复杂工况下地铁交叠式车站振动特性分析

史海欧,廖春明,张 凌,冯青松,陈艳明

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司,广州 510010； 2.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,南昌 330013)

引言

随着我国城市的快速发展，城市地铁建设如火如荼，地铁线路如同网络盘踞在城市地下，线路的密集化使得2条或多条线路在同一地铁站交汇，这种换乘站使得地铁线路更加高效便捷，提高土地利用率，换乘站内及周围可设商业区，利用其商业价值，提高社会经济效益。然而，地铁列车长期频繁运行，产生的振动经由轨道、大地给邻近建筑物的居民带来干扰，振动通过轨道、站台影响乘客及车站内工作人员的舒适度。因此，研究不同工况下列车经过引起的换乘站结构振动特性具有重要意义[1-8]。

国内外诸多学者针对地铁车站展开了大量研究[9-13]。此外，周凌宇等[14]分析和评价了地铁列车运行产生的振动与噪声对地面站厅环境影响；安东辉等[15]建立三维有限元模型分析了车站扩建改造对原有结构的受力影响；高伟等[16]通过建立地下多层交叠式换乘站模型分析了交汇工况下车站内楼板振动分布规律；由广明等[17]建立车站与隧道交叠模型，分析了不同动载工况下的地表振动规律；孙可等[18]基于现场实测及数据分析，研究了地铁列车进站—停靠—出站阶段对临近地下空间楼层振动规律，提出减振建议；李正川等[19]通过建立综合交通枢纽有限元模型，采用频域加载分析方法，计算得到综合交通枢纽站台和站房的振动响应规律；宋冉等[20]基于某地下二层岛式车站建立了双跨无柱装配式地铁车站模型，研究横断面跨度较大及接头连接刚度不确定造成结构受力和变形影响；邵帅等[21]根据车站结构设计、工程地层特性建立合理的几何相似模型，通过振动台模型试验分析了强震作用下饱和土地铁车站地下结构的液化破坏。综上所述，当前研究着重于地铁车站结构设计研究及列车简单运行工况下的车站振动，对于地铁车站的振动特性研究较少，尤其关于复杂工况下大型地铁交叠式换乘站研究更少。

针对既有研究的不足，结合现场实测，采用ANSYS建立轮轨耦合模型及地铁交叠式换乘站有限元模型，分析不同线路交叠与单线运行、地铁线路进站制动、出站启动及不同时间段载重等工况下地铁交叠式换乘站振动特性影响。

1 模型建立

1.1 车站概述

换乘站位于广州地区某两条线路交汇处，呈十字交叉形，为地下双层结构，地下一层包含地铁A号线、站厅层及办公区，站台类型为侧式站台，A号线上下行线路之间为设备夹层，两侧式站台之间通过地下二层通道换乘。地下二层为地铁B号线，站台类型为岛式站台，地铁车站办公区在地下一楼东北角。

本次测试采集仪采用SQuadrigaⅢ数据采集仪，ArtemiS数据采集分析软件分析数据，采用941B加速度传感器和DH610V加速度传感器。在地下一层A号线上行线一侧的站台和站厅层布置测点，在地下二层B号线下行线的玻璃墙脚和站台中央布置测点，测点位置见图1，地下一层测点从站台到站厅为S1～S4，地下二层测点从玻璃墙脚到站台中央为S5～S8，平面测点图上圆点为地下一层测点，矩形点为地下二层测点。A号线路上车型为L型列车，编组为4节；B号线路上车型为B型列车，编组为6节。实测采集了地铁A号线上下行线进出站、B号线上下行线进出站、交叠两线同时进出站下站台的振动数据。

图1 测点布置

1.2 轮轨耦合模型

采用UM多刚体动力学仿真软件，建立地铁B型车动力学仿真模型(图2)，车厢包括1个车体、2个转向架及4个轮对，地铁B型车计算参数见表1。

图2 车辆动力学仿真

表1 地铁B型车参数

车轨耦合动力学仿真中的轨道不平顺采用实测车站内地铁不平顺数据，实测轨道不平顺见图3，将实测的不平顺数据导入多刚体动力学软件UM中。

图3 实测不平顺谱

为验证模型，以地铁列车启动出站进行讨论，启动加速分3个阶段[22]，将三阶段的速度-时间曲线导入UM中仿真列车启动加速阶段，得到轮轨力，见图4。

图4 轮轨力

1.3 车站有限元模型

地铁换乘站是地下两层交叠式结构，地下一层站台类型为侧式站台，地下二层站台类型为岛式站台。

车站主要组成结构为：土体、楼板、立柱、道床板及钢轨。钢轨采用CHN60标准钢轨，扣件为WJ-8B型常阻力扣件，车站土层参数见表2，车站材料参数见表3。

表2 车站土层参数

表3 车站材料参数

地铁交叠式换乘站模型中，梁、立柱、钢轨采用梁单元BEAM188，楼板采用SHELL63，土层及道床板采用SOLID45模拟。地铁交叠式换乘站局部模型见图5。

图5 车站模型

振型为结构的固有特性，与结构本身刚度和质量有关，对结构模型进行模态分析，得到前20阶自振频率，见表4。

表4 模态频率 Hz

将图4中计算的轮轨力施加在地铁交叠式换乘站模型中。由于在测试过程中并未测量车辆轮轨力，为验证模型的准确性，将计算得到的地下二层站台中央加速度与对应站台实测加速度进行对比验证。在车辆-轨道分析模型中，积分步长选择0.005 s，截取频率为100 Hz。对比分析得到结论，有限元仿真结果能很好地模拟20～80 Hz峰值频段。根据实测地铁车站列车出站楼板测点垂直振动加速度与车站模型仿真列车出站工况下，计算出跟实测点相应的节点振动加速度，时域频谱对比分析见图6。图6表明，采用的计算模型对于分析列车运行引起交叠式车站振动及其传递规律能很好地完成预测和定量分析任务。

图6 仿真与实测时域频谱对比

2 不同工况下计算结果分析

本节主要分析不同线路交叠及单独运行、地铁列车进站制动、出站启动及载重等工况下，地铁交叠式换乘站内振动特性影响。

2.1 不同线路交叠及单独运行影响分析

为分析不同线路交叠及单独运行对车站的影响，选取6组典型行车工况对楼板的振动特性进行分析，选取了中心平面的地面交汇节点，设备夹层节点，地下一层站台层节点，地下二层站台节点。各工况下节点峰值加速度见表5，限于篇幅，仅显示地铁B号线运行工况下，上述4个节点的时程曲线见图7。

由图7和表5可知，地下一层A号线双线运行加速度峰值接近地下一层A号线单线运行加速度峰值的2倍，地下一层A号线单双线运行引起的车站振动响应要远大于地下二层B号线单双线运行引起的车站振动响应，A、B号线交叉单双线同时运行引起的振动响应近似于A号线单双线运行引起的振动响应，说明地铁车站振动主要由A号线运行引起的，地铁A号线单双线运行对地铁振动响应影响最大。同时，无论哪种工况，可以发现地下一层上的振动加速度最大，地下一层楼板与轨道板通过节点耦合，车轨耦合实际转化成车辆-楼板耦合作用，因此，振动响应大。A号线单双线单独运行时，地下一层节点振动加速度峰值最大，设备夹层节点次之，地面交汇点更小，地下二层站台节点最小，可知，振动向上衰减速度慢于向下衰减速度，地下一层列车运行对地下二层站台影响相对较小。B号线单双线单独运行时，地下一层节点振动加速度峰值最大，地下二层站台节点次之，地面交汇点更小，设备夹层节点最小，振动传递到地面上有放大作用。

表5 不同行车工况下加速度峰值

图7 各层测点时域曲线

2.2 列车进出站分析

为分析地铁A号线、B号线列车进出站时对站台及站厅的振动影响，分别测试了A号线和B号线列车进站制动和出站启动工况下的振动数据，进行时频分析，限于篇幅，仅显示地铁A号线进出站工况下地下一层站台及站厅的垂直振动加速度时域频谱图，如图8、图9所示，A号线上行线和B号线下行线进出站工况各测点的Z振级见表6，可得到如下结论。

图8 列车进站时垂向加速度时程与频谱

图9 列车出站时垂直加速度时程与频谱

(1)列车在进站制动工况下，测点S1和S3的垂向加速度峰值分别为0.079，0.054 m/s2，列车进站工况下一开始引起的垂向振动加速度最大，随着车速逐渐降低，其振动加速度幅值逐渐减小，在列车最后停止一段，振动加速度有短暂骤增再减小的过程。测点振动加速度幅值随着与线路中心线垂直距离增大而有明显降低。

(2)列车在出站启动工况下，测点S1和S3的垂向加速度峰值分别为0.19，0.126 m/s2，且列车出站启动引起的振动加速度明显大于列车进站制动引起的振动加速度，列车出站启动时引起的垂向振动加速度在前几秒内，振动加速度有较小骤增然后减小的过程，再随着列车速度增大而逐渐增加到最值。

(3)在频谱上，列车进、出站工况下，测点S1和S3垂向振动响应主要分布在25～50 Hz和90～140 Hz频段上；测点振动响应随距线路中心线增大而减小，垂向振动响应幅值显著大于水平向。

(4)根据JGJ/T170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》中办公室垂向振动限值为86 dB和水平振动限值为83 dB，站台与站厅上的振级大于规范限值，地铁A号上行线出站工况下站台与站厅上的振级平均值超过90 dB，大于进站工况下振级，超过规范振动限值，影响人体不适。站厅柱脚处水平振动高于其他测点，需引起关注。地铁列车B号线进出站工况下各测点振级未超过限值。

表6 各测点Z振级平均值 dB

2.3 不同载重分析

为分析不同载重下地铁列车运行对楼板振动特性的影响，计算空车、正常和早高峰3种情况下地下二层站台振动加速度(图10)，列车运行速度取60 km/h。

由图10可知：随着B号线列车单线通过车站载重越大，车站楼板的振动加速度也越大，且载重从正常到早高峰引起的振动加速度增值比速度从空载到正常引起的振动加速度增值大，载重变化引起的楼板振动加速度增幅小于速度变化引起的增幅。

图10 不同载重时域曲线

3 结论

采用有限元分析软件ANSYS建立大型交叠式地铁换乘车站结构；通过多体动力学软件UM建立了地铁B型动车模型，导入ANSYS已建好的轨道模型，形成车辆-轨道-大地耦合模型。对车站进行模态分析并验证了模型准确性，分析列车在不同线路列车交叠工况、行车进出站工况、不同载重工况引起的车站振动特性分析，得出结论如下。

(1)地下一层A号线单双线运行引起的车站楼板振动响应大于地下二层B号线引起的振动响应。无论哪种工况，地下一层楼板上的振动加速度最大，这是由于车辆-楼板耦合作用引起的。

(2)地铁列车出站工况下楼板振动加速度大于进站工况下。无论何种工况，其振动响应主要集中在20～50 Hz和80～150 Hz频段上，A号线进出站引起地下一层楼板振级超过振动限值，B号线进出站引起地下二层站台振级满足振动限值。

(3)地铁列车在不同时段的载重不同，列车载重越大，车站结构振动响应及增幅越大。