库内线不同减振扣件刚度组合对双层车辆段上盖建筑振动噪声影响研究.pdf
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1、第2 0 卷第9 期2023年9月D0I:10.19713/ki.43-1423/u.T20221854铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and Engineering库内线不同减振扣件刚度组合对双层车辆段上盖建筑振动噪声影响研究Volume 20Number 9September2023冯青松,江煊,成功,刘庆杰,陈艳明,徐浩能,涂勤明?(1.华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室,江西南昌330 0 13;2.广州地铁设计研究院股份有限公司,广东广州510 0 10)摘要:城市地铁列车在半下沉式车辆段内库内线运行时会引起振动噪声并传递
2、至车辆段上盖建筑,因此,在控制建造成本的前提下如何实现更优的减振降噪效果是建设车辆段上盖建筑时需要考虑的关键问题。基于结构和声学有限元方法,建立车辆-轨道-盖板-建筑物耦合模型并进行振动噪声数值仿真计算,采用3种减振扣件组合进行振动噪声对比分析。研究结果表明:车辆段上层采用中等减振扣件、下层采用高等减振扣件的组合能达到更好的减振降噪效果,乙振级的插入损失为2.054.5d B,等效A声级的插入损失为2.333.2 9dB。采用减振扣件组合后,扣件刚度降低,振动加速度级的峰值频率由40Hz降低至2 5Hz左右,A计权声压级的峰值频率不变,在50 Hz左右。地铁列车运行引起的上盖建筑客厅和卧室的Z
3、振级与等效A声级之间相关系数分别为0.8 2 2 和0.599,客厅和卧室的振动加速度级和等效声压级之间相关系数分别为0.8 32 和0.831,说明地铁列车运行引起的上盖高层建筑振动与二次结构噪声之间有一定相关性。在评价实际工程的室内二次结构噪声水平的时候,应根据室内声压分布情况选取合适的控制点进行评价。以墙角为圆心、半径11.5m的1/4圆范围内的测点较能反映室内最大二次结构噪声水平,室内中心测点的二次结构噪声最小。研究成果可为半下沉式车辆段库内线上盖建筑的振动噪声控制提供参考。关键词:减振扣件组合;上盖建筑;数值模型;环境振动;二次结构噪声;半下沉式地铁车辆段中图分类号:TB535;U
4、2 31文章编号:16 7 2-7 0 2 9(2 0 2 3)0 9-332 0-11文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID)Influence of different stiffness combinations of damping fasteners on vibration andnoise of upper building of double-deck depot excited by garage inner trackFENG Qingsong,JIANG Xuan,CHENG Gong,LIU Qingjie,CHEN Yanming,XU Haoneng,T
5、U Qinming?(1.State Key Laboratory of Performance Monitoring Protecting of Rail Transit Infrastructure,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China;2.Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510010,China)Abstract:The operation of urban subway trains in the garage inner lin
6、e of the semi-submerged depots will cause收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 5基金项目:国家自然科学基金资助项目(52 0 6 8 0 2 9,52 17 8 42 3,518 7 8 2 7 7);江西省主要学科学术和技术带头人培养计划(2 0 194BCJ22008);江西省重点研发计划(2 0 192 BBE50008)通信作者:冯青松(197 8 一),男,山西榆社人,教授,博士,从事轨道交通振动与噪声、轨道结构长期服役性能研究;E-mail:f q s h d j t d x a l i y u n.c o m第9期vibration an
7、d noise that transmit to the upper building.Therefore,under the premise of controlling theconstruction cost,how to achieve better vibration reduction and noise reduction is a key issue to be consideredwhen constructing the upper building.Based on the structural and acoustic finite element method,thi
8、s paperestablished a vehicle-track-cover plate-building coupling model,and carried out numerical simulation of vibrationand noise.Three kinds of damping fastener combinations were adopted.The vibration and noise were comparedand analyzed.The results are drawn as follows.When the upper layer of the m
9、etro depot adopts medium dampingfasteners,and the lower layer adopted superior damping fasteners can achieve better vibration and noise reductioneffects.The insertion loss of Z-weighted vibration level(Z-VL)is 2.054.5 dB,and the insertion loss ofequivalent A-weighted sound pressure level(A-SPL)is 2.
10、333.29 dB.After using the combination of dampingfastener,the stiffness of the fastener is reduced,and the peak frequency of the vibration acceleration level isreduced from 40 Hz to about 25 Hz,the peak frequency of the A-SPL remains unchanged,around 50 Hz.Thecorrelation coefficients between the Z-VL
11、 and the A-SPL of the living room and bedroom of the upper buildingcaused by the operation of the subway train are 0.822 and 0.599,respectively.The correlation coefficientsbetween the vibration acceleration level and the equivalent sound pressure level of the living room and bedroomare 0.832 and 0.8
12、31,respectively.It shows that there is a certain correlation between the vibration and secondarystructure noise of the high-rise upper building caused by the operation of subway trains.When evaluating theindoor secondary structure noise level of the actual project,the appropriate control points shou
13、ld be selected forevaluation according to the indoor sound pressure distribution.Selecting the measuring points within the range of1/4 circle with the wall corner as the center and the radius of 11.5 m can better reflect the indoor maximumsecondary structure noise level,and the indoor central measur
14、ing point has the smallest secondary structure noise.The results of this research can provide a reference for the vibration and noise control of the upper building of thesemi-submerged depots excited by the garage inner track.Key words:damping fastener combinations;upper building;numerical model;env
15、ironmental vibration;secondary structure noise;semi-submerged depot冯青松,等:库内线不同减振扣件刚度组合对双层车辆段上盖建筑振动噪声影响研究3321城市地铁线路主要贯穿人流密集的区域,以缓解地面交通压力。随着城市轨道交通的迅猛发展,为提高城市中人流密集区域的空间利用率,对地铁车辆段进行上盖物业开发成为热门趋势,国内北京、上海、广州、深圳等很多城市的尝试已取得显著成效。目前,车辆段多采用地面式,但下沉式车辆段和半下沉式车辆段凭借其更高的土地使用效率被更多城市所使用。半下沉式车辆段地下负一层、地上一层为地铁车辆停放、检修和管理的中
16、心场所,车辆段库内线包含试车线、停车库线(停车场)、列检库线、月检库线、重全检库线、换轮库线、工程车库线等。地铁在半下沉式车辆段一层运行时,振动不经过土体衰减作用,直接由建筑基础、上盖平台传递到上盖建筑。因此,半下沉式车辆段车致振动引起的上盖建筑振动及二次结构噪声问题不容忽视。国内外学者对高速铁路、城市轨道交通引起的环境振动问题开展了一系列研究,研究方法包括现场实测和数值仿真1-8。对于高速铁路、城市轨道交通引起的上盖建筑二次结构噪声,WALKER等通过研究发现,地铁振动引起建筑物二次结构噪声的频率范围一般在2 0 2 0 0 Hz,噪声峰值一般在50 8 0 Hz出现,声压级在3545dB之
17、间。辜小安等0 在北京地铁复兴门-西单区间列车通过时对周围旧平房建筑的二次结构噪声进行实测,将实测结果与KURZWELL提出的室内二次结构噪声链式衰减预测公式计算结果进行对比,证明预测公式对于我国工程实际同样适用。尹志刚等12 通过建立噪声预测模型,计算发现地铁线路附近建筑物的二次结构噪声峰值声压出现在8 16 Hz和50 8 0 Hz范3322围内。申道明等13通过对上海地铁线路附近的居民住宅进行室内声场的声压实测,发现在低频段,绝大多数实测噪声声压级大于背景噪声声压级6dB以上,说明该频段内实测噪声以二级结构噪声为主。张天琦等14通过对距离隧道上边线2 5m以上的建筑物进行振动和室内二次结
18、构噪声实测,发现振动与二次结构噪声的峰值频率基本一致。国内已建成的地铁车辆段上盖物业相对较少,车辆段内设置了减振措施的可供参考案例也并不多,学者们对于二次结构噪声的研究只能基于地铁沿线建筑物而非地铁车辆段上盖物业,且研究方法多为现场实测。基于此,本文依托课题组承接的某半下沉式车辆段工程,通过建立车辆-轨道-盖板-建筑物耦合模型进行振动噪声数值仿真计算。由于列车在库内线运行时通常为空载,且运行速度通常控制在10 km/h左右,速度不快,因此在控制建造成本的前提下,不考虑采用钢弹簧浮置板名称层厚/m素填土11淤泥质土9.3粉细砂9.7铁道科学与工程学报减振措施,仅考虑采用减振扣件。设置3种减振扣件
19、组合,研究车辆段内库内线不同减振扣件组合对车辆段上盖建筑的振动噪声影响,为半下沉式车辆段上盖建筑的振动噪声控制提供参考。1工程概况所研究的半下沉式车辆段为双层预制拼装车辆段,工程主体结构采用双层钢筋混凝土框架结构,车辆段顶盖上方拟进行物业开发。车辆段的地勘土层参数如表1所示。车辆段平台主要盖板包括:-11.5m底板、0 m盖板、9 m盖板和16 m盖板,盖板工程用地面积17.95万m。其中,-11.5m底板为车辆段负1层行车层,0 m盖板为车辆段一层行车层,9m盖板为汽车停车库和设备层,16 m盖板为小区地面层。车辆段剖面、立面图如图1所示。表1车辆段地勘土层参数Table 1 Soil pa
20、rameters of the depot obtained after geological survey密度/(kgm)17601 70019502023年9月剪切波速/(ms)泊松比191.70.470130.20.483194.50.47116m盖板59m盖板弹性模量/MPa206.6385.4206.4地板15 600C-R2模型建立针对上述车辆段建立车辆-轨道-盖板-建筑物耦合振动模型,该模型包括2 个子模型:1)车辆-轨道耦合模型。根据运行车辆及车辆段内轨道结构,采用多体动力学的方法计算轮轨间竖向作用力。2)轨道-盖板-建筑物耦合模型。采用有限元的方法,考虑轨道结构和土层及建筑的
21、实际参数,177003300图1车辆段剖面、立面图Fig.1Section and elevation of depot建立耦合有限元分析模型。施加在钢轨上的轮轨竖向力由多体系统动力学仿真软件UM所得,仿真计算采用地铁6 A型车辆,长19m,宽2.8 m,高3.8 m,6 节车编组的列车长度为116 m。不平顺选取课题组在另一车辆段内实测的钢轨粗糙度,在进行轮轨力计算时,将列车运行速度设置为2.5m/s。库内线轨道结构为预制短立柱式轨道结构。计算所得轮轨力如图217900单位:mm176001760012.700C-J第9期所示。47464544430Fig.2 Time domain dia
22、gram of wheel-rail force本文建立的建筑物模型位于运用库停车列检库L-4股道L-19股道(即停车列检库C-R排柱C-J排柱)上方,考虑车辆段负1层和1层均在L-12股道行车的情况,钢轨纵向长度为2 倍列车的长度。采用大型通用有限元分析软件ANSYS建立车辆-轨道-盖板-上盖建筑精细化有限元模型,模型各结构单元选择及材料参数如表2 所示。采用等效三维一致黏弹性人工边界对地基计算域边界进行模拟。建筑共19层,结构总高度为6 3.6 m,建筑第1层层高6 m,第2 层以上标准层高为3.2 m。表2 各结构单元选择及材料参数Table 2SSelection of structu
23、ral elements andmaterial parameters泊松弹性模密度/名称比量/MPa(kgm)素填土0.470206.63淤泥质土0.483粉细砂0.471承台0.2桩基础0.2钢轨0.32100007830短立柱0.2混凝土砌体0.2外墙0.2C50剪力墙0.2C40剪力墙0.2C30剪力墙0.2冯青松,等:库内线不同减振扣件刚度组合对双层车辆段上盖建筑振动噪声影响研究图3所示,整体模型如图4所示。48时间/s图2 轮轨力时域图176085.41 700206.4195033002.50034502.400345002.40034 5002.40033 0002.50034
24、 5002.420315002.40030 00023853323上盖建筑为框架剪力墙结构,15层剪力墙采用C50混凝土,6 15层剪力墙采用C40混凝土,16 层以上采用C30混凝土。由于在基于舒适度评价的动力计算中,填充墙对整体结构的影响与抗震设计中的剪力墙相当,故建模时需建立填充墙模型15。填充墙采用混凝土砌体砌筑,除此之外,车辆段及上盖建筑内的柱子、梁、楼板均采用混凝土砌体材料。上盖建筑标准层平面布置如1216单元选择solid45solid45solid45solid45beam188beam188beam188beam188,shell63shell63shell63shell63
25、shell6320地铁线路主卧厅B1图3标准层平面布置Fig.3 Layout plan of standard floor图4整体有限元模型Fig.4Entire model of FEM3实测验证由于所建立的模型还未完成实际的上盖建设,3324因此以广州某地面单层式车辆段为例,将仿真结果与实测结果进行对比,以验证车辆-轨道-盖板-建筑物耦合模型建立方法的合理性与可行性。运用库上方的盖板是一整块现浇混凝土板,与咽喉区、检修库通过伸缩缝分隔开,该区域柱子成棋盘式均匀分布,将整块盖板划分为各块小区域。根据设计单位反馈的该车辆段的地勘土层资料及建筑结构参数,与所建模型基本一致。因此,在采用ANSY
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