行濾波、FFT處理，得到各測點的時域波形圖以及1/3倍頻程曲線，分析各斷面測點鉛錘向振動加速度沿順軌方向、垂軌方向的變化規(guī)律。

2.1 時域指標分析

在時域信號分析時，可以反映出振動信號的原始波形，得到振動幅值隨時間變化關(guān)系。

車輛段端面兩個測點（軌旁0.5 m處和樁基側(cè)墻處）的振動加速度響應(yīng)基本一致，車輛段中部兩個測點的振動響應(yīng)的變化規(guī)律也具有很好的一致性，并且車輛段中部振動響應(yīng)較端部存在時間的滯后性，這與實際監(jiān)測相符，表明了采集的數(shù)據(jù)是良好的。

2.2 頻域指標分析

上文已對時域信號進行分析，但是無法直觀反映振動加速度沿水平順軌方向、水平垂軌方向的變化規(guī)律，因此經(jīng)過傅里葉變換得到振動頻譜，分析各斷面測點在相同頻帶內(nèi)的振動加速度、加速度級的頻率特性變化規(guī)律。

根據(jù)《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》（JGJ/T 170—2009）[6]的評價要求，對測試數(shù)據(jù)做1/3倍頻程分析后，按標準中規(guī)定的Z計權(quán)因子進行修正，取頻率計權(quán)范圍為4~200 Hz，得到各1/3倍頻程中心頻率上的分頻最大振級，見下式：

式中，VLi——中心頻率fi頻帶處加速度振級；VLmax——分頻振級最大值（dB）；αii——各個頻帶的計權(quán)因子。

2.2.1 順軌方向振動響應(yīng)分析

如圖1（a）所示，輪軌軌旁0.5 m處測點1和測點3的振動加速度隨頻率的變化趨勢基本一致。在1~12.5 Hz頻帶處庫內(nèi)端部測點的振動加速度略大于中部測點，隨著頻率的逐漸增加，庫內(nèi)端部和中部各測點的振動加速度響應(yīng)變化規(guī)律基本吻合。庫內(nèi)輪軌端部0.5 m處的1/3倍頻程中心頻率對應(yīng)的最大振級為57.3 dB，中部0.5 m處為57.9 dB，其主振頻率范圍均在20~63 Hz之間。根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析得出，列車進出地下車輛段時沿水平順軌方向在低頻時存在差異，但隨著頻率的增加差異減小，趨于吻合。

圖1 順軌方向振動及分頻最大振級圖

如圖1（b）所示，對于庫內(nèi)樁基外側(cè)墻壁3.5 m處測點2和測點4的振動響應(yīng)，與軌旁0.5 m處的變化規(guī)律保持一致，從而計算得到在庫內(nèi)端部3.5 m處1/3倍頻程中心頻率對應(yīng)的最大振級為44.1 dB，中部3.5 m處為48.3 dB，主振頻率范圍均在10~63 Hz之間。另外，除個別頻率點處的最大振級出現(xiàn)突變外，兩測點的最大振級變化規(guī)律基本相同，這與輪軌0.5 m處的變化規(guī)律保持一致。

2.2.2 垂軌方向振動響應(yīng)分析

從圖2（a）可以看出，地下車輛段端部測點1、測點2振動加速度響應(yīng)和最大振級在1~20 Hz倍頻程內(nèi)基本吻合。由于水平垂軌方向存在距離衰減，經(jīng)地面?zhèn)鬟f到測點2時的振動能量減小，因此隨著頻率的增加振動響應(yīng)逐漸減弱，這是因為低頻信號傳遞中不易衰減，但是隨頻率的增大，高頻能量衰減得更快、更明顯，振動加速度響應(yīng)也相應(yīng)減弱。根據(jù)試驗測試數(shù)據(jù)，庫內(nèi)端部處的主振頻率范圍在 20~63 Hz之間，并且振級總體呈現(xiàn)出衰減的趨勢，除個別頻率點處，兩測點的頻率特性變化規(guī)律也基本一致。

圖2 垂軌方向振動分頻最大振級圖

如圖2（b）所示，車輛段庫內(nèi)中部振動加速度及分頻最大振級變化規(guī)律與端部垂軌方向的變化規(guī)律一致，即中部斷面各測點沿水平垂軌方向振動響應(yīng)逐漸衰減，但衰減的幅度與頻率的高低有關(guān)。

3 結(jié)論

該文以地鐵車輛段庫內(nèi)檢查坑地面振動為研究對象，通過對現(xiàn)場試驗測試，數(shù)據(jù)分析處理得到庫內(nèi)各斷面測點在時域、頻域下的變化規(guī)律及特點，主要結(jié)論如下：

（1）順軌方向振動響應(yīng)關(guān)系：車輛段庫內(nèi)輪軌和樁基處各測點沿水平順軌方向振動響應(yīng)在低頻時存在差異，隨頻率的增加差異逐漸減小，趨于吻合。

（2）垂軌方向振動響應(yīng)關(guān)系：車輛段庫內(nèi)端部和中部各測點沿水平垂軌方向振動響應(yīng)逐漸衰減，但衰減的幅度與頻率的高低有關(guān)。