陳俊豪,柯文華,陳 嶸,趙才友,易 強(qiáng)

(1.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

1 概述

隨著現(xiàn)代城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，軌道交通作為一種新型的交通工具，以其運(yùn)量大、速度快、安全可靠等特點(diǎn)，成為解決城市交通問題的重要手段[1]。列車在軌道上行駛時(shí)，作用于鋼軌一個(gè)交變的移動(dòng)輪載，再加上軌道的不平順和輪對(duì)的不圓順，列車和軌道都會(huì)發(fā)生振動(dòng)，這種振動(dòng)既對(duì)列車的運(yùn)行舒適性有影響，也對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的安全、壽命及周圍環(huán)境有影響[2]。國際上已把振動(dòng)列為七大環(huán)境公害之一，并已開始著手研究振動(dòng)的污染規(guī)律、產(chǎn)生原因、傳播途徑與控制方法以及對(duì)人體的危害等問題[3]。隨著鐵路列車提速、客運(yùn)高速化、貨運(yùn)重載化及城市軌道交通的不斷建設(shè)，軌道交通沿線的振動(dòng)使環(huán)境日益惡化，重載列車產(chǎn)生的低頻地面振動(dòng)及城市軌道交通誘發(fā)的環(huán)境振動(dòng)等，成為不可回避的重要問題[4]。因此，由于列車運(yùn)營引起的振動(dòng)成為了軌道交通領(lǐng)域亟待解決的問題。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[5]是了解和解決軌道交通振動(dòng)問題的一個(gè)行之有效的方法，通過對(duì)結(jié)構(gòu)物振動(dòng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可以為軌道交通振動(dòng)問題提供更多的理性認(rèn)識(shí)。從1970年開始，德國、英國[6-7]等國家最先開展地鐵振動(dòng)測(cè)試研究。近些年，我國也有許多學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)軌道交通振動(dòng)問題進(jìn)行研究。圣小珍等[2]通過分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，初步得到了軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻率范圍和振幅范圍。屈暢姿等[8]對(duì)武昌—咸寧綜合試驗(yàn)段路基進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并采用小波分析得到了路基的振動(dòng)特性。毛昆明等[9]通過對(duì)滬寧城際鐵路高架橋段地面振動(dòng)豎向速度和加速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析了地面振動(dòng)特性及其傳播的衰減規(guī)律。范思婷等[1]通過對(duì)寧波軌道交通1號(hào)線的鋼軌、軌枕和隧道壁的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，研究了軌道交通運(yùn)營時(shí)引起的環(huán)境振動(dòng)。閆維明等[3]通過對(duì)某地鐵交通1號(hào)線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)行分析，得到該區(qū)段內(nèi)環(huán)境振動(dòng)實(shí)況和振動(dòng)特性及傳播規(guī)律。候晉等[10]用高靈敏度傳感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了蘇州軌道交通1號(hào)線各個(gè)工況下地面振動(dòng)響應(yīng)，分析了軌道交通對(duì)其周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響。

雖然文獻(xiàn)中已經(jīng)有了大量關(guān)于地鐵振動(dòng)測(cè)試的研究，但是地鐵普遍運(yùn)行速度偏低且關(guān)于城際鐵路研究較少，因此對(duì)于速度較高的城際列車的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究就更加有意義。通過對(duì)某城際列車經(jīng)過隧道時(shí)引起鋼軌、道床板和隧道壁振動(dòng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，并且對(duì)鋼軌、道床板和隧道壁的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域和連續(xù)小波變換分析，得到了一些有意義的結(jié)論，為今后研究軌道交通引起的振動(dòng)提供了更多理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

本次測(cè)試線路總長約100 km，設(shè)18個(gè)車站，設(shè)計(jì)運(yùn)營速度200 km/h。該線路為雙洞隧道，隧道為礦山法施工，隧道類型為馬蹄形隧道，測(cè)試斷面隧道結(jié)構(gòu)半徑4.15 m，軌面埋深25 m左右。線路選用普通鋼筋混凝土整體道床，CTRSⅠ型雙塊式無砟軌道，扣件類型為WJ-8B型。測(cè)試選用斷面位于直線段，所處的地質(zhì)條件主要由素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與粉砂細(xì)砂共同構(gòu)成。該線路使用國內(nèi)首款城際動(dòng)車專用車型CRH6a-200型，車輛軸重17 t。

2.2 測(cè)試儀器

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用24位精度，最高采樣頻率達(dá)到51.2 kHz的INV 3060S網(wǎng)絡(luò)分布式采集分析儀。由于列車通過時(shí)對(duì)鋼軌、道床板和隧道會(huì)產(chǎn)生的響應(yīng)不同，且測(cè)點(diǎn)的位置不同，選用的加速度傳感器量程也不一樣[11]。其中測(cè)量鋼軌垂向振動(dòng)選用量程為1 000 g加速度傳感器；測(cè)量道床板垂向振動(dòng)選用量程為50 g加速度傳感器；測(cè)量隧道壁垂向振動(dòng)選用INV 891-1型拾振器。

2.3 測(cè)點(diǎn)位置

此次測(cè)試每個(gè)斷面布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別用于測(cè)試列車通過時(shí)鋼軌、道床板和隧道壁產(chǎn)生的垂向振動(dòng)加速度。1號(hào)測(cè)點(diǎn)位于兩跨鋼軌跨中軌底，在1號(hào)測(cè)點(diǎn)位置處安裝1 000g加速度傳感器，用于測(cè)量鋼軌垂向振動(dòng)加速度；2號(hào)測(cè)點(diǎn)位于道床板橫向端部，距離測(cè)試鋼軌中心線0.3 m，在2號(hào)測(cè)點(diǎn)位置處安裝50g加速度傳感器，用于測(cè)量道床板垂向振動(dòng)加速度；3號(hào)測(cè)點(diǎn)位于距離軌面1.25 m的隧道壁上，距離測(cè)試鋼軌中心線4.15 m，在3號(hào)測(cè)點(diǎn)位置處安裝INV 891-1型拾振器，用于測(cè)量隧道壁垂向振動(dòng)加速度。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

3 振源特性分析

3.1 時(shí)域分析

本次測(cè)試總共采集至少15組數(shù)據(jù)，并選出效果較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析。圖2為鋼軌、道床板和隧道壁的垂向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。

圖2 垂向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線

根據(jù)圖2(a)可以看出圖中每個(gè)峰值代表列車的一個(gè)轉(zhuǎn)向架，因此可以確定通過列車為8節(jié)車，與實(shí)際情況相符。根據(jù)列車相鄰轉(zhuǎn)向架之間的距離與其通過測(cè)點(diǎn)的時(shí)間差，可以反推出列車車速為130 km/h左右。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到鋼軌垂向加速度最大值為384 m/s2，有效值為68 m/s2；道床板垂向加速度最大值為1.9 m/s2，有效值為0.40 m/s2；隧道壁垂直加速度最大值為0.037 m/s2，有效值為0.013 m/s2。由于車輪直接作用于鋼軌上，因此鋼軌垂直方向上的振動(dòng)較為劇烈，而振動(dòng)由鋼軌傳遞到道床板和隧道壁時(shí)，振動(dòng)不斷衰減且衰減速率較快。

3.2 頻域分析

1/3倍頻程譜是一種較有效的頻域分析方法，它具有譜線少頻帶寬的特點(diǎn)[12]。測(cè)試所獲得的為各測(cè)試斷面的關(guān)于時(shí)間函數(shù)的振動(dòng)信號(hào)，為了將振動(dòng)信號(hào)采用頻率域的概念對(duì)信號(hào)進(jìn)行描述，選取測(cè)試效果較好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過傅立葉積分變換進(jìn)行隨機(jī)信號(hào)分析得到振動(dòng)加速度頻譜，然后通過1/3倍頻程譜進(jìn)行頻譜分析[13]。

根據(jù)《機(jī)械振動(dòng)與沖擊人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)》(GB/T 13441—2015)規(guī)定加速度振級(jí)La(dB)為

La=20lg(aref/a0)

(1)

式中，La為振動(dòng)加速度級(jí)，dB；aref為每個(gè)中心頻段的振動(dòng)加速度有效值，m/s2；a0為加速度基準(zhǔn)值，一般取1×10-6m/s2。

圖3(a)為行車速度130 km/h的工況下，鋼軌和道床板垂直振動(dòng)加速度在頻域內(nèi)的衰減規(guī)律。根據(jù)《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 170—2009)規(guī)定，隧道壁4～200 Hz頻率范圍垂向振動(dòng)加速度級(jí)按ISO2631.1—1997規(guī)定的Z計(jì)權(quán)因子修正后得到各中心頻率振動(dòng)加速度級(jí)，見圖3(b)。

圖3 頻域內(nèi)垂向振動(dòng)加速度衰減

從圖3(a)可以看出，對(duì)于CTRSⅠ型雙塊式軌道來說，從鋼軌到道床板的垂向振動(dòng)加速度級(jí)在160 Hz以前衰減規(guī)律幾乎一致，僅有衰減數(shù)值的不同。鋼軌垂向振動(dòng)加速度級(jí)在160 Hz以后上升，且在400～500 Hz處達(dá)到最大值。而道床板垂向振動(dòng)加速度級(jí)在160～315 Hz幾乎不變，而在315 Hz后突然上升，且在400～500 Hz處達(dá)到了峰值，且曲線隨后繼續(xù)上升并在800 Hz附近達(dá)到最大值。鋼軌垂向振動(dòng)加速度級(jí)則是在400～500 Hz處達(dá)到最大值后，數(shù)值幾乎保持不變；從鋼軌到道床板，頻域內(nèi)的垂向振動(dòng)加速度的衰減是均勻的，并且無論是在高頻還是在低頻衰減大小差別不大。

由圖3(b)分析可知，隧道壁垂向振動(dòng)加速級(jí)在63 Hz以前是呈上升趨勢(shì)，在63 Hz處達(dá)到了最大值，隨后在63～200 Hz出現(xiàn)下降。而從圖3可以明顯看出，從鋼軌、道床板到隧道壁，垂向振動(dòng)加速度振級(jí)是在逐漸減小的。

計(jì)算鋼軌、道床板和隧道壁在各自頻段范圍內(nèi)的總振級(jí)平均值，得到鋼軌在1～2 500 Hz范圍內(nèi)垂直振動(dòng)加速度總振級(jí)的平均值為160.7 dB;道床板在1～2 500 Hz范圍內(nèi)垂直振動(dòng)加速度總振級(jí)的平均值為116.0 dB;隧道壁在1～200 Hz范圍內(nèi)垂直振動(dòng)加速度總振級(jí)的平均值為84.5 dB。由鋼軌傳遞到道床板平均振級(jí)衰減了44 dB，衰減幅度約為28%；由道床板傳遞到隧道壁平均振級(jí)衰減了31 dB，衰減幅度約為27%。

3.3 時(shí)頻分析

頻率表示信號(hào)的數(shù)學(xué)方法由傅里葉在19世紀(jì)初提出。傅里葉變換一直是信號(hào)分析與處理中應(yīng)用最廣的變換。雖然該變換在信號(hào)分析與處理中應(yīng)用甚廣，但是其仍然具有一定的局限性，如傅立葉變換只能表示信號(hào)含有哪些頻率成分，無法告訴這些頻率在什么時(shí)候出現(xiàn)，丟失了時(shí)間信息[17]。

(2)

式中，a，b∈L2，a≠0；ψ(t)∈L2，滿足“容許性”條件

圖4為鋼軌、道床板和隧道壁在列車激勵(lì)下，對(duì)其振動(dòng)加速度信號(hào)利用Morlet小波變換后得到在時(shí)域-頻域圖。用振動(dòng)加速度傳感器對(duì)兩跨鋼軌跨中軌底、道床板橫向端部和距離軌面1.25 m的隧道壁的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行實(shí)測(cè)，并將這3種振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行連續(xù)小波變換，得到時(shí)域-頻域圖。

圖4 連續(xù)小波變換時(shí)頻

由連續(xù)小波變換時(shí)頻圖可以看到列車通過時(shí)，在不同時(shí)間點(diǎn)上鋼軌、道床板和隧道壁的優(yōu)勢(shì)頻段以及在不同時(shí)間點(diǎn)上不同頻段內(nèi)所蘊(yùn)含的振動(dòng)能量大小。從圖4中可以清楚地看到時(shí)頻圖的圖像分布具有一定的周期性，當(dāng)列車車輪通過測(cè)點(diǎn)時(shí)，鋼軌、道床板和隧道壁振動(dòng)能量最大，而車身通過測(cè)點(diǎn)時(shí)，鋼軌、道床板和隧道壁振動(dòng)能量相對(duì)較小。車頭和車尾通過測(cè)點(diǎn)時(shí)，鋼軌、道床板和隧道壁的振動(dòng)能量相比于列車中部通過時(shí)的振動(dòng)能量更低，而列車中部通過測(cè)點(diǎn)時(shí)，鋼軌、道床板和隧道壁的振動(dòng)能量較高，說明車頭和車位引起的響應(yīng)較小，而列車中部引起的響應(yīng)較大。

由圖4可知，鋼軌的振動(dòng)能量主要集中在400～1 500 Hz頻段內(nèi)，且以400～500 Hz為主；道床板的振動(dòng)能量主要集中在700～2 500 Hz頻段內(nèi)，且以700～900 Hz為主。而道床板在400～500 Hz也存在少部分能量，是由于鋼軌以400～500 Hz頻段內(nèi)的振動(dòng)為主，而鋼軌將400～500 Hz的振動(dòng)能量通過軌枕傳遞給道床板，故道床板在400～500 Hz也有少量能量分布，但這不能說明道床板的優(yōu)勢(shì)頻段為400～500 Hz，并且道床板在400～500 Hz處的振動(dòng)能量較鋼軌已大幅度衰減；隧道壁的振動(dòng)能量主要集中在40～60 Hz頻段內(nèi)。

分析圖4中鋼軌、道床板和隧道壁的振動(dòng)能量分布可知，鋼軌主要以高頻振動(dòng)為主，隧道壁振動(dòng)則是低頻振動(dòng)；而由鋼軌、道床板和隧道壁的振動(dòng)能量分布密度可知，鋼軌存在400～1 000 Hz的優(yōu)勢(shì)頻段，道床板的優(yōu)勢(shì)頻段為700～900 Hz，而隧道壁則是以40～60 Hz為優(yōu)勢(shì)頻段。

4 結(jié)論

對(duì)某城際軌道交通進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)實(shí)測(cè)后，選出效果較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析以及時(shí)頻分析，并且計(jì)算鋼軌、道床板以及隧道壁垂直振動(dòng)加速度總振級(jí)的平均值，主要結(jié)論如下。

(1)在城際列車130 km/h運(yùn)行速度下，CTRSⅠ型雙塊式軌道鋼軌垂向振動(dòng)加速度最大值為384 m/s2，有效值為68 m/s2；道床板垂向振動(dòng)加速度最大值為1.9 m/s2，有效值為0.40 m/s2；隧道壁垂直振動(dòng)加速度最大值為0.037 m/s2，有效值為0.013 m/s2。

(2)從鋼軌到道床板，頻域內(nèi)的垂向振動(dòng)加速度的衰減是均勻的，并且無論是在高頻還是在低頻衰減大小差別不大。由于輪軌力的作用，鋼軌振動(dòng)幅度最大，鋼軌在1～2 500 Hz范圍內(nèi)垂直振動(dòng)加速度總振級(jí)的平均值為160.7 dB，道床板在1～2 500 Hz范圍內(nèi)垂直振動(dòng)加速度總振級(jí)的平均值為116.0 dB，隧道壁在1～200 Hz范圍內(nèi)垂直振動(dòng)加速度總振級(jí)的平均值為84.5 dB。由鋼軌傳遞到道床板平均振級(jí)衰減了44 dB，衰減幅度約為28%。由道床板傳遞到隧道壁平均振級(jí)衰減了31 dB，衰減幅度約為27%。

(3)鋼軌的能量主要集中在400～500 Hz頻段內(nèi)，振動(dòng)主要以高頻振動(dòng)為主；道床板的能量主要集中在700～900 Hz頻段內(nèi)；隧道壁的能量則是主要集中在40～60 Hz頻段內(nèi)，振動(dòng)主要為低頻振動(dòng)。

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