何　卫， 谢伟平(1.武汉理工大学 理学院，武汉　430070； .武汉理工大学 土木工程与建筑学院，武汉　430070)



地铁车辆段列车动荷载特性实测研究

何卫1,2， 谢伟平2(1.武汉理工大学 理学院，武汉430070； 2.武汉理工大学 土木工程与建筑学院，武汉430070)

摘要：对车辆段内咽喉区、试车线和运用库的地铁列车荷载进行了实测，获得了其时频特性。基于不同线路条件、行车速度下的实测结果，分析了地铁列车荷载特性的主要影响因素。研究结果表明：地铁列车通过时，咽喉区轨枕的铅垂向加速度幅值为10～15 m/s2，荷载以高频成分为主，主频段为60～150 Hz；试车线轨枕的铅垂向加速度幅值为5～6 m/s2，荷载主频段为60～100 Hz；运用库的振动量值较小，实测的铅垂向加速度幅值为1～2 cm/s2，荷载的主频段为30～50 Hz。对地铁车辆段列车，与行车速度相比，列车荷载振动量值对线路的平顺度更为敏感。

关键词：车辆段；地铁列车荷载；实测；时频特性；咽喉区

轨道交通以其“低污染、运量大、便捷”等优点，已成为解决城市拥堵问题的有效手段，轨道交通建设近年来在我国主要城市获得了广泛发展。地铁车辆段作为停放和管理地铁列车的场所，担负着停车、检修、综合维修等功能，已成为城市轨道交通系统中不可缺少的重要组成部分。车辆段具有占地面积大、建筑密度小、上部空间闲置等特点，为增加土地的高效、集约利用，充分发挥地铁沿线的优势，增加投资回报率，自北京八王坟车辆段四惠地铁站率先开展上盖物业开发后，上海、广州、杭州、武汉等多个城市也相继进行了地铁上盖物业开发。

对于地铁车辆段上盖建筑而言，由于结构形式的特殊性，列车运行产生的振动，经由道床、立柱及平台传播至平台上方建筑，引起上部结构的振动，这会劣化上部居民或使用者的使用环境，降低其生活或工作质量。某种程度而言，振动舒适度问题已成为制约地铁上盖建筑发展和推广的瓶颈之一。

地铁引起的上盖结构振动问题，近年来已引起了部分学者重视。王毅等[1]通过类比监测分析了地铁车辆段振动与噪声对平台上居住小区的环境影响，并探讨了其振动控制措施。闫维明等[2]对地铁隧道平台和地面线路平台上多层住宅楼的竖向振动进行了现场实测，研究了结构物中的振动传播规律。谢伟平等[3]对某地铁车辆段上盖建筑的振动舒适度问题进行了研究，建立了其一般分析流程；基于分析结果提出了车辆段上盖结构的减振措施并评价了其减振效果。周莉[4]分析了地铁对上盖建筑物振动环境的影响，阐述了地铁上盖项目的振动标准，并对上盖建筑物的减振措施进行了评述。

上述研究主要集中在振动分析、环境影响评价和振动控制等方面，未涉及到荷载特性的研究。对列车荷载特性的把握是进行荷载模拟及结构振动分析的基础。研究表明，列车荷载特性与线路条件[5]、列车类型、轴重[6]、运行速度[7]等诸多因素有关。与普通铁路列车和地铁区间营运列车相比，车辆段地铁列车在线路条件、列车轴重、行车速度等方面均与之存在较大差异，由于地铁上盖物业出现和发展的历史较短，实际工程并不多，目前为止，关于地铁车辆段列车荷载特性的研究工作还十分有限。本文对国内已投入运营的宁波市轨道交通1号线某车辆段进行了振动测试，得到了各线路区段列车荷载的时频特性，基于不同线路条件、行车速度下的实测结果，分析了地铁列车荷载特性的主要影响因素。

1车辆段线路特点

车辆段内线路按功能可分为咽喉区、试车线和运用库等主要区段。咽喉区因道岔多、轨道接头多，轮轨锤击诱发的振动十分显著因而备受关注。各区段的线路特点如表1所示。与常规营运线路(地下线或高架线)不同，车辆段内线路类型更为丰富，且车辆段出入库车辆均为空载列车。

表1　车辆段各区段的线路特点

2现场测试

2.1测试方案

地铁车辆段盖下总平面图如图1所示。考虑到咽喉区轨道接头类型较多，线路条件和不平顺度存在差异，可能影响荷载的幅值和频谱特性，为使测试结果有代表性，选取了三个典型断面进行测试，测试断面如图2(a)所示。

图1　盖下总平面图Fig.1 Overall view of the car depot under the platform

测点位置：测点布置执行我国标准[8-9]，对于咽喉区和试车线，测点位于轨枕上；对于运用库，因其为架空轨道，测点置于最邻近轨道的框架柱底。咽喉区、试车线及运用库的测点布置分别如图2～图4所示。所有测点均铅垂向放置，记录行车过程中的铅垂向加速度时程。所用加速度传感器频率范围为0.4～6 000 Hz，灵敏度为10 mV/ms-2，最大量程为70g(g为重力加速度)。仪器采样频率设为1 000 Hz。

图2　咽喉区及测点布置图Fig.2 View of the throat zone and layout of the accelerometer

图3　试车线测点布置Fig.3 Layout of the accelerometer in test line

图4　运用库测点布置Fig.4 Layout of the accelerometer in operation zone

2.2测试结果分析

从时域峰值、频谱特性、能量谱及分频段振级等方面对测试数据进行分析。

对于实测离散振动信号{a}，在时域内信号能量可用式(1)表征：

(1)

式中，N为离散数据个数；m=0, 1, …,N-1。

其频域等价式可用式(2)表征：

(2)

Rj为离散数据的自相关函数：

(3)

其余符号含义同式(1)。

根据国家标准《城市区域环境振动测量方法》(GB10071-88)的规定，对振级有以下几种描述：

(1) 加速度级

定义如下：

(4)

式中，a0=10-6m/s2为基准加速度，a1为振动加速度有效值。

(2) Z振级

按ISO2631/1-1985规定的全身振动Z计权因子修正后得到的振动加速度级，记为VLz。

2.2.1咽喉区

图5～图7为6辆编组的空载地铁列车以速度v=20 km/h通过咽喉区不同监测断面时轨枕的典型铅垂向加速度结果。

图5　咽喉区轨枕的铅垂向加速度时程曲线及傅里叶幅值谱(断面1)Fig.5 Vertical acceleration time series and its Fourier spectrum of the sleeper in throat zone (section 1)

图6　咽喉区轨枕的铅垂向加速度(断面2)Fig.6 Vertical acceleration of the sleeper in throat zone (section 2)

图7　咽喉区轨枕的铅垂向加速度时程、时频图及统计能量图(断面3)Fig.7 Time series, time-frequency and statistical energy plots of the vertical acceleration of the sleeper in throat zone (section 3)

由图5～图7可知，各节车辆通过时，轨枕的铅垂向加速度表现出良好的规律性和一致性：当轮对接近监测断面时，轨枕处的加速度幅值迅速上升并在轮对通过时达到峰值，当轮对移开后振动迅速衰减，由于为单节4轴列车，单节车厢通过时时域的加速度波形出现四个明显的峰值。由图6(c)所示的时频图可知，轮对经过时振动的高频成分迅速上升，荷载主频段为60～150 Hz。

如图7(b)所示，轨枕的铅垂向加速度表现出明显的非平稳特征，在时域和频域上均表现出明显的局部集中特点，信号能量主要集中在不连续的几段时频区域内。图7(c)为将列车通过时轨枕的铅垂向加速度响应进行小波变换得到的累计能量曲线，显然，列车通过时，能量曲线表现出明显的“阶跃”性质，对应时频能量谱中的时频局部集中特点，这刚好与单节列车车厢四轮对的构造特点相吻合，这也验证了车轮和不平顺轨道的撞击作用是诱发列车振动的主要振源。

注：○表示断面1的平均振级，★表示断面2的平均振级，◇表示断面3的平均振级。图8　咽喉区轨枕的竖向分频段振级Fig.8 Vertical one-third octave of the sleeper in throat zone

图8所示为各断面的竖向分频段Z振级。由图可知，咽喉区列车荷载频段较宽，这主要是由于咽喉区道岔多，车轮经过轨道接头时锤击所致。不同断面处的分频Z振级略有差异，主要是由于各断面的轨道接头及不平顺状况存在差异，但趋势基本一致。虽然列车通过同一断面时的速度略有差异，但各断面的测试结果仍较为集中，表明测试效果良好。

2.2.2试车线

图9为6辆编组的空载地铁列车以速度v=60 km/h通过监测断面时轨枕的典型铅垂向加速度时程曲线和频谱图。轨枕铅垂向加速度幅值为5～6 m/s2，荷载主频段为60～100 Hz。各测次的竖向分频段Z振级如图10所示。

图9　试车线轨枕的加速度时程曲线及傅里叶幅值谱Fig.9 Vertical acceleration time series and its Fourier spectrum of the sleeper in test line

注：○表示各测次的平均振级。图10　试车线轨枕的竖向分频段振级Fig.10 One-third octave of the vertical acceleration of the sleeper in test line

2.2.3运用库

图11为6辆编组的空载地铁列车以速度v=5 km/h从运用库驶出时监测点地面的典型铅垂向加速度时程曲线和频谱图。实测的铅垂向加速度幅值为1～2 cm/s2，远小于咽喉区和试车线的测试结果，主要的原因是运用库采用无缝钢轨，线路平顺性较好，加之运用库采用架空轨道(便于巡视和检修)，且列车出入库速度很低，动力效应相对较弱。实测荷载的主频段为30～50 Hz，振动主频小于咽喉区和试车线的测试结果。各测次的竖向分频段Z振级如图12所示。

图11　运用库柱底的铅垂向加速度时程曲线及傅里叶幅值谱Fig.11 Vertical acceleration time series and its Fourier spectrum of the column in operation zone

图12　运用库柱底的竖向分频段Z振级Fig.12 One-third octave of the vertical acceleration of the column in operation zone

将咽喉区、试车线和运用库竖向平均分频Z振级进行对比，如图13所示。

图13　各区段列车荷载的竖向分频段振级对比图Fig.13 Comparison of the one-third octave of the vertical acceleration in different areas

由图13可知，咽喉区与试车线列车荷载的振动量级相当，由于咽喉区列车速度(约20 km/h)远小于试车线(60 km/h)，说明对地铁车辆段列车荷载而言，相较于列车运行速度，列车荷载振动量值对线路平顺度更为敏感。运用库由于列车速度低(不超过5 km/h)、轨道平顺且为架空轨道，振动量值远小于咽喉区和试车线列车荷载。从不同线路条件下(主要是轨道平顺度)列车荷载的主要振动频段进行分析可知，咽喉区地铁列车荷载主频段为60～150 Hz，以高频成分为主；试车线地铁列车荷载主频段为60～100 Hz；运用库列车荷载的主频段为30～50 Hz，振动主频小于咽喉区和试车线的测试结果。

3结论

(1) 地铁列车通过时咽喉区轨枕的铅垂向加速度幅值为10～15 m/s2，荷载以高频成分为主，主频段为60～150 Hz；试车线轨枕的铅垂向加速度幅值为5～6 m/s2，荷载主频段为60～100 Hz；运用库的振动量值较小，实测的铅垂向加速度幅值为1～2 cm/s2，荷载的主频段为30～50 Hz。

(2) 对地铁车辆段内列车荷载而言，相较于列车运行速度，列车荷载振动量值对线路平顺度更为敏感。

参 考 文 献

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[2] 闫维明，张向东，任珉，等.地铁平台上建筑物竖向振动测试与分析[J].北京工业大学学报, 2008, 34(8): 836-841.

YAN Wei-ming, ZHANG Xiang-dong, REN Min, et al.Vertical vibration measurement and analysis of buildings on metro train platforms[J].Journal of Beijing University of Technology，2008，34(8): 836-841.

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XIE Wei-ping, ZHAO Na, HE Wei, et al.Analysis on vibration serviceability of over-track buildings[J].Chinese Civil Engineering Journal, 2013, 46(6): 90-96.

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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

中图分类号:TU248.3

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.08.020

通信作者谢伟平 男，博士，教授，博士生导师，1965年生

收稿日期：2015-04-01修改稿收到日期：2015-04-17

基金项目：国家自然科学基金项目资助(51178365；51508431)；中国博士后科学基金(2015M582288)

第一作者 何卫 男，博士后，1987年生