復(fù)雜工況下地鐵交疊式車站振動(dòng)特性分析

史海歐,廖春明,張 凌,馮青松,陳艷明

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣州 510010； 2.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心,南昌 330013)

引言

隨著我國城市的快速發(fā)展，城市地鐵建設(shè)如火如荼，地鐵線路如同網(wǎng)絡(luò)盤踞在城市地下，線路的密集化使得2條或多條線路在同一地鐵站交匯，這種換乘站使得地鐵線路更加高效便捷，提高土地利用率，換乘站內(nèi)及周圍可設(shè)商業(yè)區(qū)，利用其商業(yè)價(jià)值，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。然而，地鐵列車長期頻繁運(yùn)行，產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)由軌道、大地給鄰近建筑物的居民帶來干擾，振動(dòng)通過軌道、站臺(tái)影響乘客及車站內(nèi)工作人員的舒適度。因此，研究不同工況下列車經(jīng)過引起的換乘站結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性具有重要意義[1-8]。

國內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)地鐵車站展開了大量研究[9-13]。此外，周凌宇等[14]分析和評(píng)價(jià)了地鐵列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲對(duì)地面站廳環(huán)境影響；安東輝等[15]建立三維有限元模型分析了車站擴(kuò)建改造對(duì)原有結(jié)構(gòu)的受力影響；高偉等[16]通過建立地下多層交疊式換乘站模型分析了交匯工況下車站內(nèi)樓板振動(dòng)分布規(guī)律；由廣明等[17]建立車站與隧道交疊模型，分析了不同動(dòng)載工況下的地表振動(dòng)規(guī)律；孫可等[18]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及數(shù)據(jù)分析，研究了地鐵列車進(jìn)站—停靠—出站階段對(duì)臨近地下空間樓層振動(dòng)規(guī)律，提出減振建議；李正川等[19]通過建立綜合交通樞紐有限元模型，采用頻域加載分析方法，計(jì)算得到綜合交通樞紐站臺(tái)和站房的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律；宋冉等[20]基于某地下二層島式車站建立了雙跨無柱裝配式地鐵車站模型，研究橫斷面跨度較大及接頭連接剛度不確定造成結(jié)構(gòu)受力和變形影響；邵帥等[21]根據(jù)車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程地層特性建立合理的幾何相似模型，通過振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)分析了強(qiáng)震作用下飽和土地鐵車站地下結(jié)構(gòu)的液化破壞。綜上所述，當(dāng)前研究著重于地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究及列車簡單運(yùn)行工況下的車站振動(dòng)，對(duì)于地鐵車站的振動(dòng)特性研究較少，尤其關(guān)于復(fù)雜工況下大型地鐵交疊式換乘站研究更少。

針對(duì)既有研究的不足，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采用ANSYS建立輪軌耦合模型及地鐵交疊式換乘站有限元模型，分析不同線路交疊與單線運(yùn)行、地鐵線路進(jìn)站制動(dòng)、出站啟動(dòng)及不同時(shí)間段載重等工況下地鐵交疊式換乘站振動(dòng)特性影響。

1 模型建立

1.1 車站概述

換乘站位于廣州地區(qū)某兩條線路交匯處，呈十字交叉形，為地下雙層結(jié)構(gòu)，地下一層包含地鐵A號(hào)線、站廳層及辦公區(qū)，站臺(tái)類型為側(cè)式站臺(tái)，A號(hào)線上下行線路之間為設(shè)備夾層，兩側(cè)式站臺(tái)之間通過地下二層通道換乘。地下二層為地鐵B號(hào)線，站臺(tái)類型為島式站臺(tái)，地鐵車站辦公區(qū)在地下一樓東北角。

本次測(cè)試采集儀采用SQuadrigaⅢ數(shù)據(jù)采集儀，ArtemiS數(shù)據(jù)采集分析軟件分析數(shù)據(jù)，采用941B加速度傳感器和DH610V加速度傳感器。在地下一層A號(hào)線上行線一側(cè)的站臺(tái)和站廳層布置測(cè)點(diǎn)，在地下二層B號(hào)線下行線的玻璃墻腳和站臺(tái)中央布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置見圖1，地下一層測(cè)點(diǎn)從站臺(tái)到站廳為S1～S4，地下二層測(cè)點(diǎn)從玻璃墻腳到站臺(tái)中央為S5～S8，平面測(cè)點(diǎn)圖上圓點(diǎn)為地下一層測(cè)點(diǎn)，矩形點(diǎn)為地下二層測(cè)點(diǎn)。A號(hào)線路上車型為L型列車，編組為4節(jié)；B號(hào)線路上車型為B型列車，編組為6節(jié)。實(shí)測(cè)采集了地鐵A號(hào)線上下行線進(jìn)出站、B號(hào)線上下行線進(jìn)出站、交疊兩線同時(shí)進(jìn)出站下站臺(tái)的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

1.2 輪軌耦合模型

采用UM多剛體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，建立地鐵B型車動(dòng)力學(xué)仿真模型(圖2)，車廂包括1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架及4個(gè)輪對(duì)，地鐵B型車計(jì)算參數(shù)見表1。

圖2 車輛動(dòng)力學(xué)仿真

表1 地鐵B型車參數(shù)

車軌耦合動(dòng)力學(xué)仿真中的軌道不平順采用實(shí)測(cè)車站內(nèi)地鐵不平順數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)軌道不平順見圖3，將實(shí)測(cè)的不平順數(shù)據(jù)導(dǎo)入多剛體動(dòng)力學(xué)軟件UM中。

圖3 實(shí)測(cè)不平順譜

為驗(yàn)證模型，以地鐵列車啟動(dòng)出站進(jìn)行討論，啟動(dòng)加速分3個(gè)階段[22]，將三階段的速度-時(shí)間曲線導(dǎo)入U(xiǎn)M中仿真列車啟動(dòng)加速階段，得到輪軌力，見圖4。

圖4 輪軌力

1.3 車站有限元模型

地鐵換乘站是地下兩層交疊式結(jié)構(gòu)，地下一層站臺(tái)類型為側(cè)式站臺(tái)，地下二層站臺(tái)類型為島式站臺(tái)。

車站主要組成結(jié)構(gòu)為：土體、樓板、立柱、道床板及鋼軌。鋼軌采用CHN60標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，扣件為WJ-8B型常阻力扣件，車站土層參數(shù)見表2，車站材料參數(shù)見表3。

表2 車站土層參數(shù)

表3 車站材料參數(shù)

地鐵交疊式換乘站模型中，梁、立柱、鋼軌采用梁單元BEAM188，樓板采用SHELL63，土層及道床板采用SOLID45模擬。地鐵交疊式換乘站局部模型見圖5。

圖5 車站模型

振型為結(jié)構(gòu)的固有特性，與結(jié)構(gòu)本身剛度和質(zhì)量有關(guān)，對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到前20階自振頻率，見表4。

表4 模態(tài)頻率 Hz

將圖4中計(jì)算的輪軌力施加在地鐵交疊式換乘站模型中。由于在測(cè)試過程中并未測(cè)量車輛輪軌力，為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將計(jì)算得到的地下二層站臺(tái)中央加速度與對(duì)應(yīng)站臺(tái)實(shí)測(cè)加速度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。在車輛-軌道分析模型中，積分步長選擇0.005 s，截取頻率為100 Hz。對(duì)比分析得到結(jié)論，有限元仿真結(jié)果能很好地模擬20～80 Hz峰值頻段。根據(jù)實(shí)測(cè)地鐵車站列車出站樓板測(cè)點(diǎn)垂直振動(dòng)加速度與車站模型仿真列車出站工況下，計(jì)算出跟實(shí)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)振動(dòng)加速度，時(shí)域頻譜對(duì)比分析見圖6。圖6表明，采用的計(jì)算模型對(duì)于分析列車運(yùn)行引起交疊式車站振動(dòng)及其傳遞規(guī)律能很好地完成預(yù)測(cè)和定量分析任務(wù)。

圖6 仿真與實(shí)測(cè)時(shí)域頻譜對(duì)比

2 不同工況下計(jì)算結(jié)果分析

本節(jié)主要分析不同線路交疊及單獨(dú)運(yùn)行、地鐵列車進(jìn)站制動(dòng)、出站啟動(dòng)及載重等工況下，地鐵交疊式換乘站內(nèi)振動(dòng)特性影響。

2.1 不同線路交疊及單獨(dú)運(yùn)行影響分析

為分析不同線路交疊及單獨(dú)運(yùn)行對(duì)車站的影響，選取6組典型行車工況對(duì)樓板的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，選取了中心平面的地面交匯節(jié)點(diǎn)，設(shè)備夾層節(jié)點(diǎn)，地下一層站臺(tái)層節(jié)點(diǎn)，地下二層站臺(tái)節(jié)點(diǎn)。各工況下節(jié)點(diǎn)峰值加速度見表5，限于篇幅，僅顯示地鐵B號(hào)線運(yùn)行工況下，上述4個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)程曲線見圖7。

由圖7和表5可知，地下一層A號(hào)線雙線運(yùn)行加速度峰值接近地下一層A號(hào)線單線運(yùn)行加速度峰值的2倍，地下一層A號(hào)線單雙線運(yùn)行引起的車站振動(dòng)響應(yīng)要遠(yuǎn)大于地下二層B號(hào)線單雙線運(yùn)行引起的車站振動(dòng)響應(yīng)，A、B號(hào)線交叉單雙線同時(shí)運(yùn)行引起的振動(dòng)響應(yīng)近似于A號(hào)線單雙線運(yùn)行引起的振動(dòng)響應(yīng)，說明地鐵車站振動(dòng)主要由A號(hào)線運(yùn)行引起的，地鐵A號(hào)線單雙線運(yùn)行對(duì)地鐵振動(dòng)響應(yīng)影響最大。同時(shí)，無論哪種工況，可以發(fā)現(xiàn)地下一層上的振動(dòng)加速度最大，地下一層樓板與軌道板通過節(jié)點(diǎn)耦合，車軌耦合實(shí)際轉(zhuǎn)化成車輛-樓板耦合作用，因此，振動(dòng)響應(yīng)大。A號(hào)線單雙線單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，地下一層節(jié)點(diǎn)振動(dòng)加速度峰值最大，設(shè)備夾層節(jié)點(diǎn)次之，地面交匯點(diǎn)更小，地下二層站臺(tái)節(jié)點(diǎn)最小，可知，振動(dòng)向上衰減速度慢于向下衰減速度，地下一層列車運(yùn)行對(duì)地下二層站臺(tái)影響相對(duì)較小。B號(hào)線單雙線單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，地下一層節(jié)點(diǎn)振動(dòng)加速度峰值最大，地下二層站臺(tái)節(jié)點(diǎn)次之，地面交匯點(diǎn)更小，設(shè)備夾層節(jié)點(diǎn)最小，振動(dòng)傳遞到地面上有放大作用。

表5 不同行車工況下加速度峰值

圖7 各層測(cè)點(diǎn)時(shí)域曲線

2.2 列車進(jìn)出站分析

為分析地鐵A號(hào)線、B號(hào)線列車進(jìn)出站時(shí)對(duì)站臺(tái)及站廳的振動(dòng)影響，分別測(cè)試了A號(hào)線和B號(hào)線列車進(jìn)站制動(dòng)和出站啟動(dòng)工況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)頻分析，限于篇幅，僅顯示地鐵A號(hào)線進(jìn)出站工況下地下一層站臺(tái)及站廳的垂直振動(dòng)加速度時(shí)域頻譜圖，如圖8、圖9所示，A號(hào)線上行線和B號(hào)線下行線進(jìn)出站工況各測(cè)點(diǎn)的Z振級(jí)見表6，可得到如下結(jié)論。

圖8 列車進(jìn)站時(shí)垂向加速度時(shí)程與頻譜

圖9 列車出站時(shí)垂直加速度時(shí)程與頻譜

(1)列車在進(jìn)站制動(dòng)工況下，測(cè)點(diǎn)S1和S3的垂向加速度峰值分別為0.079，0.054 m/s2，列車進(jìn)站工況下一開始引起的垂向振動(dòng)加速度最大，隨著車速逐漸降低，其振動(dòng)加速度幅值逐漸減小，在列車最后停止一段，振動(dòng)加速度有短暫驟增再減小的過程。測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度幅值隨著與線路中心線垂直距離增大而有明顯降低。

(2)列車在出站啟動(dòng)工況下，測(cè)點(diǎn)S1和S3的垂向加速度峰值分別為0.19，0.126 m/s2，且列車出站啟動(dòng)引起的振動(dòng)加速度明顯大于列車進(jìn)站制動(dòng)引起的振動(dòng)加速度，列車出站啟動(dòng)時(shí)引起的垂向振動(dòng)加速度在前幾秒內(nèi)，振動(dòng)加速度有較小驟增然后減小的過程，再隨著列車速度增大而逐漸增加到最值。

(3)在頻譜上，列車進(jìn)、出站工況下，測(cè)點(diǎn)S1和S3垂向振動(dòng)響應(yīng)主要分布在25～50 Hz和90～140 Hz頻段上；測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)隨距線路中心線增大而減小，垂向振動(dòng)響應(yīng)幅值顯著大于水平向。

(4)根據(jù)JGJ/T170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》中辦公室垂向振動(dòng)限值為86 dB和水平振動(dòng)限值為83 dB，站臺(tái)與站廳上的振級(jí)大于規(guī)范限值，地鐵A號(hào)上行線出站工況下站臺(tái)與站廳上的振級(jí)平均值超過90 dB，大于進(jìn)站工況下振級(jí)，超過規(guī)范振動(dòng)限值，影響人體不適。站廳柱腳處水平振動(dòng)高于其他測(cè)點(diǎn)，需引起關(guān)注。地鐵列車B號(hào)線進(jìn)出站工況下各測(cè)點(diǎn)振級(jí)未超過限值。

表6 各測(cè)點(diǎn)Z振級(jí)平均值 dB

2.3 不同載重分析

為分析不同載重下地鐵列車運(yùn)行對(duì)樓板振動(dòng)特性的影響，計(jì)算空車、正常和早高峰3種情況下地下二層站臺(tái)振動(dòng)加速度(圖10)，列車運(yùn)行速度取60 km/h。

由圖10可知：隨著B號(hào)線列車單線通過車站載重越大，車站樓板的振動(dòng)加速度也越大，且載重從正常到早高峰引起的振動(dòng)加速度增值比速度從空載到正常引起的振動(dòng)加速度增值大，載重變化引起的樓板振動(dòng)加速度增幅小于速度變化引起的增幅。

圖10 不同載重時(shí)域曲線

3 結(jié)論

采用有限元分析軟件ANSYS建立大型交疊式地鐵換乘車站結(jié)構(gòu)；通過多體動(dòng)力學(xué)軟件UM建立了地鐵B型動(dòng)車模型，導(dǎo)入ANSYS已建好的軌道模型，形成車輛-軌道-大地耦合模型。對(duì)車站進(jìn)行模態(tài)分析并驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性，分析列車在不同線路列車交疊工況、行車進(jìn)出站工況、不同載重工況引起的車站振動(dòng)特性分析，得出結(jié)論如下。

(1)地下一層A號(hào)線單雙線運(yùn)行引起的車站樓板振動(dòng)響應(yīng)大于地下二層B號(hào)線引起的振動(dòng)響應(yīng)。無論哪種工況，地下一層樓板上的振動(dòng)加速度最大，這是由于車輛-樓板耦合作用引起的。

(2)地鐵列車出站工況下樓板振動(dòng)加速度大于進(jìn)站工況下。無論何種工況，其振動(dòng)響應(yīng)主要集中在20～50 Hz和80～150 Hz頻段上，A號(hào)線進(jìn)出站引起地下一層樓板振級(jí)超過振動(dòng)限值，B號(hào)線進(jìn)出站引起地下二層站臺(tái)振級(jí)滿足振動(dòng)限值。

(3)地鐵列車在不同時(shí)段的載重不同，列車載重越大，車站結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)及增幅越大。