地铁车辆段库内振动测试及分析

张磊磊,柴 博

（中国铁路设计集团有限公司 机环院,天津 300308）

0 引言

目前，国外关于地铁车辆段上盖物业振动的研究主要集中于采用工程措施来改变结构本身的自振频率和结构刚度，以此抑制振动的扩散传播，从而达到减振降噪的目的。一些学者也通过有限元或实验模拟分析得到列车运行时的振动传播规律。相比国外，国内对城市轨道交通车辆段上盖物业开发研究起步较晚，但近年来取得了快速发展。2012年，林君城对地铁车辆段上盖物业可行性进行分析，阐述了将地铁车辆段与上盖物业有机结合起来，对合理节约用地、促进社会经济发展具有重要意义[1]。为了评估地铁车辆段对上盖物业的振动影响程度，邹林志等以车辆段内列车进出道岔段对地面及上盖物业产生的振动影响作为研究对象，分析得到道岔段断面处的振动均大于与之相对应的直线段断面处地面振动[2]；随后，程保青等研究了地铁车辆段咽喉区振动对上层物业的振动影响，通过建立轨道-地基土-上盖建筑有限元模型，仿真验证了咽喉区对高层建筑的振动影响程度更大，上盖建筑物内的最大振级会随离地平台高度的增加而增大[3]；吕文婷根据试验数据分析了地下车辆段上层物业各楼层的振动传播规律以及测试特点，并利用有限元软件建立车辆段上盖物业模型进行预测分析，得到整体建筑物的振动情况满足相关标准[4]。董光辉分析了上盖物业地铁采用不同轨道类型时，列车出入车辆段引起对周围建筑物的振动影响程度，并通过有限元仿真得出浮置板结构碎石道床可以明显地降低对周围建筑物的振动影响，为地铁上盖物业道床的选取提供了重要参考[5]。

该文以地铁车辆段库内地面振动为研究对象，通过对试验测试数据做时域、频域分析处理，得到车辆段库内检查坑地面测点沿水平顺轨方向、水平垂轨方向的振动变化规律及传播特性，为今后城市中同类地铁上盖物业的开发建设提供参考。

1 地铁车辆段库内振动响应测试

该次研究选取某城市轨道交通上盖物业车辆段，主体包括三部分，其中地面层为地铁停车场，二层为汽车停车场，最上层为上盖物业（在建），总建设面积约8万m2。该次测试库内线为立柱式检查坑整体道床、50 kg/m钢轨。

1.1 测试仪器

该次测试采用丹麦的B&K多通道振动噪声测试系统，选用1台笔记本电脑、4个振动传感器、移动电源及若干数据线等设备进行数据采集及分析。

1.2 测点布置

该文主要研究列车进出地铁车辆段时，车辆段库内检查坑沿水平顺轨方向、水平垂轨方向的地面测点，在铅锤向振动加速度的变化规律及特点。为更直观描述出各断面的振动变化规律，这里采用对比测试分析法，分别在地铁车辆段库内端部、库内中部设置2处监测断面，共布设4个监测点。该次试验运行地铁A型车，采用8节编组，并且根据试验测试要求，车辆试验运行车速需与运营车速保持一致。为了消除测试误差，选取振动波形完整的、信噪比高的、无明显畸变的4组有效振动测试数据，并且各组有效数据截取列车完全通过测点时所需要的时长，分析库内地面沿顺轨、垂轨方向在铅锤向的振动变化规律。具体测点布置如图2所示，其中测点1位于车辆段库内端部靠近轮轨0.5 m处，测点2位于车辆段库内端部距近轨3.5 m桩基外侧墙壁处，测点3位于车辆段库内中部靠近轮轨0.5 m处，测点4位于车辆段库内中部距近轨3.5 m桩基外侧墙壁处。

2 地铁车辆段库内测试数据及分析

通过对试验测试数据进行滤波、FFT处理，得到各测点的时域波形图以及1/3倍频程曲线，分析各断面测点铅锤向振动加速度沿顺轨方向、垂轨方向的变化规律。

2.1 时域指标分析

在时域信号分析时，可以反映出振动信号的原始波形，得到振动幅值随时间变化关系。

车辆段端面两个测点（轨旁0.5 m处和桩基侧墙处）的振动加速度响应基本一致，车辆段中部两个测点的振动响应的变化规律也具有很好的一致性，并且车辆段中部振动响应较端部存在时间的滞后性，这与实际监测相符，表明了采集的数据是良好的。

2.2 频域指标分析

上文已对时域信号进行分析，但是无法直观反映振动加速度沿水平顺轨方向、水平垂轨方向的变化规律，因此经过傅里叶变换得到振动频谱，分析各断面测点在相同频带内的振动加速度、加速度级的频率特性变化规律。

根据《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》（JGJ/T 170—2009）[6]的评价要求，对测试数据做1/3倍频程分析后，按标准中规定的Z计权因子进行修正，取频率计权范围为4~200 Hz，得到各1/3倍频程中心频率上的分频最大振级，见下式：

式中，VLi——中心频率fi频带处加速度振级；VLmax——分频振级最大值（dB）；αii——各个频带的计权因子。

2.2.1 顺轨方向振动响应分析

如图1（a）所示，轮轨轨旁0.5 m处测点1和测点3的振动加速度随频率的变化趋势基本一致。在1~12.5 Hz频带处库内端部测点的振动加速度略大于中部测点，随着频率的逐渐增加，库内端部和中部各测点的振动加速度响应变化规律基本吻合。库内轮轨端部0.5 m处的1/3倍频程中心频率对应的最大振级为57.3 dB，中部0.5 m处为57.9 dB，其主振频率范围均在20~63 Hz之间。根据测试数据分析得出，列车进出地下车辆段时沿水平顺轨方向在低频时存在差异，但随着频率的增加差异减小，趋于吻合。

图1 顺轨方向振动及分频最大振级图

如图1（b）所示，对于库内桩基外侧墙壁3.5 m处测点2和测点4的振动响应，与轨旁0.5 m处的变化规律保持一致，从而计算得到在库内端部3.5 m处1/3倍频程中心频率对应的最大振级为44.1 dB，中部3.5 m处为48.3 dB，主振频率范围均在10~63 Hz之间。另外，除个别频率点处的最大振级出现突变外，两测点的最大振级变化规律基本相同，这与轮轨0.5 m处的变化规律保持一致。

2.2.2 垂轨方向振动响应分析

从图2（a）可以看出，地下车辆段端部测点1、测点2振动加速度响应和最大振级在1~20 Hz倍频程内基本吻合。由于水平垂轨方向存在距离衰减，经地面传递到测点2时的振动能量减小，因此随着频率的增加振动响应逐渐减弱，这是因为低频信号传递中不易衰减，但是随频率的增大，高频能量衰减得更快、更明显，振动加速度响应也相应减弱。根据试验测试数据，库内端部处的主振频率范围在 20~63 Hz之间，并且振级总体呈现出衰减的趋势，除个别频率点处，两测点的频率特性变化规律也基本一致。

图2 垂轨方向振动分频最大振级图

如图2（b）所示，车辆段库内中部振动加速度及分频最大振级变化规律与端部垂轨方向的变化规律一致，即中部断面各测点沿水平垂轨方向振动响应逐渐衰减，但衰减的幅度与频率的高低有关。

3 结论

该文以地铁车辆段库内检查坑地面振动为研究对象，通过对现场试验测试，数据分析处理得到库内各断面测点在时域、频域下的变化规律及特点，主要结论如下：

（1）顺轨方向振动响应关系：车辆段库内轮轨和桩基处各测点沿水平顺轨方向振动响应在低频时存在差异，随频率的增加差异逐渐减小，趋于吻合。

（2）垂轨方向振动响应关系：车辆段库内端部和中部各测点沿水平垂轨方向振动响应逐渐衰减，但衰减的幅度与频率的高低有关。