劉冀釗，姜博龍

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司城市軌道交通數(shù)字化建設(shè)與測評技術(shù)國家工程研究中心,天津 300308)

引言

近年來,隨著城市軌道交通大規(guī)模建設(shè)和開通運營,供車輛停放、檢修和整備的車輛段也不斷增多,截至2020年年底,僅北京就達(dá)50座。土地資源緊張、人口高度密集的特大城市修建地鐵車輛段,如果能夠利用車輛段上部空間開展綜合開發(fā),尤其是進(jìn)行住宅項目,不僅能大大提高城市土地利用率、涵養(yǎng)客流,還能獲取豐厚的投資回報、反哺軌道交通建設(shè)。但是,由于車輛段軌道形式復(fù)雜、鋼軌接頭多、行車狀態(tài)富于變化、敏感點到振源距離近,導(dǎo)致列車進(jìn)出車輛段時振動噪聲問題顯著,頻現(xiàn)噪聲振動投訴事件。噪聲振動問題已成為制約車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)的關(guān)鍵性因素之一。

目前,針對車輛段及上蓋物業(yè)的振動研究主要集中在振動傳播規(guī)律分析以及上蓋建筑振動預(yù)測等方面,且以國內(nèi)研究為主。鄒超等[1]對廣州某車輛段開展現(xiàn)場測試試驗,獲得了咽喉區(qū)振動在時、頻域內(nèi)的傳播衰減規(guī)律,傳導(dǎo)到鄰近建筑的主要頻段為4～60 Hz,并對比直線和曲線段的差異;馮青松等[2]也通過廣州某車輛段現(xiàn)場測試,研究車輛段庫內(nèi)、試車線以及咽喉區(qū)等不同區(qū)域振動特征以及引起的環(huán)境振動水平。鄔玉斌等[3]通過對北京某車輛段現(xiàn)場測試驗證其仿真預(yù)測模型,利用預(yù)測模型對上蓋建筑中振動傳播衰減規(guī)律進(jìn)行分析。劉瑋等[4]介紹北京新機場線車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)軌道減振降噪設(shè)計,包括咽喉區(qū)小半徑地段阻尼鋼軌、減振碎石道床、庫內(nèi)無縫線路與減振扣件等。但是對于上述措施對上蓋建筑的具體控制效果未見報道。王一干等[5]在北京某車輛段對各類減振墊浮置板軌道減振效果開展測試研究,獲得不同材料和鋪設(shè)方式對減振效果的影響。此外,還有部分減隔振措施聚焦于路徑隔振[6-7]以及建筑減隔振[8-9]。

從上述代表性研究工作和成果可以看出,目前現(xiàn)有的軌道減振措施眾多[10-13],對地鐵正線、車輛段庫內(nèi)及上蓋平臺的振動控制實測效果[14-17]較為明確。但由于上蓋建筑開發(fā)起步較晚,且缺乏相關(guān)減振軌道改造案例及其對上蓋建筑振動控制效果的報道,使得車輛段的減振軌道設(shè)計缺乏科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。因此,針對浮軌扣件減振措施的減振機理和車輛段上蓋建筑控制效果,依托某地鐵車輛段運用庫及其上蓋平臺,開展振動測試試驗,并基于該車輛段建立“軌道-地層-車輛段運用庫-上蓋平臺”耦合模型,利用獲得的實測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證與校核,在此基礎(chǔ)上拓展建立“軌道-地層-車輛段運用庫-上蓋平臺-上蓋建筑”耦合模型,并輸入普通扣件和浮軌減振扣件條件下的激勵荷載。通過求解上蓋建筑內(nèi)振動插入損失來獲取浮軌扣件對車輛段上蓋建筑振動的控制效果,以期為地鐵車輛段減振扣件設(shè)計選型提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 現(xiàn)場測試

研究依托的車輛段建有上蓋平臺,但尚未完成上蓋建筑開發(fā),目前已投入使用。其中,軌道做了改造預(yù)留。以浮軌扣件減振措施為研究對象,研究采用該扣件對上蓋建筑的振動控制機制與效果。為掌握該車輛段上蓋平臺振動響應(yīng)水平及頻率分布,針對該車輛段運用庫開展現(xiàn)場振動測試,測試傳感器布置情況如圖1所示。測試過程中,列車進(jìn)出庫的行車速度較低,大約為5 km/h。測試得到鄰近柱子和上蓋平臺表面的振動加速度響應(yīng),如圖2所示。從圖2中可以看出,柱子和上蓋平臺振動加速度響應(yīng)的顯著頻段在25 Hz以后。

圖1 現(xiàn)場傳感器布置情況

圖2 柱子及上蓋平臺典型振動時程與1/3倍頻程

2 浮軌扣件減振原理

浮軌扣件主要由橡膠楔塊、側(cè)擋板、鑄鐵鎖緊楔塊、扣入型擋肩、底板和錨固螺栓組成,其中,橡膠楔塊是扣件系統(tǒng)減振的核心部件。浮軌扣件一般可分為嵌入型結(jié)構(gòu)和底板型結(jié)構(gòu),既有線路改造通常采用底板型結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 底板型浮軌扣件

影響減振措施減振性能的主要因素包括減振目標(biāo)的質(zhì)量、減振系統(tǒng)的阻尼以及支承剛度等。利用扣件減振主要是通過采用降低軌下支承剛度來控制振動由軌道向軌下基礎(chǔ)傳遞。系統(tǒng)固有頻率為

(1)

式中,K為減振系統(tǒng)的支承剛度;M為參振質(zhì)量。

3 車輛段上蓋仿真預(yù)測模型

被測試車輛段目前已建設(shè)上蓋平臺、尚未完成建筑開發(fā)。因此,采用MIDAS/GTS NX進(jìn)行仿真預(yù)測建模,模擬振動在“軌道-地層-運用庫-上蓋平臺-上蓋建筑”等多系統(tǒng)中的傳播衰減,并采用數(shù)定荷載模型求解普通扣件和浮軌扣件下的輪軌激勵,輸入到模型中研究浮軌扣件控制上蓋建筑振動的機制與效果。模型采用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)校核,以保證模型預(yù)測的正確性和準(zhǔn)確性。圖4給出根據(jù)測試車輛段實際情況建立的“軌道-地層-運用庫-上蓋平臺”模型以及以此為基礎(chǔ)拓展建立“軌道-地層-運用庫-上蓋平臺-上蓋建筑”模型。模型采用實體單元模擬地層,利用板單元模擬上蓋平臺和建筑樓板,梁單元模擬平臺與上蓋建筑的梁和柱。模型尺寸為150 m(長)×140 m(寬),采用的材料參數(shù)見表1。建筑房間平面布置如圖5所示,共設(shè)有12層,每層13個房間。有限元模型節(jié)點數(shù)為38.9萬個,單元數(shù)為69.7萬個,為消除模擬半無限空間時有限元截斷邊界所帶來的波動反射影響,模型采用人工粘彈性吸收邊界,阻尼模擬采用瑞利阻尼。

表1 有限元模型材料參數(shù)

圖4 有限元模型

圖5 簡化計算模型中建筑房間分布示意

向模型中輸入的荷載采用數(shù)定方法[18]計算,計算過程中可將列車簡化為二系彈簧質(zhì)量系統(tǒng),這主要是因為研究地鐵環(huán)境振動問題時,列車影響以豎向振動為主,側(cè)滾振動、橫向振動及縱向振動可忽略,因此,貢獻(xiàn)低頻振動的簧上質(zhì)量和貢獻(xiàn)中頻振動的簧下質(zhì)量是模擬列車振動荷載時考慮的主要因素。簡化模型如圖6所示。

圖6 豎向振動簡化模型

根據(jù)圖6可得輪軌間的相互作用力為

(2)

式中,m1、m2、m3分別為質(zhì)量體質(zhì)量;z0、z1、z2、z3分別為質(zhì)量體絕對位移;質(zhì)量體間相對位移u1=z1-z0,u2=z2-z1,u3=z3-z2,而沿縱向均勻分布的列車線荷載可按下式計算

F(t)=K·n·M·P(t)/L

(3)

式中,K為修正系數(shù),一般取1;n為每節(jié)車廂的轉(zhuǎn)向架數(shù);M為列車車廂數(shù);L為列車長度。

列車荷載計算采用地鐵6節(jié)編組的B型車,n=2;M=6;L=117.2 m。測試車輛段現(xiàn)行采用的扣件為DTVI2扣件,研究的減振扣件為浮軌扣件。荷載計算采用的物理力學(xué)參數(shù)[19],如表2所示。

表2 荷載計算采用的物理力學(xué)參數(shù)

將普通扣件荷載輸入到上蓋模型,并進(jìn)行振動響應(yīng)分析。對比無上蓋建筑工況下的仿真計算結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果,如圖7所示。結(jié)果吻合良好,可進(jìn)一步開展浮軌扣件減振效果研究。浮軌扣件反力計算思路是采用輪軌耦合模型[19]計算與實測車輛段列車車速相同條件下的浮軌扣件反力以及DTVI2扣件反力時程與頻譜,計算不同頻率下的比例系數(shù),將該比例系數(shù)乘到車輛段實測數(shù)據(jù)計算得到的數(shù)定荷載頻譜上,再進(jìn)行傅里葉逆變換獲得浮軌扣件下的荷載時程。圖8和圖9分別給出了計算得到的普通扣件列車荷載以及浮軌扣件列車荷載時程和頻譜。

圖7 運用庫立柱振動響應(yīng)實測與仿真對比

圖8 普通扣件列車荷載

圖9 浮軌扣件列車荷載

4 浮軌扣件控制上蓋建筑效果研究

對此車輛段上蓋建筑的各樓層、各房間樓板中心豎向振動進(jìn)行分析,計算分頻振級、分頻最大振級以及最大Z振級等評價指標(biāo),其中,分頻振級以及分頻最大振級對標(biāo)的限值均取自JGJ/T170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)》,最大Z振級對標(biāo)的限值均取自GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》。圖10給出了部分超標(biāo)房間在采用浮軌扣件前后分頻振級對比,圖11給出了部分代表性超標(biāo)房間在采用浮軌扣件前后插入損失,圖12給出了部分代表性超標(biāo)房間在采用浮軌扣件前后最大Z振級對比,圖13給出了采用浮軌扣件后各房間最大Z振級和分頻最大振級的達(dá)標(biāo)情況。

圖10 代表性超標(biāo)房間采用浮軌扣件前后振級對比

圖12 代表性超標(biāo)房間采用浮軌扣件前后最大Z振級

圖13 采用浮軌扣件后各房間振動達(dá)標(biāo)情況

由圖10可知,浮軌扣件在車輛段運用庫上蓋平臺振動顯著頻率31.5 Hz處減振效果不明顯,未能將振動控制在限值以內(nèi)。這主要是因為浮軌扣件在31.5 Hz以后方呈現(xiàn)較為穩(wěn)定且顯著的減振效果,這從圖11的插入損失中可以看出。同時,也可從文獻(xiàn)[20]相關(guān)測試成果中得到印證。從圖11還可看出,采用浮軌減振扣件后,31.5 Hz以后振動顯著衰減,且在63 Hz時插入損失達(dá)到最大,最大可達(dá)到15 dB的衰減效果。由圖12可知,采用浮軌減振扣件后,建筑樓板振動響應(yīng)的最大Z振級普遍減小2～5 dB。由圖13可知,采用浮軌減振扣件后僅個別房間超過夜間限值標(biāo)準(zhǔn),極個別房間超過晝間限值標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

針對某地鐵車輛段運用庫及其上蓋平臺開展振動測試和仿真預(yù)測模型建立,利用獲得的實測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證和校核,在此基礎(chǔ)上拓展建立帶有上蓋建筑的多系統(tǒng)耦合模型,研究浮軌扣件對車輛段上蓋建筑振動的控制效果。研究成果可為控制地鐵車輛段及上蓋建筑振動的減振軌道選型與設(shè)計提供參考和依據(jù)。研究結(jié)論如下。

(1)浮軌扣件在車輛段運用庫上蓋平臺振動顯著頻率31.5 Hz處減振效果不明顯,未能將振動控制到限值以內(nèi),這主要是因為浮軌扣件在31.5 Hz以后方呈現(xiàn)出較穩(wěn)定且顯著的減振效果。

(2)浮軌減振扣件在63 Hz時插入損失達(dá)到最大,可使建筑樓板產(chǎn)生15 dB的衰減效果。

(3)采用浮軌減振扣件后,建筑樓板振動響應(yīng)的最大Z振級普遍減小2～5 dB。