双层车辆段运用库环境振动特性实测分析

贺利工，刘文武，罗信伟，陈艳明，钟贞浪，徐浩能

（1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010；2.华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，江西 南昌 330013）

1 研究背景及概况

车辆段作为地铁运营的保障基地，承担了车辆检修、车辆运用和全线设备设施综合维修和保养任务[1]，其占地面积广大且拥有同等面积的上盖平台，为了使车辆段上盖广阔平台得到合理利用，国内在北京、广州、深圳等大城市均着手车辆段上盖物业的开发与设计。

国内外学者对地铁运行引起的环境振动问题进行了一系列的研究[2-6]。Anderson[7]通过现场实测，发现列车运行引起的振动会与周边建筑物产生共振且共振频率范围在0～10 Hz 之间。Zou 等[8-9]分别实测了广州和深圳某车辆段，并分析了振动从车辆段周围地面传至附近建筑的传播规律，结果表明，50 Hz 以上的振动响应衰减率大于50 Hz 以下的振动响应衰减率。谢伟平[10-11]，冯青松[12]等对列车运行引起车辆段振动响应进行了大量的现场实测并建立车辆段上盖物业精细化有限元模型，以此模拟出列车运行时上盖物业的振动响应。刘文武[13]等实测分析了列车出入库盖板的振动规律，并结合现行标准进行了评价。

目前的研究大多针对单层车辆段内列车运行时附近建筑物或其上盖建筑物的振动分析，双层地铁车辆段作为一种新式结构，其振动传递路径的复杂性明显不同于单层车辆段，且目前对于列车运行引起的双层车辆段及其上部结构振动的研究较少。本文通过对某典型双层车辆基地的运用库源强及盖板进行现场实测，选取信噪比良好的数据进一步分析运用库的源强振动特性和振动传播规律，研究结果可供双层车辆段的减振设计参考。

2 现场测试

测试地点为某地铁典型双层车辆基地的运用库，测试内容包括采集运用库（一层L17 股道，轨道形式为普通轨道，二层L3 股道，轨道形式为减振轨道）和运用库上方盖板在列车通过时垂向振动加速度数据。测试列车为6 节编组B 型车，测试列车运行时速为10 km/h，且每种工况均为一列车单独行驶，无其他干扰因素，结合现场条件，运用库一层测点布置在L17 股道的道床和最邻近轨道的框架柱子上，运用库二层测点分别布置在L3 道床和最邻近L3 股道的框架柱子上。运用库上方盖板为振动敏感区域，分别在运用库轨道上方盖板布置了4 个振动测点D1～D4。运用库剖面及盖板测点布置示意图如图1 所示。

图1 测点示意图Fig.1 Schematic diagram of measuring points

本次测试所采用的数据采集仪包括NI CRIO-9031 和SQuadriga Ⅲ测试系统。其中NI CRIO-9031用于车辆段运用库内振动源强测试，并采用触发采样装置进行监测；SQuadriga Ⅲ用于车辆段上方盖板振动测试。道床和柱子振动数据采集选用393B04 加速度传感器；上方盖板振动数据选用941B 振动传感器采集。

3 运用库振动源强特性分析

本次测试共收集到上下两层有效行车数据各10 组，图2 和图3 分别给出了运用库一、二层源强测点的典型垂向振动加速度时程曲线和频谱图。由图2 可知，一层道床和柱子的垂向加速度时程峰值分别约为1.75 m/s2和0.26 m/s2；一层道床垂向振动优势频段范围为60～120 Hz，振动峰值频率出现在87.8 Hz 处，柱子的振动优势频段范围为60～100 Hz，振动峰值频率为76.3 Hz。

图2 一层股道源强测点振动响应Fig.2 Vibration response of the first-floor strand source strength measuring point

图3 二层股道源强测点振动响应Fig.3 Vibration response of the second-floor strand source strength measuring point

由图3 可知，二层道床和柱子的加速度峰值均大于一层，分别约为1.65 m/s2和0.27 m/s2，二层道床垂向振动优势频段范围在30～100 Hz 内，振动峰值频率出现在49.6 Hz 处，柱子的振动优势频段范围在30～60 Hz 内，振动峰值频率出现在50.8 Hz 处。

综上，一层道床和柱子振动峰值频率均大于二层道床和柱子。从钢轨处分析其原因，图4 为上下两层钢轨测点频谱图，从中可知，一层钢轨在100 Hz处有明显的峰值振动，二层钢轨振动峰值也在50 Hz处，推测在该频段处钢轨结构模态被激发。此外二层钢轨在160 Hz 处还存在峰值，但传至其他结构处未见峰值，可能是二层为大跨度混凝土结构，刚度较小，振动高频能量衰减更快，且二层为减振轨道，钢轨上的振动能量在流经减振扣件时高频能量也有所衰减。

图4 钢轨测点1/3 倍频谱Fig.4 1/3 octave spectrum of rail measuring points

源强测点振动响应有效数据平均值如表1 所示。由表1 可知，一、二层柱子的特征频带宽度均小于道床，频带宽度的减小主要因为振动传递过程中高频成分衰减过快。一层道床垂向加速度峰值和振动加速度级均大于二层，而一层柱子垂向加速度峰值和振动加速度级均小于二层。这主要是因为运用库一层轨道位于地下基础之上，而二层轨道直接位于混凝土板上，一层道床的支承刚度大于二层，且一层道床振动的高频部分会被基础土层吸收一部分，从而导致从道床传至柱子的过程中，一层振动衰减量大于二层。

表1 源强测点振动响应Tab.1 Vibration response of source intensity measuring point

图5 为运用库振源测点三分之一倍频程图，由图5 可知：一、二层道床和柱子振动加速度级随1/3倍频变化的趋势基本一致, 一层道床和柱子的加速度级在5～80 Hz 频段内逐渐增加，峰值频率在80 Hz附近，在80～200 Hz 频段内逐渐下降；二层道床和柱子的加速度级在50 Hz 处达到峰值。除了12.5～63 Hz 频段外，一层道床和柱子振动加速度级分别大于二层道床和柱子，结果和频域图中反映的规律相近。

图5 源强测点1/3 倍频程图Fig.5 1/3 octave spectrum of source intensity measuring point

为了更直观地展现振动从道床至柱子的传递损失，采用分频段传递损失比来分析其衰减情况，分频段传递损失比可定义为

式中：ηi为轨枕-柱子第i 个1/3 倍频段的传递损失比；Ti为轨枕第i 个1/3 倍频段振动加速度级；Bi为柱子第i 个1/3 倍频段振动加速度级。

图6 所示为一、二层道床-柱子分频段传递损失比。由图6 可知，一层道床-柱子振动传递损失比最大为0.60，而二层振动传递损失比最大为0.34；一层道床-柱子振动传递损失比随1/3 倍频程中心频率变化总体呈减小趋势，振动传递损失比在1～6 Hz低频内均大于二层，在6.3～200 Hz 频段内，一、二层道床-柱子分频段传递损失比量值相当，综上可解释虽然一层道床的Z 振级大于二层，但由于道床振动传递到柱子的过程中土体吸收了振动中较多的低频能量，使得一层的低频振动衰减更大，从而使得一层柱子的Z 振级小于二层柱子。

图6 道床-柱子分频段传递损失比Fig.6 Transfer loss ratio of ballast-column frequency division

4 振动传播规律

4.1 盖板振动分析

为分析运用库一、二层行车诱发盖板的振动规律，分别测试记录列车通过一层L17 股道和二层L1、L3 股道时盖板测点的振动响应，表2 为运用库列车诱发盖板测点Z 振级统计表。

表2 运用库列车诱发盖板最大Z 振级统计表Tab.2 Statistical table of maximum Z vibration level of cover plate caused by the train operation

由表2 可知，列车在运用库二层行车比一层行车引起上方盖板的振动响应大，两者相差约8～14 dB；列车在运用库二层或一层行车引起盖板板中的振动响应都大于盖板端部（D2/D3 大于D1/D4），其原因可能是盖板端部受梁的约束较大，车辆段盖板的振动评价应选取板中的振动响应。

图7 和图8 为运用库一、二层行车诱发盖板各测点垂向1/3 倍频谱。可知：各测点各分频振级变化趋势相似，盖板振动的卓越频率主要集中在25～80 Hz。在4 Hz 低频范围内，盖板各测点振动加速度级变化趋势基本一致，靠近板中的测点振动响应大于盖板端部测点。

图7 一层行车盖板各测点1/3 倍频谱Fig.7 1/3 octave spectrum of each measuring point of the cover plate when driving on the the first floor

图8 二层行车盖板各测点1/3 倍频谱Fig.8 1/3 octave spectrum of each measuring point of the cover plate when driving on the the second floor

4.2 振动传递分析

为进一步分析运用库振动的传播衰减规律，分别计算同一竖直断面一、二层道床、柱子和盖板的Z振级平均值，统计结果见表3。

表3 运用库列车各测点Z 振级统计表Tab.3 statistical table of Z vibration level of each measuring point of trains in operation zone

由表3 可知：当列车在一、二层行车时，振动由道床-柱子-盖板的传递方向逐渐衰减。一层行车时，振动从道床传至柱子时Z 振级减小了19.67 dB，从柱子传至盖板时，Z 振级减小了5.3 dB；二层行车时，振动波由道床传至柱子时Z 振级减小了19.54 dB，由柱子传至盖板时Z 振级减小了1.35 dB。综上，运用库二层行车诱发的盖板振动大于一层行车。

图9 和图10 分为车辆段一、二层各测点及盖板的1/3 倍频谱。可知，当列车在一层行车时，振动由道床传递至柱子时各分频振级均出现衰减，由柱子传至盖板时在1～10 Hz 和50～200 Hz 均出现较大的衰减。当列车在二层行车时，振动由道床传至柱子时各分频振级均出现衰减，由柱子传至盖板时在1～6.3 Hz 和50～200 Hz 频段内振动衰减量较一层行车时的衰减量少，从振动传递路径可以看出：一层行车产生的振动波除了经过土体衰减外还要经过竖向两根车辆段柱子，传递路径和复杂程度远大于二层行车。另外，不论是一层行车还是二层行车，在10～30 Hz 以内，盖板的振动加速度级均大于柱子，这主要是盖板材料在其固有频率处出现了共振现象而引起的增大。

图9 一层行车各测点1/3 倍频谱Fig.9 1/3 octave spectrum of each measuring point when driving on the the first floor

图10 二层行车各测点1/3 倍频谱Fig.10 1/3 octave spectrum of each measuring point when driving on the the second floor

5 结论

1）列车分别通过一层和二层时各道床和柱子的振动响应相差不大，但一层道床-柱子的振动衰减相对二层较大；一层道床和柱子加速度级峰值频率在80 Hz 附近，二层道床和柱子的峰值频率在50 Hz 附近。

2）运用库行车诱发盖板振动的卓越频率主要集中在25～80 Hz。在低频范围内，盖板各测点振动加速度级变化趋势基本一致，靠近板中的测点振动响应大于盖板端部测点，车辆段运用库盖板的振动评价应选取板中的振动响应。

3）列车在运用库二层行车比一层行车引起上方盖板的振动响应大，若进行上盖开发应当优先考虑对运用库二层进行减振设计。

4）无论是一层行车还是二层行车，振动由道床传至柱子时全频段均在衰减，且振动能量中的低频部分容易引起盖板的共振。