地鐵車輛段列車動荷載特性實測研究

何　衛(wèi)， 謝偉平(1.武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，武漢　430070； .武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢　430070)

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地鐵車輛段列車動荷載特性實測研究

何衛(wèi)1,2， 謝偉平2(1.武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，武漢430070； 2.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢430070)

摘要：對車輛段內(nèi)咽喉區(qū)、試車線和運用庫的地鐵列車荷載進(jìn)行了實測，獲得了其時頻特性?；诓煌€路條件、行車速度下的實測結(jié)果，分析了地鐵列車荷載特性的主要影響因素。研究結(jié)果表明：地鐵列車通過時，咽喉區(qū)軌枕的鉛垂向加速度幅值為10～15 m/s2，荷載以高頻成分為主，主頻段為60～150 Hz；試車線軌枕的鉛垂向加速度幅值為5～6 m/s2，荷載主頻段為60～100 Hz；運用庫的振動量值較小，實測的鉛垂向加速度幅值為1～2 cm/s2，荷載的主頻段為30～50 Hz。對地鐵車輛段列車，與行車速度相比，列車荷載振動量值對線路的平順度更為敏感。

關(guān)鍵詞：車輛段；地鐵列車荷載；實測；時頻特性；咽喉區(qū)

軌道交通以其“低污染、運量大、便捷”等優(yōu)點，已成為解決城市擁堵問題的有效手段，軌道交通建設(shè)近年來在我國主要城市獲得了廣泛發(fā)展。地鐵車輛段作為停放和管理地鐵列車的場所，擔(dān)負(fù)著停車、檢修、綜合維修等功能，已成為城市軌道交通系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。車輛段具有占地面積大、建筑密度小、上部空間閑置等特點，為增加土地的高效、集約利用，充分發(fā)揮地鐵沿線的優(yōu)勢，增加投資回報率，自北京八王墳車輛段四惠地鐵站率先開展上蓋物業(yè)開發(fā)后，上海、廣州、杭州、武漢等多個城市也相繼進(jìn)行了地鐵上蓋物業(yè)開發(fā)。

對于地鐵車輛段上蓋建筑而言，由于結(jié)構(gòu)形式的特殊性，列車運行產(chǎn)生的振動，經(jīng)由道床、立柱及平臺傳播至平臺上方建筑，引起上部結(jié)構(gòu)的振動，這會劣化上部居民或使用者的使用環(huán)境，降低其生活或工作質(zhì)量。某種程度而言，振動舒適度問題已成為制約地鐵上蓋建筑發(fā)展和推廣的瓶頸之一。

地鐵引起的上蓋結(jié)構(gòu)振動問題，近年來已引起了部分學(xué)者重視。王毅等[1]通過類比監(jiān)測分析了地鐵車輛段振動與噪聲對平臺上居住小區(qū)的環(huán)境影響，并探討了其振動控制措施。閆維明等[2]對地鐵隧道平臺和地面線路平臺上多層住宅樓的豎向振動進(jìn)行了現(xiàn)場實測，研究了結(jié)構(gòu)物中的振動傳播規(guī)律。謝偉平等[3]對某地鐵車輛段上蓋建筑的振動舒適度問題進(jìn)行了研究，建立了其一般分析流程；基于分析結(jié)果提出了車輛段上蓋結(jié)構(gòu)的減振措施并評價了其減振效果。周莉[4]分析了地鐵對上蓋建筑物振動環(huán)境的影響，闡述了地鐵上蓋項目的振動標(biāo)準(zhǔn)，并對上蓋建筑物的減振措施進(jìn)行了評述。

上述研究主要集中在振動分析、環(huán)境影響評價和振動控制等方面，未涉及到荷載特性的研究。對列車荷載特性的把握是進(jìn)行荷載模擬及結(jié)構(gòu)振動分析的基礎(chǔ)。研究表明，列車荷載特性與線路條件[5]、列車類型、軸重[6]、運行速度[7]等諸多因素有關(guān)。與普通鐵路列車和地鐵區(qū)間營運列車相比，車輛段地鐵列車在線路條件、列車軸重、行車速度等方面均與之存在較大差異，由于地鐵上蓋物業(yè)出現(xiàn)和發(fā)展的歷史較短，實際工程并不多，目前為止，關(guān)于地鐵車輛段列車荷載特性的研究工作還十分有限。本文對國內(nèi)已投入運營的寧波市軌道交通1號線某車輛段進(jìn)行了振動測試，得到了各線路區(qū)段列車荷載的時頻特性，基于不同線路條件、行車速度下的實測結(jié)果，分析了地鐵列車荷載特性的主要影響因素。

1車輛段線路特點

車輛段內(nèi)線路按功能可分為咽喉區(qū)、試車線和運用庫等主要區(qū)段。咽喉區(qū)因道岔多、軌道接頭多，輪軌錘擊誘發(fā)的振動十分顯著因而備受關(guān)注。各區(qū)段的線路特點如表1所示。與常規(guī)營運線路(地下線或高架線)不同，車輛段內(nèi)線路類型更為豐富，且車輛段出入庫車輛均為空載列車。

表1　車輛段各區(qū)段的線路特點

2現(xiàn)場測試

2.1測試方案

地鐵車輛段蓋下總平面圖如圖1所示。考慮到咽喉區(qū)軌道接頭類型較多，線路條件和不平順度存在差異，可能影響荷載的幅值和頻譜特性，為使測試結(jié)果有代表性，選取了三個典型斷面進(jìn)行測試，測試斷面如圖2(a)所示。

圖1　蓋下總平面圖Fig.1 Overall view of the car depot under the platform

測點位置：測點布置執(zhí)行我國標(biāo)準(zhǔn)[8-9]，對于咽喉區(qū)和試車線，測點位于軌枕上；對于運用庫，因其為架空軌道，測點置于最鄰近軌道的框架柱底。咽喉區(qū)、試車線及運用庫的測點布置分別如圖2～圖4所示。所有測點均鉛垂向放置，記錄行車過程中的鉛垂向加速度時程。所用加速度傳感器頻率范圍為0.4～6 000 Hz，靈敏度為10 mV/ms-2，最大量程為70g(g為重力加速度)。儀器采樣頻率設(shè)為1 000 Hz。

圖2　咽喉區(qū)及測點布置圖Fig.2 View of the throat zone and layout of the accelerometer

圖3　試車線測點布置Fig.3 Layout of the accelerometer in test line

圖4　運用庫測點布置Fig.4 Layout of the accelerometer in operation zone

2.2測試結(jié)果分析

從時域峰值、頻譜特性、能量譜及分頻段振級等方面對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

對于實測離散振動信號{a}，在時域內(nèi)信號能量可用式(1)表征：

(1)

式中，N為離散數(shù)據(jù)個數(shù)；m=0, 1, …,N-1。

其頻域等價式可用式(2)表征：

(2)

Rj為離散數(shù)據(jù)的自相關(guān)函數(shù)：

(3)

其余符號含義同式(1)。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》(GB10071-88)的規(guī)定，對振級有以下幾種描述：

(1) 加速度級

定義如下：

(4)

式中，a0=10-6m/s2為基準(zhǔn)加速度，a1為振動加速度有效值。

(2) Z振級

按ISO2631/1-1985規(guī)定的全身振動Z計權(quán)因子修正后得到的振動加速度級，記為VLz。

2.2.1咽喉區(qū)

圖5～圖7為6輛編組的空載地鐵列車以速度v=20 km/h通過咽喉區(qū)不同監(jiān)測斷面時軌枕的典型鉛垂向加速度結(jié)果。

圖5　咽喉區(qū)軌枕的鉛垂向加速度時程曲線及傅里葉幅值譜(斷面1)Fig.5 Vertical acceleration time series and its Fourier spectrum of the sleeper in throat zone (section 1)

圖6　咽喉區(qū)軌枕的鉛垂向加速度(斷面2)Fig.6 Vertical acceleration of the sleeper in throat zone (section 2)

圖7　咽喉區(qū)軌枕的鉛垂向加速度時程、時頻圖及統(tǒng)計能量圖(斷面3)Fig.7 Time series, time-frequency and statistical energy plots of the vertical acceleration of the sleeper in throat zone (section 3)

由圖5～圖7可知，各節(jié)車輛通過時，軌枕的鉛垂向加速度表現(xiàn)出良好的規(guī)律性和一致性：當(dāng)輪對接近監(jiān)測斷面時，軌枕處的加速度幅值迅速上升并在輪對通過時達(dá)到峰值，當(dāng)輪對移開后振動迅速衰減，由于為單節(jié)4軸列車，單節(jié)車廂通過時時域的加速度波形出現(xiàn)四個明顯的峰值。由圖6(c)所示的時頻圖可知，輪對經(jīng)過時振動的高頻成分迅速上升，荷載主頻段為60～150 Hz。

如圖7(b)所示，軌枕的鉛垂向加速度表現(xiàn)出明顯的非平穩(wěn)特征，在時域和頻域上均表現(xiàn)出明顯的局部集中特點，信號能量主要集中在不連續(xù)的幾段時頻區(qū)域內(nèi)。圖7(c)為將列車通過時軌枕的鉛垂向加速度響應(yīng)進(jìn)行小波變換得到的累計能量曲線，顯然，列車通過時，能量曲線表現(xiàn)出明顯的“階躍”性質(zhì)，對應(yīng)時頻能量譜中的時頻局部集中特點，這剛好與單節(jié)列車車廂四輪對的構(gòu)造特點相吻合，這也驗證了車輪和不平順軌道的撞擊作用是誘發(fā)列車振動的主要振源。

注：○表示斷面1的平均振級，★表示斷面2的平均振級，◇表示斷面3的平均振級。圖8　咽喉區(qū)軌枕的豎向分頻段振級Fig.8 Vertical one-third octave of the sleeper in throat zone

圖8所示為各斷面的豎向分頻段Z振級。由圖可知，咽喉區(qū)列車荷載頻段較寬，這主要是由于咽喉區(qū)道岔多，車輪經(jīng)過軌道接頭時錘擊所致。不同斷面處的分頻Z振級略有差異，主要是由于各斷面的軌道接頭及不平順狀況存在差異，但趨勢基本一致。雖然列車通過同一斷面時的速度略有差異，但各斷面的測試結(jié)果仍較為集中，表明測試效果良好。

2.2.2試車線

圖9為6輛編組的空載地鐵列車以速度v=60 km/h通過監(jiān)測斷面時軌枕的典型鉛垂向加速度時程曲線和頻譜圖。軌枕鉛垂向加速度幅值為5～6 m/s2，荷載主頻段為60～100 Hz。各測次的豎向分頻段Z振級如圖10所示。

圖9　試車線軌枕的加速度時程曲線及傅里葉幅值譜Fig.9 Vertical acceleration time series and its Fourier spectrum of the sleeper in test line

注：○表示各測次的平均振級。圖10　試車線軌枕的豎向分頻段振級Fig.10 One-third octave of the vertical acceleration of the sleeper in test line

2.2.3運用庫

圖11為6輛編組的空載地鐵列車以速度v=5 km/h從運用庫駛出時監(jiān)測點地面的典型鉛垂向加速度時程曲線和頻譜圖。實測的鉛垂向加速度幅值為1～2 cm/s2，遠(yuǎn)小于咽喉區(qū)和試車線的測試結(jié)果，主要的原因是運用庫采用無縫鋼軌，線路平順性較好，加之運用庫采用架空軌道(便于巡視和檢修)，且列車出入庫速度很低，動力效應(yīng)相對較弱。實測荷載的主頻段為30～50 Hz，振動主頻小于咽喉區(qū)和試車線的測試結(jié)果。各測次的豎向分頻段Z振級如圖12所示。

圖11　運用庫柱底的鉛垂向加速度時程曲線及傅里葉幅值譜Fig.11 Vertical acceleration time series and its Fourier spectrum of the column in operation zone

圖12　運用庫柱底的豎向分頻段Z振級Fig.12 One-third octave of the vertical acceleration of the column in operation zone

將咽喉區(qū)、試車線和運用庫豎向平均分頻Z振級進(jìn)行對比，如圖13所示。

圖13　各區(qū)段列車荷載的豎向分頻段振級對比圖Fig.13 Comparison of the one-third octave of the vertical acceleration in different areas

由圖13可知，咽喉區(qū)與試車線列車荷載的振動量級相當(dāng)，由于咽喉區(qū)列車速度(約20 km/h)遠(yuǎn)小于試車線(60 km/h)，說明對地鐵車輛段列車荷載而言，相較于列車運行速度，列車荷載振動量值對線路平順度更為敏感。運用庫由于列車速度低(不超過5 km/h)、軌道平順且為架空軌道，振動量值遠(yuǎn)小于咽喉區(qū)和試車線列車荷載。從不同線路條件下(主要是軌道平順度)列車荷載的主要振動頻段進(jìn)行分析可知，咽喉區(qū)地鐵列車荷載主頻段為60～150 Hz，以高頻成分為主；試車線地鐵列車荷載主頻段為60～100 Hz；運用庫列車荷載的主頻段為30～50 Hz，振動主頻小于咽喉區(qū)和試車線的測試結(jié)果。

3結(jié)論

(1) 地鐵列車通過時咽喉區(qū)軌枕的鉛垂向加速度幅值為10～15 m/s2，荷載以高頻成分為主，主頻段為60～150 Hz；試車線軌枕的鉛垂向加速度幅值為5～6 m/s2，荷載主頻段為60～100 Hz；運用庫的振動量值較小，實測的鉛垂向加速度幅值為1～2 cm/s2，荷載的主頻段為30～50 Hz。

(2) 對地鐵車輛段內(nèi)列車荷載而言，相較于列車運行速度，列車荷載振動量值對線路平順度更為敏感。

參 考 文 獻(xiàn)

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Field measurement of the subway train loading in a car depot

HEWei1,2,XIEWei-ping2(1.School of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2.School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Abstract:In this paper, the subway train loadings of different line areas including throat zone, test lines and operation zone were measured and the time and frequency characteristics were obtained.Based on observations under different line conditions and traveling speeds, the main factor affecting the load was analyzed.It is shown that when a train passes by, the amplitude of the vertical acceleration of the sleeper in the throat zone reaches 10～15 m/s2, its predominate frequency ranges between 60～150 Hz, the acceleration response in test lines is 5～6 m/s2 and its predominate frequency ranges between 60～100 Hz.The value is relatively small in the operation zone, with the amplitude varying between 1～2 cm/s2 and its predominate frequency being 30～50 Hz.Furthermore, for in car depot, compared to traveling speed, the vibration magnitude of the train loading is more sensitive to the line conditions and roughness.

Key words:car depot; subway train loading; field measurement; time-frequency characteristics; throat zone

中圖分類號:TU248.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.08.020

通信作者謝偉平 男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1965年生

收稿日期：2015-04-01修改稿收到日期：2015-04-17

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目資助(51178365；51508431)；中國博士后科學(xué)基金(2015M582288)

第一作者 何衛(wèi) 男，博士后，1987年生