浮轨扣件控制地铁车辆段上盖建筑振动效果研究

2023-08-21刘冀钊姜博龙

铁道标准设计 2023年8期

刘冀钊，姜博龙

(中国铁路设计集团有限公司城市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程研究中心,天津 300308)

引言

近年来,随着城市轨道交通大规模建设和开通运营,供车辆停放、检修和整备的车辆段也不断增多,截至2020年年底,仅北京就达50座。土地资源紧张、人口高度密集的特大城市修建地铁车辆段,如果能够利用车辆段上部空间开展综合开发,尤其是进行住宅项目,不仅能大大提高城市土地利用率、涵养客流,还能获取丰厚的投资回报、反哺轨道交通建设。但是,由于车辆段轨道形式复杂、钢轨接头多、行车状态富于变化、敏感点到振源距离近,导致列车进出车辆段时振动噪声问题显著,频现噪声振动投诉事件。噪声振动问题已成为制约车辆段上盖物业开发的关键性因素之一。

目前,针对车辆段及上盖物业的振动研究主要集中在振动传播规律分析以及上盖建筑振动预测等方面,且以国内研究为主。邹超等[1]对广州某车辆段开展现场测试试验,获得了咽喉区振动在时、频域内的传播衰减规律,传导到邻近建筑的主要频段为4～60 Hz,并对比直线和曲线段的差异;冯青松等[2]也通过广州某车辆段现场测试,研究车辆段库内、试车线以及咽喉区等不同区域振动特征以及引起的环境振动水平。邬玉斌等[3]通过对北京某车辆段现场测试验证其仿真预测模型,利用预测模型对上盖建筑中振动传播衰减规律进行分析。刘玮等[4]介绍北京新机场线车辆段上盖物业开发轨道减振降噪设计,包括咽喉区小半径地段阻尼钢轨、减振碎石道床、库内无缝线路与减振扣件等。但是对于上述措施对上盖建筑的具体控制效果未见报道。王一干等[5]在北京某车辆段对各类减振垫浮置板轨道减振效果开展测试研究,获得不同材料和铺设方式对减振效果的影响。此外,还有部分减隔振措施聚焦于路径隔振[6-7]以及建筑减隔振[8-9]。

从上述代表性研究工作和成果可以看出,目前现有的轨道减振措施众多[10-13],对地铁正线、车辆段库内及上盖平台的振动控制实测效果[14-17]较为明确。但由于上盖建筑开发起步较晚,且缺乏相关减振轨道改造案例及其对上盖建筑振动控制效果的报道,使得车辆段的减振轨道设计缺乏科学依据和数据支撑。因此,针对浮轨扣件减振措施的减振机理和车辆段上盖建筑控制效果,依托某地铁车辆段运用库及其上盖平台,开展振动测试试验,并基于该车辆段建立“轨道-地层-车辆段运用库-上盖平台”耦合模型,利用获得的实测数据对模型进行验证与校核,在此基础上拓展建立“轨道-地层-车辆段运用库-上盖平台-上盖建筑”耦合模型,并输入普通扣件和浮轨减振扣件条件下的激励荷载。通过求解上盖建筑内振动插入损失来获取浮轨扣件对车辆段上盖建筑振动的控制效果,以期为地铁车辆段减振扣件设计选型提供指导和依据。

1 现场测试

研究依托的车辆段建有上盖平台,但尚未完成上盖建筑开发,目前已投入使用。其中,轨道做了改造预留。以浮轨扣件减振措施为研究对象,研究采用该扣件对上盖建筑的振动控制机制与效果。为掌握该车辆段上盖平台振动响应水平及频率分布,针对该车辆段运用库开展现场振动测试,测试传感器布置情况如图1所示。测试过程中,列车进出库的行车速度较低,大约为5 km/h。测试得到邻近柱子和上盖平台表面的振动加速度响应,如图2所示。从图2中可以看出,柱子和上盖平台振动加速度响应的显著频段在25 Hz以后。

图1 现场传感器布置情况

图2 柱子及上盖平台典型振动时程与1/3倍频程

2 浮轨扣件减振原理

浮轨扣件主要由橡胶楔块、侧挡板、铸铁锁紧楔块、扣入型挡肩、底板和锚固螺栓组成,其中,橡胶楔块是扣件系统减振的核心部件。浮轨扣件一般可分为嵌入型结构和底板型结构,既有线路改造通常采用底板型结构,如图3所示。

图3 底板型浮轨扣件

影响减振措施减振性能的主要因素包括减振目标的质量、减振系统的阻尼以及支承刚度等。利用扣件减振主要是通过采用降低轨下支承刚度来控制振动由轨道向轨下基础传递。系统固有频率为

(1)

式中,K为减振系统的支承刚度;M为参振质量。

3 车辆段上盖仿真预测模型

被测试车辆段目前已建设上盖平台、尚未完成建筑开发。因此,采用MIDAS/GTS NX进行仿真预测建模,模拟振动在“轨道-地层-运用库-上盖平台-上盖建筑”等多系统中的传播衰减,并采用数定荷载模型求解普通扣件和浮轨扣件下的轮轨激励,输入到模型中研究浮轨扣件控制上盖建筑振动的机制与效果。模型采用现场监测数据校核,以保证模型预测的正确性和准确性。图4给出根据测试车辆段实际情况建立的“轨道-地层-运用库-上盖平台”模型以及以此为基础拓展建立“轨道-地层-运用库-上盖平台-上盖建筑”模型。模型采用实体单元模拟地层,利用板单元模拟上盖平台和建筑楼板,梁单元模拟平台与上盖建筑的梁和柱。模型尺寸为150 m(长)×140 m(宽),采用的材料参数见表1。建筑房间平面布置如图5所示,共设有12层,每层13个房间。有限元模型节点数为38.9万个,单元数为69.7万个,为消除模拟半无限空间时有限元截断边界所带来的波动反射影响,模型采用人工粘弹性吸收边界,阻尼模拟采用瑞利阻尼。

表1 有限元模型材料参数

图4 有限元模型

图5 简化计算模型中建筑房间分布示意

向模型中输入的荷载采用数定方法[18]计算,计算过程中可将列车简化为二系弹簧质量系统,这主要是因为研究地铁环境振动问题时,列车影响以竖向振动为主,侧滚振动、横向振动及纵向振动可忽略,因此,贡献低频振动的簧上质量和贡献中频振动的簧下质量是模拟列车振动荷载时考虑的主要因素。简化模型如图6所示。

图6 竖向振动简化模型

根据图6可得轮轨间的相互作用力为

(2)

式中,m1、m2、m3分别为质量体质量;z0、z1、z2、z3分别为质量体绝对位移;质量体间相对位移u1=z1-z0,u2=z2-z1,u3=z3-z2,而沿纵向均匀分布的列车线荷载可按下式计算

F(t)=K·n·M·P(t)/L

(3)

式中,K为修正系数,一般取1;n为每节车厢的转向架数;M为列车车厢数;L为列车长度。

列车荷载计算采用地铁6节编组的B型车,n=2;M=6;L=117.2 m。测试车辆段现行采用的扣件为DTVI2扣件,研究的减振扣件为浮轨扣件。荷载计算采用的物理力学参数[19],如表2所示。

表2 荷载计算采用的物理力学参数

将普通扣件荷载输入到上盖模型,并进行振动响应分析。对比无上盖建筑工况下的仿真计算结果和现场实测结果,如图7所示。结果吻合良好,可进一步开展浮轨扣件减振效果研究。浮轨扣件反力计算思路是采用轮轨耦合模型[19]计算与实测车辆段列车车速相同条件下的浮轨扣件反力以及DTVI2扣件反力时程与频谱,计算不同频率下的比例系数,将该比例系数乘到车辆段实测数据计算得到的数定荷载频谱上,再进行傅里叶逆变换获得浮轨扣件下的荷载时程。图8和图9分别给出了计算得到的普通扣件列车荷载以及浮轨扣件列车荷载时程和频谱。

图7 运用库立柱振动响应实测与仿真对比

图8 普通扣件列车荷载

图9 浮轨扣件列车荷载

4 浮轨扣件控制上盖建筑效果研究

对此车辆段上盖建筑的各楼层、各房间楼板中心竖向振动进行分析,计算分频振级、分频最大振级以及最大Z振级等评价指标,其中,分频振级以及分频最大振级对标的限值均取自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》,最大Z振级对标的限值均取自GB 10070—88《城市区域环境振动标准》。图10给出了部分超标房间在采用浮轨扣件前后分频振级对比,图11给出了部分代表性超标房间在采用浮轨扣件前后插入损失,图12给出了部分代表性超标房间在采用浮轨扣件前后最大Z振级对比,图13给出了采用浮轨扣件后各房间最大Z振级和分频最大振级的达标情况。

图10 代表性超标房间采用浮轨扣件前后振级对比

图12 代表性超标房间采用浮轨扣件前后最大Z振级

图13 采用浮轨扣件后各房间振动达标情况

由图10可知,浮轨扣件在车辆段运用库上盖平台振动显著频率31.5 Hz处减振效果不明显,未能将振动控制在限值以内。这主要是因为浮轨扣件在31.5 Hz以后方呈现较为稳定且显著的减振效果,这从图11的插入损失中可以看出。同时,也可从文献[20]相关测试成果中得到印证。从图11还可看出,采用浮轨减振扣件后,31.5 Hz以后振动显著衰减,且在63 Hz时插入损失达到最大,最大可达到15 dB的衰减效果。由图12可知,采用浮轨减振扣件后,建筑楼板振动响应的最大Z振级普遍减小2～5 dB。由图13可知,采用浮轨减振扣件后仅个别房间超过夜间限值标准,极个别房间超过昼间限值标准。