浮軌扣件控制地鐵車輛段上蓋建筑振動(dòng)效果研究

劉冀釗，姜博龍

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司城市軌道交通數(shù)字化建設(shè)與測(cè)評(píng)技術(shù)國(guó)家工程研究中心,天津 300308)

引言

近年來(lái),隨著城市軌道交通大規(guī)模建設(shè)和開通運(yùn)營(yíng),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(xiàng)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(bào)、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(diǎn)到振源距離近,導(dǎo)致列車進(jìn)出車輛段時(shí)振動(dòng)噪聲問(wèn)題顯著,頻現(xiàn)噪聲振動(dòng)投訴事件。噪聲振動(dòng)問(wèn)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(duì)車輛段及上蓋物業(yè)的振動(dòng)研究主要集中在振動(dòng)傳播規(guī)律分析以及上蓋建筑振動(dòng)預(yù)測(cè)等方面,且以國(guó)內(nèi)研究為主。鄒超等[1]對(duì)廣州某車輛段開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn),獲得了咽喉區(qū)振動(dòng)在時(shí)、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(duì)比直線和曲線段的差異;馮青松等[2]也通過(guò)廣州某車輛段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,研究車輛段庫(kù)內(nèi)、試車線以及咽喉區(qū)等不同區(qū)域振動(dòng)特征以及引起的環(huán)境振動(dòng)水平。鄔玉斌等[3]通過(guò)對(duì)北京某車輛段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證其仿真預(yù)測(cè)模型,利用預(yù)測(cè)模型對(duì)上蓋建筑中振動(dòng)傳播衰減規(guī)律進(jìn)行分析。劉瑋等[4]介紹北京新機(jī)場(chǎng)線車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)軌道減振降噪設(shè)計(jì),包括咽喉區(qū)小半徑地段阻尼鋼軌、減振碎石道床、庫(kù)內(nèi)無(wú)縫線路與減振扣件等。但是對(duì)于上述措施對(duì)上蓋建筑的具體控制效果未見報(bào)道。王一干等[5]在北京某車輛段對(duì)各類減振墊浮置板軌道減振效果開展測(cè)試研究,獲得不同材料和鋪設(shè)方式對(duì)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(duì)地鐵正線、車輛段庫(kù)內(nèi)及上蓋平臺(tái)的振動(dòng)控制實(shí)測(cè)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(duì)上蓋建筑振動(dòng)控制效果的報(bào)道,使得車輛段的減振軌道設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。因此,針對(duì)浮軌扣件減振措施的減振機(jī)理和車輛段上蓋建筑控制效果,依托某地鐵車輛段運(yùn)用庫(kù)及其上蓋平臺(tái),開展振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn),并基于該車輛段建立“軌道-地層-車輛段運(yùn)用庫(kù)-上蓋平臺(tái)”耦合模型,利用獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與校核,在此基礎(chǔ)上拓展建立“軌道-地層-車輛段運(yùn)用庫(kù)-上蓋平臺(tái)-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(lì)荷載。通過(guò)求解上蓋建筑內(nèi)振動(dòng)插入損失來(lái)獲取浮軌扣件對(duì)車輛段上蓋建筑振動(dòng)的控制效果,以期為地鐵車輛段減振扣件設(shè)計(jì)選型提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

研究依托的車輛段建有上蓋平臺(tái),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(duì)象,研究采用該扣件對(duì)上蓋建筑的振動(dòng)控制機(jī)制與效果。為掌握該車輛段上蓋平臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)水平及頻率分布,針對(duì)該車輛段運(yùn)用庫(kù)開展現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試,測(cè)試傳感器布置情況如圖1所示。測(cè)試過(guò)程中,列車進(jìn)出庫(kù)的行車速度較低,大約為5 km/h。測(cè)試得到鄰近柱子和上蓋平臺(tái)表面的振動(dòng)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(tái)振動(dòng)加速度響應(yīng)的顯著頻段在25 Hz以后。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)傳感器布置情況

圖2 柱子及上蓋平臺(tái)典型振動(dòng)時(shí)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(guò)采用降低軌下支承剛度來(lái)控制振動(dòng)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(cè)模型

被測(cè)試車輛段目前已建設(shè)上蓋平臺(tái)、尚未完成建筑開發(fā)。因此,采用MIDAS/GTS NX進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)建模,模擬振動(dòng)在“軌道-地層-運(yùn)用庫(kù)-上蓋平臺(tái)-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(lì),輸入到模型中研究浮軌扣件控制上蓋建筑振動(dòng)的機(jī)制與效果。模型采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)校核,以保證模型預(yù)測(cè)的正確性和準(zhǔn)確性。圖4給出根據(jù)測(cè)試車輛段實(shí)際情況建立的“軌道-地層-運(yùn)用庫(kù)-上蓋平臺(tái)”模型以及以此為基礎(chǔ)拓展建立“軌道-地層-運(yùn)用庫(kù)-上蓋平臺(tái)-上蓋建筑”模型。模型采用實(shí)體單元模擬地層,利用板單元模擬上蓋平臺(tái)和建筑樓板,梁?jiǎn)卧M平臺(tái)與上蓋建筑的梁和柱。模型尺寸為150 m(長(zhǎng))×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(gè)房間。有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為38.9萬(wàn)個(gè),單元數(shù)為69.7萬(wàn)個(gè),為消除模擬半無(wú)限空間時(shí)有限元截?cái)噙吔缢鶐?lái)的波動(dòng)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(jiǎn)化計(jì)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(jì)算,計(jì)算過(guò)程中可將列車簡(jiǎn)化為二系彈簧質(zhì)量系統(tǒng),這主要是因?yàn)檠芯康罔F環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題時(shí),列車影響以豎向振動(dòng)為主,側(cè)滾振動(dòng)、橫向振動(dòng)及縱向振動(dòng)可忽略,因此,貢獻(xiàn)低頻振動(dòng)的簧上質(zhì)量和貢獻(xiàn)中頻振動(dòng)的簧下質(zhì)量是模擬列車振動(dòng)荷載時(shí)考慮的主要因素。簡(jiǎn)化模型如圖6所示。

圖6 豎向振動(dòng)簡(jiǎn)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(duì)位移;質(zhì)量體間相對(duì)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(jì)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(zhǎng)度。

列車荷載計(jì)算采用地鐵6節(jié)編組的B型車,n=2;M=6;L=117.2 m。測(cè)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(jì)算采用的物理力學(xué)參數(shù)[19],如表2所示。

表2 荷載計(jì)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(dòng)響應(yīng)分析。對(duì)比無(wú)上蓋建筑工況下的仿真計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(jì)算思路是采用輪軌耦合模型[19]計(jì)算與實(shí)測(cè)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(shí)程與頻譜,計(jì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)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(shí)程。圖8和圖9分別給出了計(jì)算得到的普通扣件列車荷載以及浮軌扣件列車荷載時(shí)程和頻譜。

圖7 運(yùn)用庫(kù)立柱振動(dòng)響應(yīng)實(shí)測(cè)與仿真對(duì)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(duì)此車輛段上蓋建筑的各樓層、各房間樓板中心豎向振動(dòng)進(jìn)行分析,計(jì)算分頻振級(jí)、分頻最大振級(jí)以及最大Z振級(jí)等評(píng)價(jià)指標(biāo),其中,分頻振級(jí)以及分頻最大振級(jí)對(duì)標(biāo)的限值均取自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)》,最大Z振級(jí)對(duì)標(biāo)的限值均取自GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)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(jí)對(duì)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(jí)對(duì)比,圖13給出了采用浮軌扣件后各房間最大Z振級(jí)和分頻最大振級(jí)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(jí)對(duì)比

圖12 代表性超標(biāo)房間采用浮軌扣件前后最大Z振級(jí)

圖13 采用浮軌扣件后各房間振動(dòng)達(dá)標(biāo)情況

由圖10可知,浮軌扣件在車輛段運(yùn)用庫(kù)上蓋平臺(tái)振動(dòng)顯著頻率31.5 Hz處減振效果不明顯,未能將振動(dòng)控制在限值以內(nèi)。這主要是因?yàn)楦≤壙奂?1.5 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(shí),也可從文獻(xiàn)[20]相關(guān)測(cè)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(dòng)顯著衰減,且在63 Hz時(shí)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(dòng)響應(yīng)的最大Z振級(jí)普遍減小2～5 dB。由圖13可知,采用浮軌減振扣件后僅個(gè)別房間超過(guò)夜間限值標(biāo)準(zhǔn),極個(gè)別房間超過(guò)晝間限值標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

針對(duì)某地鐵車輛段運(yùn)用庫(kù)及其上蓋平臺(tái)開展振動(dòng)測(cè)試和仿真預(yù)測(cè)模型建立,利用獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)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(duì)車輛段上蓋建筑振動(dòng)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(dòng)的減振軌道選型與設(shè)計(jì)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(yùn)用庫(kù)上蓋平臺(tái)振動(dòng)顯著頻率31.5 Hz處減振效果不明顯,未能將振動(dòng)控制到限值以內(nèi),這主要是因?yàn)楦≤壙奂?1.5 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(shí)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(dòng)響應(yīng)的最大Z振級(jí)普遍減小2～5 dB。