成都有軌電車蓉2號(hào)線的環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)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(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

[通信作者]孔德睿(1998—)，男，碩士，研究方向?yàn)闃蛄簻p振降噪。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化推進(jìn)，我國(guó)目前正處于軌道交通建設(shè)高速發(fā)展期[1]。地鐵及地面交通均可引發(fā)臨近環(huán)境特別是高層建筑物的過(guò)量振動(dòng)，對(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)軌道交通的環(huán)境振動(dòng)方面開展相關(guān)研究。Vogiatzis[4]通過(guò)振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析開展振動(dòng)影響評(píng)價(jià)；陳建琪等[5]從振源特性、振動(dòng)傳播規(guī)律等方面總結(jié)了高速鐵路環(huán)境振動(dòng)研究領(lǐng)域近年來(lái)的研究成果；賀玉龍等[6]研究發(fā)現(xiàn)明路堤段線路環(huán)境振動(dòng)最大，路橋過(guò)渡段線路環(huán)境振動(dòng)最??；崔高航等[7]發(fā)現(xiàn)軌道不平順是引起機(jī)車車輛產(chǎn)生振動(dòng)和輪軌動(dòng)作用力的主要原因。

為系統(tǒng)研究有軌電車引起的環(huán)境振動(dòng)規(guī)律，本文對(duì)蓉2線沿線環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析，明確有軌電車引起的環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)變化規(guī)律和振動(dòng)水平。上述工作將有助于認(rèn)識(shí)城市有軌電車的環(huán)境振動(dòng)特性，為數(shù)值仿真分析提供參考對(duì)照依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

為系統(tǒng)研究蓉2線列車荷載下的環(huán)境振動(dòng)特性，試驗(yàn)分別對(duì)列車經(jīng)過(guò)時(shí)軌道直線段、彎道段、站臺(tái)段的環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)場(chǎng)地如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地示意

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用壓電加速度傳感器(型號(hào)LC0108T)，動(dòng)態(tài)采集儀(型號(hào)DH5922N)進(jìn)行。對(duì)于每個(gè)試驗(yàn)段，選擇試驗(yàn)段中心位置(彎道段為圓曲線弧長(zhǎng)中心位置，站臺(tái)段為站臺(tái)中心位置)為測(cè)試斷面。對(duì)于每個(gè)測(cè)試斷面，分別在距離外側(cè)軌道中心線2 m、11 m處設(shè)置測(cè)點(diǎn)，與地面方向垂直布置加速度傳感器，測(cè)點(diǎn)平面布置如圖2所示。試驗(yàn)采樣頻率取2 560 Hz。為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性，測(cè)試時(shí)單次信號(hào)采集時(shí)間超過(guò)30 s，并保證每次信號(hào)采集期間無(wú)外來(lái)車輛通過(guò)。

圖2 測(cè)試場(chǎng)地平面布置

2 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)分別對(duì)蓉2線車輛分直道、彎道、站臺(tái)3個(gè)斷面進(jìn)行了4次測(cè)試，共測(cè)得數(shù)據(jù)20組。剔除有干擾時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)，最終選取7組數(shù)據(jù)作為本文研究對(duì)象進(jìn)行振動(dòng)加速度信號(hào)的時(shí)域、頻域、1/3倍頻程分析。

2.1 時(shí)域分析

對(duì)于不同測(cè)試斷面，截取合適的時(shí)間段進(jìn)行時(shí)域信號(hào)分析。由于列車經(jīng)過(guò)的時(shí)間很短(3～9 s)，且本文研究的環(huán)境振動(dòng)值也為列車通過(guò)時(shí)統(tǒng)計(jì)意義上的數(shù)值。因此，采用測(cè)試斷面列車通過(guò)的平均速度作為列車速度進(jìn)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(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。由圖3(a)可見，列車經(jīng)過(guò)時(shí)引起的響應(yīng)加速度峰值約為0.2 m/s2。對(duì)比圖3(a)、圖3(b)，相比1#測(cè)點(diǎn)，2#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)發(fā)生了顯著衰減，峰值約為0.04 m/s2，說(shuō)明距離軌道中心線11 m時(shí)，有軌電車引起的環(huán)境振動(dòng)可以忽略。對(duì)比圖3、圖4，列車引起的環(huán)境振動(dòng)與列車運(yùn)行速度有關(guān)，列車運(yùn)行速度越大，引起的環(huán)境振動(dòng)越大。

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖3 直道工況列車速度為29km/h的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖4 直道工況列車速度為38km/h的振動(dòng)加速度時(shí)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(shí)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。結(jié)果顯示，對(duì)于1#測(cè)點(diǎn)，振動(dòng)規(guī)律與直線段基本一致，即列車運(yùn)行速度越大振級(jí)越大。對(duì)于2#測(cè)點(diǎn)，由于距離軌道中心線較遠(yuǎn)，振動(dòng)發(fā)生了較大的衰減，列車經(jīng)過(guò)沒有對(duì)其造成太大的影響，因此不同車速下的車致振動(dòng)差異不顯著。

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖5 彎道工況列車速度為20km/h的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖6 彎道工況列車速度為13km/h的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線

2.1.3 站臺(tái)路段

圖7、圖8給出了列車以速度20 km/h進(jìn)站、15 km/h出站時(shí)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。由圖可知，列車進(jìn)站時(shí)，由于速度較慢，引起的環(huán)境振動(dòng)較小。對(duì)于時(shí)域信號(hào)，列車進(jìn)出站引起的加速度幅值差異并不顯著。

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖7 列車以速度20km/h進(jìn)站時(shí)的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖8 列車以速度15km/h出站時(shí)的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線

2.2 頻域分析

由于時(shí)域分析僅反應(yīng)振動(dòng)響應(yīng)瞬時(shí)的最大值，部分信號(hào)在時(shí)域上的特征不明顯。為分析不同測(cè)試工況下環(huán)境振動(dòng)的頻率成分，對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行信號(hào)頻域分析。即，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的振動(dòng)加速度時(shí)程進(jìn)行快速傅里葉變換，得到振動(dòng)加速度頻譜。

2.2.1 直道路段

圖9給出了直線段的振動(dòng)加速度頻譜。可見，對(duì)于1#測(cè)點(diǎn)，電車引起的環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)主要頻段在0～500 Hz，近場(chǎng)圖像為三駝峰狀，且峰值依次衰減；最大振動(dòng)幅值為3.8×10-3m/s2，出現(xiàn)在約30 Hz處。對(duì)于2#測(cè)點(diǎn)，高頻振動(dòng)衰減顯著，主要振動(dòng)頻段小于100 Hz；最大振動(dòng)幅值為1.9×10-3m/s2，同樣出現(xiàn)在約30 Hz處?？傮w上，與時(shí)域信號(hào)一致，列車速度越大，峰值加速度越大。

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖9 直道工況下的實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度頻譜

2.2.2 彎道路段

圖10給出了彎道段的實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度頻譜。對(duì)于1#測(cè)點(diǎn)，電車引起的環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)主要頻段在0～500 Hz之間，最大振動(dòng)幅值為6.0×10-3m/s2，出現(xiàn)在約160 Hz處。彎道段頻譜為雙駝峰狀，且最大振動(dòng)幅值大于直線段。彎道段車輪與軌道發(fā)生碰撞、摩擦，造成頻譜第二個(gè)峰值(160 Hz)較大。對(duì)于2#測(cè)點(diǎn)，高頻振動(dòng)發(fā)生了衰減，主要振動(dòng)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(guī)律。

2.2.3 站臺(tái)路段

圖11、圖12給出了列車以速度20 km/h進(jìn)站、15 km/h出站時(shí)的實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度頻譜。對(duì)于測(cè)點(diǎn)1，進(jìn)站和出站時(shí)電車引起的環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)主要頻段均在0～375 Hz之間，但由于進(jìn)出站列車減速，其引起的環(huán)境振動(dòng)較小，最大振動(dòng)幅值為9.0×10-4m/s2，出現(xiàn)在進(jìn)站時(shí)230 Hz處。對(duì)于2#測(cè)點(diǎn)，其振動(dòng)以低頻(小于100 Hz)為主，最大振動(dòng)幅值僅3.8×10-4m/s2，出現(xiàn)在約30 Hz處。

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖10 彎道工況下的實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度頻譜

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖11 列車以速度20km/h進(jìn)站時(shí)的實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度頻譜

2.3 1/3倍頻程分析

為評(píng)價(jià)有軌電車引起的環(huán)境振動(dòng)，采用1/3倍頻程圖的方法計(jì)算振動(dòng)加速度級(jí)。不同測(cè)點(diǎn)振動(dòng)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(biāo)為1/3倍頻程中心頻率，縱坐標(biāo)為振動(dòng)加速度級(jí)。

由圖可見，有軌電車產(chǎn)生的振級(jí)一般在20～60 dB之間。對(duì)于1#測(cè)點(diǎn)，不同斷面的振動(dòng)峰值均出現(xiàn)在約100 ～ 200 Hz處，對(duì)于2#斷面，振動(dòng)峰值均出現(xiàn)在25～50 Hz處。同時(shí)，通過(guò)每種測(cè)試工況在不同行車速度下以及不同測(cè)點(diǎn)處的振級(jí)最大值進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)振級(jí)的變化趨勢(shì)與時(shí)域分析的結(jié)果大致相同。

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖12 列車以速度15km/h出站時(shí)的實(shí)測(cè)振動(dòng)加速度頻譜

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖13 直道段1/3倍頻程中心頻率

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖14 彎道段1/3倍頻程中心頻率

(a) 1#測(cè)點(diǎn)

(b) 2#測(cè)點(diǎn)圖15 站臺(tái)路段1/3倍頻程中心頻率

3 結(jié)論

本文以蓉二線有軌電車為研究對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了有軌電車經(jīng)過(guò)時(shí)地面振動(dòng)加速度，對(duì)比分析了有軌電車經(jīng)過(guò)直線段、彎道段、站臺(tái)段時(shí)引起的環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，得到結(jié)論：

(1)有軌電車引起的環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)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(shí)，引起的環(huán)境振動(dòng)表現(xiàn)出彎道段>直線段>站臺(tái)段的規(guī)律，且振動(dòng)持續(xù)時(shí)間彎道段>站臺(tái)段>直線段。

(2)對(duì)于近場(chǎng)測(cè)點(diǎn)(距軌道中心線2 m)，有軌電車引起的環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)主要頻段在0～500 Hz之間，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)(距軌道中心線11 m)，環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)主要頻段在100 Hz以下。