賀利工，劉文武，羅信偉，陳艷明，鐘貞浪，徐浩能

（1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；2.華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測(cè)與保障國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013）

1 研究背景及概況

車輛段作為地鐵運(yùn)營(yíng)的保障基地，承擔(dān)了車輛檢修、車輛運(yùn)用和全線設(shè)備設(shè)施綜合維修和保養(yǎng)任務(wù)[1]，其占地面積廣大且擁有同等面積的上蓋平臺(tái)，為了使車輛段上蓋廣闊平臺(tái)得到合理利用，國(guó)內(nèi)在北京、廣州、深圳等大城市均著手車輛段上蓋物業(yè)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地鐵運(yùn)行引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了一系列的研究[2-6]。Anderson[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)列車運(yùn)行引起的振動(dòng)會(huì)與周邊建筑物產(chǎn)生共振且共振頻率范圍在0～10 Hz 之間。Zou 等[8-9]分別實(shí)測(cè)了廣州和深圳某車輛段，并分析了振動(dòng)從車輛段周圍地面?zhèn)髦粮浇ㄖ膫鞑ヒ?guī)律，結(jié)果表明，50 Hz 以上的振動(dòng)響應(yīng)衰減率大于50 Hz 以下的振動(dòng)響應(yīng)衰減率。謝偉平[10-11]，馮青松[12]等對(duì)列車運(yùn)行引起車輛段振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)并建立車輛段上蓋物業(yè)精細(xì)化有限元模型，以此模擬出列車運(yùn)行時(shí)上蓋物業(yè)的振動(dòng)響應(yīng)。劉文武[13]等實(shí)測(cè)分析了列車出入庫(kù)蓋板的振動(dòng)規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

目前的研究大多針對(duì)單層車輛段內(nèi)列車運(yùn)行時(shí)附近建筑物或其上蓋建筑物的振動(dòng)分析，雙層地鐵車輛段作為一種新式結(jié)構(gòu)，其振動(dòng)傳遞路徑的復(fù)雜性明顯不同于單層車輛段，且目前對(duì)于列車運(yùn)行引起的雙層車輛段及其上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)的研究較少。本文通過(guò)對(duì)某典型雙層車輛基地的運(yùn)用庫(kù)源強(qiáng)及蓋板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，選取信噪比良好的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析運(yùn)用庫(kù)的源強(qiáng)振動(dòng)特性和振動(dòng)傳播規(guī)律，研究結(jié)果可供雙層車輛段的減振設(shè)計(jì)參考。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

測(cè)試地點(diǎn)為某地鐵典型雙層車輛基地的運(yùn)用庫(kù)，測(cè)試內(nèi)容包括采集運(yùn)用庫(kù)（一層L17 股道，軌道形式為普通軌道，二層L3 股道，軌道形式為減振軌道）和運(yùn)用庫(kù)上方蓋板在列車通過(guò)時(shí)垂向振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。測(cè)試列車為6 節(jié)編組B 型車，測(cè)試列車運(yùn)行時(shí)速為10 km/h，且每種工況均為一列車單獨(dú)行駛，無(wú)其他干擾因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，運(yùn)用庫(kù)一層測(cè)點(diǎn)布置在L17 股道的道床和最鄰近軌道的框架柱子上，運(yùn)用庫(kù)二層測(cè)點(diǎn)分別布置在L3 道床和最鄰近L3 股道的框架柱子上。運(yùn)用庫(kù)上方蓋板為振動(dòng)敏感區(qū)域，分別在運(yùn)用庫(kù)軌道上方蓋板布置了4 個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)D1～D4。運(yùn)用庫(kù)剖面及蓋板測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖1 所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring points

本次測(cè)試所采用的數(shù)據(jù)采集儀包括NI CRIO-9031 和SQuadriga Ⅲ測(cè)試系統(tǒng)。其中NI CRIO-9031用于車輛段運(yùn)用庫(kù)內(nèi)振動(dòng)源強(qiáng)測(cè)試，并采用觸發(fā)采樣裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)；SQuadriga Ⅲ用于車輛段上方蓋板振動(dòng)測(cè)試。道床和柱子振動(dòng)數(shù)據(jù)采集選用393B04 加速度傳感器；上方蓋板振動(dòng)數(shù)據(jù)選用941B 振動(dòng)傳感器采集。

3 運(yùn)用庫(kù)振動(dòng)源強(qiáng)特性分析

本次測(cè)試共收集到上下兩層有效行車數(shù)據(jù)各10 組，圖2 和圖3 分別給出了運(yùn)用庫(kù)一、二層源強(qiáng)測(cè)點(diǎn)的典型垂向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線和頻譜圖。由圖2 可知，一層道床和柱子的垂向加速度時(shí)程峰值分別約為1.75 m/s2和0.26 m/s2；一層道床垂向振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻段范圍為60～120 Hz，振動(dòng)峰值頻率出現(xiàn)在87.8 Hz 處，柱子的振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻段范圍為60～100 Hz，振動(dòng)峰值頻率為76.3 Hz。

圖2 一層股道源強(qiáng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)Fig.2 Vibration response of the first-floor strand source strength measuring point

圖3 二層股道源強(qiáng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)Fig.3 Vibration response of the second-floor strand source strength measuring point

由圖3 可知，二層道床和柱子的加速度峰值均大于一層，分別約為1.65 m/s2和0.27 m/s2，二層道床垂向振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻段范圍在30～100 Hz 內(nèi)，振動(dòng)峰值頻率出現(xiàn)在49.6 Hz 處，柱子的振動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻段范圍在30～60 Hz 內(nèi)，振動(dòng)峰值頻率出現(xiàn)在50.8 Hz 處。

綜上，一層道床和柱子振動(dòng)峰值頻率均大于二層道床和柱子。從鋼軌處分析其原因，圖4 為上下兩層鋼軌測(cè)點(diǎn)頻譜圖，從中可知，一層鋼軌在100 Hz處有明顯的峰值振動(dòng)，二層鋼軌振動(dòng)峰值也在50 Hz處，推測(cè)在該頻段處鋼軌結(jié)構(gòu)模態(tài)被激發(fā)。此外二層鋼軌在160 Hz 處還存在峰值，但傳至其他結(jié)構(gòu)處未見(jiàn)峰值，可能是二層為大跨度混凝土結(jié)構(gòu)，剛度較小，振動(dòng)高頻能量衰減更快，且二層為減振軌道，鋼軌上的振動(dòng)能量在流經(jīng)減振扣件時(shí)高頻能量也有所衰減。

圖4 鋼軌測(cè)點(diǎn)1/3 倍頻譜Fig.4 1/3 octave spectrum of rail measuring points

源強(qiáng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)有效數(shù)據(jù)平均值如表1 所示。由表1 可知，一、二層柱子的特征頻帶寬度均小于道床，頻帶寬度的減小主要因?yàn)檎駝?dòng)傳遞過(guò)程中高頻成分衰減過(guò)快。一層道床垂向加速度峰值和振動(dòng)加速度級(jí)均大于二層，而一層柱子垂向加速度峰值和振動(dòng)加速度級(jí)均小于二層。這主要是因?yàn)檫\(yùn)用庫(kù)一層軌道位于地下基礎(chǔ)之上，而二層軌道直接位于混凝土板上，一層道床的支承剛度大于二層，且一層道床振動(dòng)的高頻部分會(huì)被基礎(chǔ)土層吸收一部分，從而導(dǎo)致從道床傳至柱子的過(guò)程中，一層振動(dòng)衰減量大于二層。

表1 源強(qiáng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)Tab.1 Vibration response of source intensity measuring point

圖5 為運(yùn)用庫(kù)振源測(cè)點(diǎn)三分之一倍頻程圖，由圖5 可知：一、二層道床和柱子振動(dòng)加速度級(jí)隨1/3倍頻變化的趨勢(shì)基本一致, 一層道床和柱子的加速度級(jí)在5～80 Hz 頻段內(nèi)逐漸增加，峰值頻率在80 Hz附近，在80～200 Hz 頻段內(nèi)逐漸下降；二層道床和柱子的加速度級(jí)在50 Hz 處達(dá)到峰值。除了12.5～63 Hz 頻段外，一層道床和柱子振動(dòng)加速度級(jí)分別大于二層道床和柱子，結(jié)果和頻域圖中反映的規(guī)律相近。

圖5 源強(qiáng)測(cè)點(diǎn)1/3 倍頻程圖Fig.5 1/3 octave spectrum of source intensity measuring point

為了更直觀地展現(xiàn)振動(dòng)從道床至柱子的傳遞損失，采用分頻段傳遞損失比來(lái)分析其衰減情況，分頻段傳遞損失比可定義為

式中：ηi為軌枕-柱子第i 個(gè)1/3 倍頻段的傳遞損失比；Ti為軌枕第i 個(gè)1/3 倍頻段振動(dòng)加速度級(jí)；Bi為柱子第i 個(gè)1/3 倍頻段振動(dòng)加速度級(jí)。

圖6 所示為一、二層道床-柱子分頻段傳遞損失比。由圖6 可知，一層道床-柱子振動(dòng)傳遞損失比最大為0.60，而二層振動(dòng)傳遞損失比最大為0.34；一層道床-柱子振動(dòng)傳遞損失比隨1/3 倍頻程中心頻率變化總體呈減小趨勢(shì)，振動(dòng)傳遞損失比在1～6 Hz低頻內(nèi)均大于二層，在6.3～200 Hz 頻段內(nèi)，一、二層道床-柱子分頻段傳遞損失比量值相當(dāng)，綜上可解釋雖然一層道床的Z 振級(jí)大于二層，但由于道床振動(dòng)傳遞到柱子的過(guò)程中土體吸收了振動(dòng)中較多的低頻能量，使得一層的低頻振動(dòng)衰減更大，從而使得一層柱子的Z 振級(jí)小于二層柱子。

圖6 道床-柱子分頻段傳遞損失比Fig.6 Transfer loss ratio of ballast-column frequency division

4 振動(dòng)傳播規(guī)律

4.1 蓋板振動(dòng)分析

為分析運(yùn)用庫(kù)一、二層行車誘發(fā)蓋板的振動(dòng)規(guī)律，分別測(cè)試記錄列車通過(guò)一層L17 股道和二層L1、L3 股道時(shí)蓋板測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，表2 為運(yùn)用庫(kù)列車誘發(fā)蓋板測(cè)點(diǎn)Z 振級(jí)統(tǒng)計(jì)表。

表2 運(yùn)用庫(kù)列車誘發(fā)蓋板最大Z 振級(jí)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of maximum Z vibration level of cover plate caused by the train operation

由表2 可知，列車在運(yùn)用庫(kù)二層行車比一層行車引起上方蓋板的振動(dòng)響應(yīng)大，兩者相差約8～14 dB；列車在運(yùn)用庫(kù)二層或一層行車引起蓋板板中的振動(dòng)響應(yīng)都大于蓋板端部（D2/D3 大于D1/D4），其原因可能是蓋板端部受梁的約束較大，車輛段蓋板的振動(dòng)評(píng)價(jià)應(yīng)選取板中的振動(dòng)響應(yīng)。

圖7 和圖8 為運(yùn)用庫(kù)一、二層行車誘發(fā)蓋板各測(cè)點(diǎn)垂向1/3 倍頻譜。可知：各測(cè)點(diǎn)各分頻振級(jí)變化趨勢(shì)相似，蓋板振動(dòng)的卓越頻率主要集中在25～80 Hz。在4 Hz 低頻范圍內(nèi)，蓋板各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)變化趨勢(shì)基本一致，靠近板中的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)大于蓋板端部測(cè)點(diǎn)。

圖7 一層行車蓋板各測(cè)點(diǎn)1/3 倍頻譜Fig.7 1/3 octave spectrum of each measuring point of the cover plate when driving on the the first floor

圖8 二層行車蓋板各測(cè)點(diǎn)1/3 倍頻譜Fig.8 1/3 octave spectrum of each measuring point of the cover plate when driving on the the second floor

4.2 振動(dòng)傳遞分析

為進(jìn)一步分析運(yùn)用庫(kù)振動(dòng)的傳播衰減規(guī)律，分別計(jì)算同一豎直斷面一、二層道床、柱子和蓋板的Z振級(jí)平均值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 運(yùn)用庫(kù)列車各測(cè)點(diǎn)Z 振級(jí)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 statistical table of Z vibration level of each measuring point of trains in operation zone

由表3 可知：當(dāng)列車在一、二層行車時(shí)，振動(dòng)由道床-柱子-蓋板的傳遞方向逐漸衰減。一層行車時(shí)，振動(dòng)從道床傳至柱子時(shí)Z 振級(jí)減小了19.67 dB，從柱子傳至蓋板時(shí)，Z 振級(jí)減小了5.3 dB；二層行車時(shí)，振動(dòng)波由道床傳至柱子時(shí)Z 振級(jí)減小了19.54 dB，由柱子傳至蓋板時(shí)Z 振級(jí)減小了1.35 dB。綜上，運(yùn)用庫(kù)二層行車誘發(fā)的蓋板振動(dòng)大于一層行車。

圖9 和圖10 分為車輛段一、二層各測(cè)點(diǎn)及蓋板的1/3 倍頻譜?？芍?，當(dāng)列車在一層行車時(shí)，振動(dòng)由道床傳遞至柱子時(shí)各分頻振級(jí)均出現(xiàn)衰減，由柱子傳至蓋板時(shí)在1～10 Hz 和50～200 Hz 均出現(xiàn)較大的衰減。當(dāng)列車在二層行車時(shí)，振動(dòng)由道床傳至柱子時(shí)各分頻振級(jí)均出現(xiàn)衰減，由柱子傳至蓋板時(shí)在1～6.3 Hz 和50～200 Hz 頻段內(nèi)振動(dòng)衰減量較一層行車時(shí)的衰減量少，從振動(dòng)傳遞路徑可以看出：一層行車產(chǎn)生的振動(dòng)波除了經(jīng)過(guò)土體衰減外還要經(jīng)過(guò)豎向兩根車輛段柱子，傳遞路徑和復(fù)雜程度遠(yuǎn)大于二層行車。另外，不論是一層行車還是二層行車，在10～30 Hz 以內(nèi)，蓋板的振動(dòng)加速度級(jí)均大于柱子，這主要是蓋板材料在其固有頻率處出現(xiàn)了共振現(xiàn)象而引起的增大。

圖9 一層行車各測(cè)點(diǎn)1/3 倍頻譜Fig.9 1/3 octave spectrum of each measuring point when driving on the the first floor

圖10 二層行車各測(cè)點(diǎn)1/3 倍頻譜Fig.10 1/3 octave spectrum of each measuring point when driving on the the second floor

5 結(jié)論

1）列車分別通過(guò)一層和二層時(shí)各道床和柱子的振動(dòng)響應(yīng)相差不大，但一層道床-柱子的振動(dòng)衰減相對(duì)二層較大；一層道床和柱子加速度級(jí)峰值頻率在80 Hz 附近，二層道床和柱子的峰值頻率在50 Hz 附近。

2）運(yùn)用庫(kù)行車誘發(fā)蓋板振動(dòng)的卓越頻率主要集中在25～80 Hz。在低頻范圍內(nèi)，蓋板各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)變化趨勢(shì)基本一致，靠近板中的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)大于蓋板端部測(cè)點(diǎn)，車輛段運(yùn)用庫(kù)蓋板的振動(dòng)評(píng)價(jià)應(yīng)選取板中的振動(dòng)響應(yīng)。

3）列車在運(yùn)用庫(kù)二層行車比一層行車引起上方蓋板的振動(dòng)響應(yīng)大，若進(jìn)行上蓋開(kāi)發(fā)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮對(duì)運(yùn)用庫(kù)二層進(jìn)行減振設(shè)計(jì)。

4）無(wú)論是一層行車還是二層行車，振動(dòng)由道床傳至柱子時(shí)全頻段均在衰減，且振動(dòng)能量中的低頻部分容易引起蓋板的共振。