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        有軌電車線路鋼軌包覆材料在合建結(jié)構(gòu)條件下的減振降噪效果分析

        2022-11-21 05:58:00劉士煜王世燁苗彩霞
        城市軌道交通研究 2022年9期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)

        劉士煜 王世燁 苗彩霞 周 宇

        (1.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,200125,上海 ;2.上海有軌電車工程技術(shù)中心,200125,上海;3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,201804,上海;4.同濟(jì)大學(xué)上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,201804,上海∥第一作者,高級(jí)工程師)

        有軌電車的輪軌接觸特性會(huì)引發(fā)振動(dòng)和噪聲,特別對(duì)由軌道-建筑形成的合建結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。既有研究認(rèn)為,由有軌電車運(yùn)行誘發(fā)的建筑物振動(dòng)以豎向振動(dòng)為主[1]。在鋼軌上設(shè)置減振和阻尼材料是改善有軌電車豎向振動(dòng)和噪聲的有效方式之一。采用柔性包覆材料包裹鋼軌,可使其引起的噪聲和振動(dòng)小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的軌道[2-3]。因此,有必要對(duì)小半徑、無(wú)超高線路條件下的該種鋼軌-建筑形成的合建結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化研究。

        本文結(jié)合北京冬奧會(huì)崇禮奧運(yùn)賽區(qū)太子城小鎮(zhèn)有軌電車項(xiàng)目,基于線路軌道結(jié)構(gòu)、線型和沿線結(jié)構(gòu),選擇振動(dòng)噪聲敏感地段,建立有軌電車-鋼軌及包覆材料-軌道-沿線結(jié)構(gòu)模型,對(duì)比該線路在安裝鋼軌柔性包裹材料前后的振動(dòng)噪聲情況,為有軌電車軌道減振降噪措施的設(shè)計(jì)和選型提供參考。

        1 實(shí)際工況建模

        1.1 確定振動(dòng)噪聲敏感點(diǎn)

        該線路分別穿過會(huì)展地塊和文創(chuàng)地塊,其振動(dòng)噪聲敏感點(diǎn)如圖1所示。其中:1-1截面的軌道為浮置板軌道結(jié)構(gòu),有軌電車軌行區(qū)線路位于地下一層,最小曲線半徑為40.0 m,線路距離相鄰報(bào)告廳的水平距離為16.0 m; 2-2截面為整體道床,有軌電車走行于地面一層,沿線為商鋪和餐廳,線路距離商鋪和餐廳的最小距離為17.4 m,最小曲線半徑為53.0 m。

        圖1 有軌電車沿線敏感點(diǎn)Fig.1 Sensitive locations along the tram line

        上述線路中,曲線路段的最高運(yùn)行速度為20 km/h。鋼軌為60R2槽型軌,其兩側(cè)安裝有橡膠柔性包覆材料(長(zhǎng)期使用下,橡膠材料的特性會(huì)產(chǎn)生非線性變化,這里僅考慮新建線路材料性能良好的工況),與鋼軌形成埋入式結(jié)構(gòu),如圖2所示。

        圖2 柔性包覆材料與鋼軌的關(guān)系Fig.2 Relationship between flexible covering material and rail

        1.2 構(gòu)建模型

        沿線建筑均為大型空間結(jié)構(gòu),其橫截面基本為全等截面,故采用有限元法建立有軌電車-軌道-結(jié)構(gòu)的二維模型。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)論[4],合建結(jié)構(gòu)需考慮線路兩側(cè)各兩個(gè)大廳的寬度范圍,而敞開段結(jié)構(gòu)需考慮線路兩側(cè)20.0 m范圍,以兼顧仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性及其計(jì)算效率。

        在上下行線路設(shè)置4個(gè)激勵(lì)點(diǎn),模擬有軌電車上下行均有列車并以最高運(yùn)行速度會(huì)車時(shí)的情景。激勵(lì)源為輪軌力,施加點(diǎn)為鋼軌上的輪軌接觸作用點(diǎn),并以有軌電車軸距和車速確定激勵(lì)點(diǎn)的作用位置。

        基于圖1中的振動(dòng)噪聲敏感斷面,建立有軌電車軌道合建結(jié)構(gòu)模型,如圖3所示。其中:有軌電車地下段模型由埋入式鋼軌(含包覆材料)、浮置板、基礎(chǔ)和兩側(cè)合建結(jié)構(gòu)組成;有軌電車地面段模型由埋入式鋼軌、普通軌道板和沿線整體結(jié)構(gòu)組成。包覆材料的彈性模量為3.5 MPa,泊松比為0.5。分別對(duì)鋼軌兩側(cè)設(shè)置有、無(wú)柔性包覆材料兩種工況建模(見圖4)。

        圖3 有軌電車軌道合建結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Models of tram track integrated structures

        圖4 包覆材料建模Fig.4 Covering material modeling

        1.3 輪軌激擾源

        根據(jù)有軌電車和實(shí)際線路條件建立有軌電車-軌道多體動(dòng)力學(xué)模型。其中:列車速度為通過曲線路段的最高速度,曲線半徑選取兩個(gè)路段區(qū)域中的最小曲線半徑。由于有軌電車軌道幾何不平順譜尚未形成,這里引入軌道幾何不平順功率譜密度函數(shù)進(jìn)行頻域描述。設(shè)功率譜密度函數(shù)為Sx(ω),其中ω為采樣頻率,則軌道幾何不平順可由下式進(jìn)行模擬:

        (1)

        式中:

        d——沿里程x方向的位移;

        x(d) ——軌道幾何不平順空間樣本序列;

        k——取樣點(diǎn);

        N——取樣點(diǎn)總數(shù);

        Ak——取樣點(diǎn)k處的不平順幅值;

        ωk——取樣點(diǎn)k處的采樣頻率;

        φk——取樣點(diǎn)k處的相位,這里取[0,π]上均勻分布的相互獨(dú)立變量。

        當(dāng)上、下截止頻率為ωu和ωl時(shí),對(duì)于給定的功率譜密度Sx(ω),滿足以下關(guān)系式:

        (2)

        其中:

        由此可以生成軌道沿列車運(yùn)行方向的高低不平順和左右方向偏差、左右股鋼軌水平偏差以及軌距等隨機(jī)軌道幾何不平順參數(shù)[5]。由計(jì)算獲得的輪軌力如圖5所示。將此輪軌激勵(lì)作為輸入的荷載條件,導(dǎo)入有限元模型中,計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)及噪聲情況。兩個(gè)敏感點(diǎn)的輪軌力最大值如表1所示。

        圖5 曲線外軌輪軌力Fig.5 Wheel-rail force of outer rail on curve line

        表1 敏感點(diǎn)輪軌力Tab.1 Wheel-rail force at sensitive locations

        2 結(jié)果分析

        2.1 地下段振動(dòng)噪聲

        2.1.1 振動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果

        1) 鋼軌振動(dòng)。通過計(jì)算獲得的鋼軌頭部(以下簡(jiǎn)稱“軌頭”)垂向振動(dòng)加速度級(jí)(以下簡(jiǎn)稱“垂向加速度級(jí)”)La可以表示為:

        La=20 lg(a/a0)

        (3)

        式中:

        a——加速度有效值;

        a0——基準(zhǔn)加速度,a0=1×106m/s2。

        采用式(3)計(jì)算獲得相應(yīng)的垂向加速度級(jí),地下段鋼軌和軌頭的垂向加速度級(jí)如圖6所示。由圖6可知,地下段鋼軌安裝柔性包覆材料前后,軌頭垂向加速度級(jí)最大值分別出現(xiàn)在峰值頻率為231.5 Hz和221.6 Hz處,其對(duì)應(yīng)的峰值大小分別為138.1 dB和145.5 dB,兩者相差7.4 dB,其分布規(guī)律變化不明顯,這與包裹材料的有限彈性效果有關(guān)。兩種工況下,其峰值頻率均集中在40.0~50.0 Hz以及200.0~300.0 Hz區(qū)間,并有多處峰值。

        圖6 地下段鋼軌垂向加速度級(jí)Fig.6 Rail vertical acceleration level in underground section

        2) 合建結(jié)構(gòu)振動(dòng)。進(jìn)一步提取由輪軌動(dòng)荷載引起的合建結(jié)構(gòu)振動(dòng),選取合建結(jié)構(gòu)房間地面中點(diǎn)作為振動(dòng)加速度采集點(diǎn),每個(gè)房間各取1個(gè)點(diǎn),如圖7所示。兩個(gè)建筑物的地面垂向加速度級(jí)頻譜、垂向加速度最大峰值及其對(duì)應(yīng)的頻率如圖8所示。

        圖7 地下段相鄰房間地面加速度采集點(diǎn)

        圖8 地下段鄰近建筑的地面垂向加速度級(jí)

        由圖8可知,地下段鋼軌安裝柔性包覆材料前后,合建結(jié)構(gòu)垂向加速度級(jí)在采集點(diǎn)的分布規(guī)律變化不明顯,靠近線路建筑物內(nèi)(1號(hào)點(diǎn))加速度級(jí)峰值頻率為15.0~40.0 Hz,并有多處峰值。鋼軌安裝柔性包裹材料可以降低20.0~40.0 Hz頻段的地面垂向加速度級(jí),此時(shí)地面垂向加速度級(jí)最大值在峰值頻率22.0 Hz處約為51.5 dB,相比于無(wú)柔性包裹材料時(shí),浮置板加速度級(jí)最大值在峰值頻率24.0 Hz處約為52.4 dB,峰值降低約0.9 dB。遠(yuǎn)離線路建筑物內(nèi)(2號(hào)點(diǎn))加速度級(jí)峰值頻率也主要集中在15.0~40.0 Hz低頻區(qū)間,并有多處峰值,在有、無(wú)柔性包裹材料情況下,鋼軌地面垂向加速度級(jí)最大值出現(xiàn)在峰值頻率22.9 Hz處,分別約為43.5 dB和45.5 dB,峰值降低約2.0 dB。

        根據(jù)GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》,混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)晝間垂向加速度級(jí)限值要求為75.0 dB,采用鋼軌包覆材料后,兩側(cè)建筑物內(nèi)垂向加速度級(jí)最大值為51.5 dB,符合要求。

        由此可見,合建結(jié)構(gòu)地面垂向加速度級(jí)隨結(jié)構(gòu)與振動(dòng)源的距離增大而減小,振動(dòng)頻域分布在15.0~40.0 Hz;本線路條件下,鋼軌安裝柔性材料可以在一定程度上減小傳播至合建結(jié)構(gòu)的垂向加速度級(jí)(0.9~2.0 dB),主要集中在20.0~40.0 Hz頻段。

        2.1.2 噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果

        1) 乘客站立位置噪聲??紤]有軌電車沿線旁有乘客,其站立位置及高度作為噪聲敏感點(diǎn),即距離聲源水平距離為2.5 m、垂向距離為1.6 m位置作為噪聲數(shù)據(jù)采集點(diǎn),如圖9所示。

        圖9 地下段沿線噪聲采集點(diǎn)和噪聲分布

        提取噪聲采集點(diǎn)位置的聲壓變化時(shí)程數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為1/3倍頻程并進(jìn)行A計(jì)權(quán)修正,可以獲得各工況下該點(diǎn)的SPL(聲壓級(jí))分布,如圖10所示。

        圖10 曲線沿線噪聲采集點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)

        由圖10可知,地下段鋼軌安裝柔性包覆材料前后,輪軌噪聲在乘客站立的噪聲敏感位置分布規(guī)律不明顯,主要峰值在1/3倍頻程的100.0~125.0 Hz頻段。本文線路條件下,安裝柔性包覆材料可以降低75.0~150.0 Hz頻段的噪聲,曲線外側(cè)和內(nèi)側(cè)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)峰值分別較無(wú)柔性包裹材料時(shí)減小3.5 dB(A)和9.2 dB(A)。

        根據(jù)GB/T 14227—2006《城市軌道交通車站站臺(tái)聲學(xué)要求和測(cè)量方法》,限制等級(jí)為一級(jí)時(shí),其限值為80.0 dB(A),采用鋼軌包覆材料后,該位置最大噪聲為60.4 dB(A),符合限值要求。

        2) 合建結(jié)構(gòu)內(nèi)噪聲。根據(jù)JGJ/T 170—2009《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)》,合建結(jié)構(gòu)中聲壓采集點(diǎn)為每個(gè)房間中部,距離各自地面距離為1.2 m,如圖11所示。所獲得的各工況下合建結(jié)構(gòu)內(nèi)的噪聲分布如圖12所示。

        圖11 合建結(jié)構(gòu)內(nèi)噪聲采集點(diǎn)Fig.11 Noise sampling locations in the integrated structures

        圖12 鄰近線路建筑物內(nèi)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)Fig.12 A-weighted SPL in the buildings adjacent to the line

        由圖12可知,本文線路條件下,地下段鋼軌安裝柔性包覆材料前后,輪軌噪聲在建筑物內(nèi)聲壓采集點(diǎn)的分布規(guī)律未見明顯區(qū)別,主要峰值在1/3倍頻程的25.0~31.5 Hz。有柔性包覆材料時(shí),1號(hào)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)峰值較無(wú)柔性包覆材料時(shí)的最大值降低約0.6 dB(A);2號(hào)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)峰值最大值較無(wú)柔性包覆材料時(shí)的峰值最大值增加約0.6 dB(A)。

        根據(jù)GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,2類區(qū)(混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū))晝間限值要求為60.0 dB(A),采用鋼軌包覆材料后,兩側(cè)建筑物內(nèi)噪聲最大值為37.7 dB(A),符合規(guī)范要求。

        綜上所述,A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)隨結(jié)構(gòu)與振動(dòng)源的距離增大而減小,噪聲頻域分布規(guī)律變化不明顯。本文線路條件下,鋼軌安裝柔性包覆材料可以在一定程度上降低輪軌噪聲傳播(降低值小于1.0 dB),主要降低150.0 Hz以下及300.0 Hz以上頻段的噪聲。

        2.2 地面段振動(dòng)噪聲

        2.2.1 振動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果

        1) 鋼軌振動(dòng)。鋼軌垂向振動(dòng)加速度頻譜、垂向加速度級(jí)的最大峰值及其對(duì)應(yīng)的頻率如圖13所示。

        圖13 地面段軌頭垂向加速度級(jí)Fig.13 Vertical acceleration level of rail head in ground section

        由圖13可知,地面段鋼軌安裝柔性包覆材料前后,軌頭垂向加速度級(jí)分布規(guī)律變化不明顯。有、無(wú)柔性包覆材料情況下,軌頭垂向加速度級(jí)的最大值分別出現(xiàn)在峰值頻率為233.5 Hz和201.6 Hz處,分別為136.8 dB和 144.4 dB,相差7.6 dB,兩種工況下的峰值頻率均集中在40.0~60.0 Hz和150.0~250.0 Hz區(qū)間,并有多處峰值。

        2) 沿線地面振動(dòng)。選取距離有軌電車振動(dòng)源橫向水平距離分別為5.0 m和10.0 m的兩個(gè)點(diǎn),作為振動(dòng)加速度采集點(diǎn),如圖14所示。

        圖14 地面段的地面加速度采集點(diǎn)

        由圖15的地面段沿線橫向一定距離的地面垂向加速度級(jí)可知,地面段鋼軌安裝柔性包覆材料前后,有軌電車沿線地面的垂向加速度級(jí)分布規(guī)律未見明顯區(qū)別。距離振動(dòng)源5.0 m的地面垂向加速度級(jí)峰值頻率在14.0~80.0 Hz頻段,并有多處峰值。有柔性包覆材料情況下,距離振動(dòng)源5.0 m的地面垂向加速度級(jí)的最大值為57.9 dB;無(wú)柔性包覆材料情況下,該位置地面垂向加速度級(jí)的最大值為59.4 dB,兩者峰值相差1.5 dB。距離振動(dòng)源10.0 m的地面垂向加速度級(jí)峰值頻率也在14.0~80.0 Hz低頻區(qū)間,并有多處峰值。有柔性包覆材料情況下,地面垂向加速度級(jí)的最大值為46.2 dB;無(wú)柔性包裹材料情況下,浮置板垂向加速度級(jí)的最大值為50.0 dB,兩者峰值相差3.8 dB。

        圖15 地面段沿線橫向一定距離的地面垂向加速度級(jí)

        根據(jù)GB 10070—1988《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》,混合區(qū)、商業(yè)中心區(qū)晝間振動(dòng)加速度級(jí)限值要求為75.0 dB,鋼軌有柔性包覆材料情況下,線路兩側(cè)地面加速度級(jí)的最大值為59.4 dB,符合要求。

        2.2.2 噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果

        考慮乘客站立位置作為噪聲敏感點(diǎn),即距離聲源水平距離分別為2.5 m和5.0 m、垂向高度為1.6 m位置,作為噪聲數(shù)據(jù)采集點(diǎn),如圖16所示。

        分別提取采集點(diǎn)位置(見圖16)的聲壓變化時(shí)程數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為1/3倍頻程并進(jìn)行A計(jì)權(quán)修正,可以獲得各工況下采集點(diǎn)的噪聲分布,如圖17所示。

        圖16 地面段噪聲采集點(diǎn)和噪聲分布

        圖17 噪聲采集點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)Fig.17 A-weighted SPL at noise sampling locations

        由圖17可知,地面段鋼軌安裝柔性包覆材料前后,輪軌噪聲在乘客站立的噪聲敏感位置的分布規(guī)律無(wú)明顯變化,主要峰值在1/3倍頻程的80.0~125.0 Hz,隨著與振動(dòng)源距離的增大而減小;有柔性包裹材料時(shí),與振動(dòng)源水平距離2.5 m采樣點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)峰值較無(wú)柔性包覆材料時(shí)減小5.8 dB(A),水平距離5.0 m采樣點(diǎn)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)峰值較無(wú)柔性包覆材料時(shí)減小2.0 dB(A)。

        根據(jù)GB/T 14227—2006《城市軌道交通車站站臺(tái)聲學(xué)要求和測(cè)量方法》要求,一級(jí)噪聲限值為80.0 dB(A),該位置最大噪聲為53.3 dB(A),符合限值要求。

        4 結(jié)語(yǔ)

        1) 地下小半徑線路條件下,鋼軌安裝柔性包覆材料時(shí),鋼軌垂向加速度級(jí)降低約7.4 dB,對(duì)軌道板和合建結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分布規(guī)律影響較小,傳播至合建結(jié)構(gòu)的垂向振動(dòng)加速度級(jí)降低約0.9~2.0 dB,主要集中在15.0~40.0 Hz頻段;減小曲線內(nèi)外側(cè)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)峰值約3.5~9.2 dB(A);對(duì)合建結(jié)構(gòu)的噪聲降低小于1.0 dB(A)。

        2) 地面小半徑線路條件下,鋼軌安裝柔性包覆材料時(shí),鋼軌垂向加速度級(jí)降低約7.6 dB,傳播至沿線整體結(jié)構(gòu)的垂向加速度級(jí)減小約1.5~3.8 dB,主要集中在14.0~18.0 Hz頻段;降低沿線噪聲峰值約2.0~5.8 dB(A)。

        3) 安裝鋼軌柔性包覆材料前后,該線路振動(dòng)噪聲敏感點(diǎn)的垂向加速度級(jí)和聲壓級(jí)均符合規(guī)范限值要求。

        本文研究?jī)H限于包覆材料的性能參數(shù),僅分析了新建線路中包覆材料良好情況下的有軌電車線路及其沿線結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲特征。后續(xù)研究將對(duì)相應(yīng)包裹材料和振動(dòng)特性進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)和實(shí)測(cè),進(jìn)而完善鋼軌柔性包覆材料的效果評(píng)價(jià),以進(jìn)一步指導(dǎo)相關(guān)有軌電車線路的養(yǎng)護(hù)維修。

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