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        地鐵過渡段結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)特性與噪聲分析

        2021-06-01 11:25:28許煒萍趙楚軒王呼佳孫克國
        城市軌道交通研究 2021年5期
        關(guān)鍵詞:頻響頻譜測點(diǎn)

        譚 佳 許煒萍 趙楚軒 王呼佳 楊 朋 孫克國

        (1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司, 510220, 廣州; 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 土木工程學(xué)院, 610031, 成都; 3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 610031, 成都∥第一作者, 高級工程師)

        當(dāng)前,軌道交通發(fā)展迅速,地鐵的修建能緩解城市的交通壓力,促進(jìn)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在軌道交通發(fā)展的同時,也帶來了環(huán)境安全問題。地鐵列車振動引起的環(huán)境問題已經(jīng)愈來愈引起全社會的關(guān)注。

        國內(nèi)外學(xué)者對地鐵列車振動傳播規(guī)律、產(chǎn)生機(jī)理,地鐵振動對周邊建筑物內(nèi)人體舒適度影響等方面研究取得了一系列成果。馬曉磊等[1]以天津市Z2地鐵線一期為依托,對沿線建筑物振動影響做了分析。鄒超等[2]針對廣州地鐵3號線某段咽喉區(qū)直、曲線段列車運(yùn)行引起的周圍地面振動影響,分析了列車引起地面加速度在時、頻域的規(guī)律。肖桂元等[3]對地鐵列車所引起的與地鐵合建建筑物結(jié)構(gòu)環(huán)境振動響應(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試,從時域及頻域角度分析了地鐵列車引起合建建筑物結(jié)構(gòu)環(huán)境振動特性。張曉春等[4]建立了基于模糊理論的建筑內(nèi)人體舒適度煩惱模型,給出了地鐵振動引起的煩惱率曲線,得到了地鐵列車運(yùn)行振動相對于人體舒適度的參數(shù)。何衛(wèi)等[5]對地鐵區(qū)間隧道進(jìn)行了試車試驗(yàn),得到了隧道內(nèi)列車荷載振動特性。盛濤等[6]以上海市某地鐵線路臨近的居民建筑為例,分析了地鐵引起的三向環(huán)境振動對室內(nèi)舒適度的影響程度及主要影響因素。鄭國琛等[7]建立了車軌垂向振動耦合和隧道-土體數(shù)值模型,研究了振源加速度并且對振動加速度進(jìn)行了預(yù)測分析。陳艷明等[8]采用觸發(fā)采集方式,分析了下沉式地鐵車輛段咽喉區(qū)振源特性以及地鐵振動沿蓋板和不同層樓板傳播規(guī)律。侯博文等[9]提出了適用于中國城市軌道交通地下車站運(yùn)營期間站臺噪聲評價方法和指標(biāo)與限值。袁揚(yáng)等[10]通過實(shí)驗(yàn)室錘擊激勵試驗(yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn),對不同的振源特性下隧道-地層-建筑物振動傳播體系的傳遞特性進(jìn)行研究。劉鵬輝等[11]通過對地鐵隧道內(nèi)普通整體道床、I型軌道減振器、彈性短軌枕、梯形軌枕、鋼彈簧浮置板道床的現(xiàn)場振動測試,進(jìn)行時、頻域?qū)Ρ?,了解各種減振措施在不同頻率范圍內(nèi)的減振效果差異。宗剛等[12]選取上海某地鐵沿線工程建設(shè)場地,先后開展了建設(shè)前自由場和建設(shè)后建筑一場地的振動實(shí)測,通過實(shí)測數(shù)據(jù)的時、頻域分析,對比研究了建筑物對場地振動的影響規(guī)律。曾澤民等[13]基于廣州地鐵3號線廈落車輛段試車線列車運(yùn)行誘發(fā)的振動實(shí)測,通過振動時域和頻域分析。獲得地鐵車輛段試車線引發(fā)的地面振動以及臨近建筑結(jié)構(gòu)物振動傳播規(guī)律。

        相關(guān)學(xué)者在研究地鐵振動影響時,針對地面過渡段這一較為特殊的結(jié)構(gòu)形式的研究不夠充分。地鐵過渡軌行段由于處在裸露的地表,列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動噪聲勢必會對地面建筑造成一定的影響?;诖耍疚囊劳袕V州坑口地鐵站振動測試項目工程,對站前過渡段軌道以及臨近地面進(jìn)行振動加速度的測試,研究地面過渡段列車振動特性及其影響因素,分析結(jié)果可為同類工程提供現(xiàn)場實(shí)測案例。

        1 工程概況

        坑口地鐵站位于廣州市荔灣區(qū)花地大道中及龍溪大道的交匯處,是廣州地鐵1號線的中間站。該車站為雙線地鐵車站,列車進(jìn)出站前有一段是地面過渡段,軌行區(qū)裸露于地表,其道床結(jié)構(gòu)形式為碎石道床,車站現(xiàn)場圖如圖1所示,車站東側(cè)30 m為居民住宅樓。

        圖1 坑口地鐵站現(xiàn)場圖

        2 測點(diǎn)布置與安裝

        本次工作主要測試雙線軌道軌枕以及地面處的振動,測試采用的設(shè)備為TST3828EN型動靜態(tài)信號測試儀以及壓電式加速度傳感器。該儀器采樣頻率范圍為1 Hz~1 kHz,測點(diǎn)布置位置依據(jù)居民反映振動較為明顯的典型區(qū)域來進(jìn)行劃分,測點(diǎn)斷面分3個測點(diǎn),測點(diǎn)位置關(guān)系如圖2和圖3所示。

        圖2 振動加速度測點(diǎn)斷面圖

        圖3 軌行區(qū)測點(diǎn)平面圖

        其中,軌行區(qū)的測點(diǎn)為防止列車振動脫落需進(jìn)行固定,且不能影響振動傳播。故在安放振動傳感器前,先用6101環(huán)氧樹脂、水泥、細(xì)砂、乙二胺、二丁酯以1∶1.6∶3.2∶0.1∶0.12的質(zhì)量比例制備環(huán)氧樹脂砂漿。此砂漿混合完成后為糊狀,30 min達(dá)到初凝,6 h后達(dá)到峰值強(qiáng)度。為保證固定牢靠,先用抹布擦拭傳感器底座,用快速粘連劑涂抹于底座表面以起到預(yù)粘效果;隨后用制備好的環(huán)氧樹脂砂漿均勻涂抹于底座四周,并按壓填充空隙;最終凝固后,傳感器底座與軌枕之間為硬連接,對于振動的傳播影響很小。傳感器固定現(xiàn)場圖如圖4和圖5所示。

        圖4 現(xiàn)場涂抹預(yù)粘劑圖

        圖5 傳感器固定現(xiàn)場圖

        3 測試結(jié)果分析

        通過對比坑口地鐵站上下行列車運(yùn)行的振動加速度結(jié)果,首先分析了上下行不同軌道之間的振動以及傳輸?shù)降孛娴恼駝禹憫?yīng)特性,然后對上下行軌道以及地面測點(diǎn)的振動加速度進(jìn)行1/3倍頻程分析,分析地面過渡段區(qū)間列車振動的響應(yīng)及振動傳播特性。

        3.1 時域分析

        測點(diǎn)1、2、3振動加速度時程曲線和幅值均值分別如圖6~圖9以及表1所示。坑口站列車上下行進(jìn)出站階段實(shí)測運(yùn)行速度分別為25和45 m/s。

        表1 測點(diǎn)振動加速度記錄 單位:m/s2

        圖6 測點(diǎn)1振動加速度時程曲線

        圖7 測點(diǎn)2振動加速度時程曲線

        圖8 測點(diǎn)3振動加速度時程曲線

        圖9 軌行區(qū)振動加速度幅值記錄

        圖6~圖8為上下行線列車經(jīng)過時測點(diǎn)的振動加速度。當(dāng)上行線列車經(jīng)過時,測點(diǎn)1~3振動加速度峰值分別為0.71 m/s2、10.80 m/s2、0.07 m/s2,下行線列車經(jīng)過時,測點(diǎn)1~3振動加速度峰值分別為4.22 m/s2、0.26 m/s2、0.03 m/s2。從測點(diǎn)間的數(shù)據(jù)可以看出,振動在橫向上的傳播呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢,其中,兩條軌道峰值加速度差異較大,考慮主要原因?yàn)殇撥壗宇^原因,測點(diǎn)2所處上行線鋼軌接頭較多,且列車進(jìn)站減速過程與鋼軌之間的摩擦增大。從振動持續(xù)時間上來看,上行線振動所持續(xù)的時間要比下行線長,上行線振動持續(xù)時間約為15 s,下行線振動時間為10 s。圖9為軌行區(qū)振動加速度在測試時間內(nèi)的幅值記錄。從記錄的幅值來看,上行線在9:30、13:30、15:00時刻存在峰值振動,下行線則是在9:30、12:00、13:30、15:00、16:00出現(xiàn)峰值振動,考慮峰值振動出現(xiàn)的主要原因是這些時段列車載重較大。故從整體時域分析結(jié)果來看,振動在橫向上的傳播呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢,列車載重的增加,鋼軌接頭以及列車制動行為都會增強(qiáng)列車的振動,而以從振源中心傳播至旁側(cè)軌道以及地面的振動來看,碎石道床能夠有效地減弱列車振動。

        3.2 頻域分析

        時域內(nèi)振動加速度幅值的統(tǒng)計分析結(jié)果僅僅能夠反映出振動響應(yīng)瞬時最大值的規(guī)律,線路結(jié)構(gòu)在高速運(yùn)行的列車激勵下,其頻率的構(gòu)成是十分復(fù)雜的。為了對線路結(jié)構(gòu)各個部位振動的頻率成分進(jìn)行研究,本文將得到的時程曲線進(jìn)行傅里葉變換,得到了振動加速度頻譜曲線。

        根據(jù)GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》,計算振動加速度級val為:

        式中:

        a——振動加速度有效值,m/s2;

        a0——基準(zhǔn)加速度,取值為1×10-6m/s2。

        上行線列車經(jīng)過時的各測點(diǎn)振動頻譜如圖10~圖12所示,下行線列車經(jīng)過時的各測點(diǎn)頻譜如圖13~圖15所示。

        圖10 上行線測點(diǎn)1振動頻譜圖

        圖11 上行線測點(diǎn)2振動頻譜圖

        圖12 上行線測點(diǎn)3振動頻譜圖

        圖13 下行線測點(diǎn)1振動頻譜圖

        圖14 下行線測點(diǎn)2振動頻譜圖

        圖15 下行線測點(diǎn)3振動頻譜圖

        圖10~圖15給出的是經(jīng)傅里葉變換后的測點(diǎn)振動加速度頻譜圖。從圖中可以看出:列車行駛在不同的軌道時,軌行區(qū)測點(diǎn)頻響范圍有較大差異,當(dāng)列車行駛于上行線軌道時,上行線測點(diǎn)頻響范圍為0~400 Hz,最大頻響在110 Hz左右;下行線測點(diǎn)頻響范圍是0~200 Hz,最大頻響范圍在80 Hz左右;而當(dāng)列車行駛于下行線軌道時,下行線測點(diǎn)頻響范圍是0~400 Hz,最大頻響在110 Hz左右;上行線測點(diǎn)頻響范圍是0~200 Hz,最大頻響范圍在80 Hz左右。地面測點(diǎn)頻響范圍不受上下行列車影響,頻響范圍是0~100 Hz,最大頻響在50 Hz左右。可見列車振動致使的結(jié)構(gòu)頻響情況會在橫向上呈現(xiàn)衰減趨勢,在振動傳播過程中,高頻成分衰減較大。

        4 噪聲測試結(jié)果分析與評價

        本節(jié)重點(diǎn)分析早上5:30—7:00時段內(nèi)采集的噪聲數(shù)據(jù)。此時段車流行人等較少,采集的數(shù)據(jù)可以近似作為列車噪聲影響。所用采集設(shè)備為噪聲測試儀,該設(shè)備自帶實(shí)時數(shù)據(jù)儲存與分析功能,噪聲測試測點(diǎn)布置以及現(xiàn)場工作圖如圖16和圖17所示。

        圖16 噪聲測點(diǎn)布置現(xiàn)場圖

        圖17 噪聲測點(diǎn)數(shù)值圖

        圖17給出的是測試時間段內(nèi)記錄的噪聲分貝值。從所記錄的測點(diǎn)1、2的噪聲值來看,可以明顯看到列車經(jīng)過時和靜止時的噪聲差異。其中,距離列車軌行區(qū)較近的測點(diǎn)1噪聲最大值為95.5 dB,靜止時為50.1 dB;測點(diǎn)2噪聲最大值為87.9 dB,靜止時為49.4 dB。噪聲在橫向上的傳播有小幅度削減,符合實(shí)際情況。

        將實(shí)際測得噪聲值與《環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的各類區(qū)域噪聲限制進(jìn)行評價??涌谡靖浇ㄖ锇碐B 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》的劃分屬于振動環(huán)境功能區(qū)4a類區(qū)域,晝間振動噪聲限制為75 dB,靠近居民住宅的測點(diǎn)2振動噪聲最大值為87.9 dB,超過規(guī)范規(guī)定限制,需要對列車振動采用一定的減振降噪措施。

        5 結(jié)論

        1) 對比上下行列車經(jīng)過對應(yīng)測點(diǎn)時的振動加速度,上行列車經(jīng)過時測點(diǎn)2振動加速度峰值為10.80 m/s2,下行列車經(jīng)過時,測點(diǎn)1的最大加速度為4.22 m/s2,兩者相差較大。推測是由于列車時速、鋼軌接頭、碎石道床對列車振動有大幅度的衰減。

        2) 數(shù)據(jù)表明上行線列車經(jīng)過時,測點(diǎn)1~3振動加速度峰值分別為0.71 m/s2、10.80 m/s2、0.07 m/s2,下行線列車經(jīng)過時,測點(diǎn)1~3振動加速度峰值分別為4.22 m/s2、0.26 m/s2、0.03 m/s2。從測點(diǎn)間的數(shù)據(jù)可以看出,振動在橫向上的傳播呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢。

        3) 列車在不同軌道行駛引起的軌行區(qū)測點(diǎn)頻響情況有所差異,當(dāng)列車行駛于測點(diǎn)軌道時振動引起最大頻響在110 Hz左右,頻響范圍為0~400 Hz;旁邊軌道軌枕最大頻響在80 Hz左右,頻響影響范圍為0~200 Hz;地面最大頻響在50 Hz左右,頻響影響范圍為0~100 Hz;整體列車振動頻響特性在橫向上衰減,尤其是高頻成分隨著振動傳播衰減明顯。

        4) 根據(jù)實(shí)時記錄發(fā)現(xiàn):距離列車軌行區(qū)較近地面測點(diǎn)噪聲最大值為95.5 dB,靜止時為50.1 dB;遠(yuǎn)離軌道一側(cè)的測點(diǎn)噪聲最大值為87.9 dB,靜止時為49.4 dB,噪聲最值超過規(guī)范限制75 dB,需采取一定減噪措施。

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