地鐵車輛段試車線減振改造后振動特性研究

中圖分類號：U225.4 文獻標志碼：A

本文引用格式：，等.地鐵車輛段試車線減振改造后振動特性研究[J].華東交通大學學報，2025，42（3）：12-21.

Research on Vibration Characteristics After Vibration Reduction Renovation of the Testing Line in Subway Depot

ZhangLing'，PengSijie'，FengQingsong2，XuHaoneng

1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，EastChina Jiaotong UniversityNanchang33oo13，China 2. School of Transportation Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 33oo13，China）

Abstract：The issue of excessive vibration in high-rise buildings located in the test track area ofsubway depots is studying.Through on-site measurement and finite element simulation of the environmental vibration before and after the vibration reduction transformation of a subway vehicle testing line，the vibration source and the vibration transmisson law of the upper cover before and after the vibration reduction transformation were analyzed.The results indicated that the influence of vehicle speed on the dominant frequency of the source intensity affects the level of vibration transmited to various floor slabs.The vibration measured in bedrooms was relatively large under the condition of 60kmΩh ， while the vibration in living rooms was more significant under the condition of 40km/h .The vibration decreased first，then increasedand then decreased with the increased of the distance between the measuring point and the vibration source. While the steel spring floating slab reduced vibration， noise may be slightly amplified， with all vibration measurement poited at the vibration source reduced by more than 10.00dB after the modification，but the noise at the 7.5m measurement point increased by O.96 dB. Bycompared and observed the changes in vibration levels at diffrent frequencies with floor height before and after the vibration reduction modification，it was found that the maximum frequency band of vibration acceleration level shifts forward， from 25～40Hz before the modification to 20～25Hz after，which was related to the change in excitation frequency at the vibration source.Compared to conventional ballast beds，the steel spring floating slab after vibration reduction modification can significantly reduce vibrations，enabling the buildings constructed above the test track area of this depot to meet the corresponding regulatory requirements.

Key words：testing line; vibration reduction modification; field measurement; simulation; steel spring floating slab Citation format： ZHANG L，PENG SJ，FENG Q S，et al. Research on vibration characteristics after vibration reduction renovation of the testing line insubway depot[J].Journal of East China Jiaotong University，2025，42 （3）：12-21.

近年來，我國城市軌道交通發展勢頭強勁，截至2023年底，我國境內已有59個城市開通軌道交通線路，數量多達338條，其中地鐵運營里程為8547.67km ，占總運營里程的 76.1%^[1] 。為了進一步提高土地和資源空間的利用率，地鐵車輛段上蓋建筑應運而生。目前，國內外大多數車輛段仍采用地面單層結構，地鐵車輛段通常設置在線路的首尾站附近，主要承擔地鐵列車停放、檢查、整備和修理的任務。隨著城市規模的不斷擴大，車輛段的開發價值也愈發突出，車輛段的開發導致軌道交通振源與建筑之間的距離縮短，車輛段內的車輛在凌晨和深夜運行產生的振動極有可能會影響上蓋建筑中居民的正常生活[2-5]，因此掌握振源和上蓋的振動傳播規律，有效控制振動意義重大。

目前國內外專家已開展了大量研究，馮青松等[6-8在雙層車輛段內進行現場實測，發現在 80Hz 以上頻段，土體對高頻能量的衰減作用使得一層行車引起的上蓋建筑低層振動能量小于二層行車。馬曉華研究發現庫門口的振動值大于庫內區段，庫末端振動值最小，以車輛段庫門口設置不同剛度值時對建筑物的振動影響為對象進行仿真分析，通過減振效果、經濟性、施工便利性多方面的對比，建議上蓋開發地段的庫門口設計為整體道床并鋪設減振扣件，剛度宜為 15kN/mm 。曹志剛等[]使用有限元軟件仿真分析，發現道砟墊對上蓋建筑的減振效果隨著振動頻率的增大呈整體提升的趨勢， 40Hz 以上的頻段，結構最大插入損失可達 7～12dB 。車速越快，道砟墊剛度越小，對上蓋建筑的減振效果越好。賀利工等發現由于梁和樓板的阻抗作用，振動總能量在向上傳播的過程中逐漸衰減，不同傳遞路徑對不同頻段振動的衰減作用不盡相同。建筑物內振動主頻主要受樓板固有頻率影響較大，集中在 40～50Hz 。陳艷明等[1對下沉式車輛段列檢庫區域進行了現場實測，發現列車運行引起上蓋平臺的振動隨著與線路中心距離的增大呈線性衰減，其中端部股道行車時線性衰減率比中部股道要大。謝偉平等[13]對杭州某車輛段試車線上蓋建筑進行實測，發現車速改變并不能引起樓板振動主頻的變化，樓板的振動主頻始終集中在其自振頻率處。賀利工等[14通過分析某雙層車輛段庫振源特性及其傳遞衰減規律，得知車輛在運用庫二層行車比一層行車引起上方蓋板的振動響應大。岳修平等[15通過實測數據分析發現試車線的總振級最大，其次是咽喉區，最小的是庫內區，在關注上蓋建筑振動時，尤其需要對 6～63Hz 頻帶的振動進行控制，根據此研究結果可對不同區域的振動進行針對性控制。閆宇智等研究得出試車線的晝間試車速率不應超過 45km/h ，新建試車線與住宅區的距離應不小于 30m 。Zou等[17-19]發現地鐵車輛段咽喉區與試車線由于軌道結構的不同，導致上蓋建筑水平振動頻率差異較大，與咽喉區相比，試車線車輛引起的上蓋建筑水平振動以高頻段為主；車輛段上蓋建筑中，垂直振動隨與振源距離的增加而衰減，水平振動則受樓板中垂直振動波和柱中彎曲波的影響呈現不同的衰減規律。

綜上所述，既有的研究多集中在車輛段運用庫、檢修庫等庫房上蓋區域，而對試車線區域不同軌道形式的實測和仿真分析很少。而這一區域由于列車運行速率較大導致振動較大，迫切需要深入研究。且對不同軌道形式的應用研究也多在不同斷面下展開，然而其結果會受到車輛類型、運行速率、軌道不平順以及地質條件等方面差異的影響，大大降低了現場測試的精準度。本文在試車線區域進行減振改造和對比分析，減少了其他因素的影響，提高了數據的準確性。

基于此，本文對廣州某車輛段試車線源強及上蓋建筑區域進行現場實測，分析不同因素下試車線列車對周圍環境的振動影響，并用有限元軟件進行仿真，以項目減振改造前的碎石道床為對照，分析改造后鋼彈簧浮置板道床的減振效果，所得結論對類似工程減振控制及上蓋建筑布局具有重要參考價值。

1車輛段現場概況和實測方案

實測車輛段為架空式單層車輛段，其主體構筑物包括停車列檢庫、周月檢庫、靜調庫、聯合檢修庫、洗車機庫、工程車庫和試車線等，其中試車線的主要作用為測試新車與檢修后列車運行時的綜合性能，該區域列車最大時速可達 80km ，為其他區域列車速率的4＼～8倍。既有研究表明，列車速率大小與其造成的環境振動強度成正比，因此本文在試車線上設置振源和上蓋測點研究試車線列車運行造成的環境振動影響，圖1為車輛段平面示意圖，其中紅點處為振源測點，測試斷面均為有砟軌道。

上蓋建筑測點布置如圖2，其中試車線位于19#建筑物北側約 15m ，為振動敏感區。19#建筑物為框架剪力墻結構，建筑每層層高 2.9m ，總樓層為24層。測點位于建筑5層、12層和18層的客廳和臥室地板中央。

試車線有砟軌道設置了5個振動測點，具體包括：鋼軌垂向振動測點（測點1）、軌枕振動測點（測點2）砟腳地面振動測點（測點3）臨近柱子振動測點（測點4），以及距線路中心線 7.5m 處的地面振動測點（測點5），如圖3所示。

為消除車輛因素帶來的實驗誤差，本次測試采用單輛服役狀態良好的8節編組A型專車在試車線上來回行車。所用數據采集儀為NICRIO-9031和德國便攜式Head采集儀，蓋上和蓋下采樣頻率均設置為 1600Hz 。分別在車速 40km/h 和 60km/h 工況下采集測點數據20次，共獲得40組數據。

2減振改造前上蓋實測數據的分析

由于試車線的車速快于運用庫等車輛段區域，存在振動超標的風險，合理準確地評估其對上蓋建筑的影響尤為重要，國內現行振動評價指標主要為最大Z振級和分頻最大振級，能較好的反映振動強

度和峰值影響。

本文采用《住宅建筑室內振動限值及其測量方法標準》（GB/T50355—2018）對上蓋建筑中臥室的振動情況進行評價，按照《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價》（GB/T13441.1—2007）中的全身振動Z計權因子對振動加速度級進行修正得到Z振級。

其中GB/T50355—2018的Z振級限值為：臥室晝間 73dB （一級）78dB（二級），夜間70dB（一級）、75dB（二級），客廳全天 73dB （一級）、78dB（二級）。一級限值為適宜達到的限值，二級為不得超過的限值。

由于試車線上車輛在晝間與夜間均存在運行的可能，故以夜間限值作為參照標準。根據表1數據顯示，當車輛運行速率達到 60km/h 時，上蓋建筑5層臥室與12層臥室的振動值均超出夜間二級限值 75dB 。此外，5層臥室在車輛運行速率 40km/h 的工況下，振動值超過夜間一級限值；5層客廳在車輛運行速率 40km/h 的工況下，振動值也超出二級限值。值得注意的是，5層臥室在車輛運行速率 60km/h 的工況下，振動值超出二級限值 10.3dB ，存在較為嚴重的振動超標問題。

取實測40組數據分頻振級的平均值，繪制三分之一倍頻程圖，見圖4。由圖可知車輛運行速率為40km/h 的工況下，在 50～60Hz 的頻段，上蓋建筑5層臥室振動超過了一級限值，而18層在 40Hz 頻率下的振動大于12層，但未超過限值。由此也可驗證振動隨樓層增加而呈現的先減后增的規律。

車輛運行速率為 60km/h 的工況下，上蓋建筑5層臥室和12層臥室在 63Hz 頻率下振動均超過了二級限值，由此可判斷此車輛段試車線長期暴露在振動和結構噪聲環境下，嚴重影響居民的休息和工作。某些低頻段結構噪聲甚至會與人的胸腔和腦腔產生共振，引發心臟病和高血壓等健康問題。對該車輛段試車線實施改造，將原試車線有砟軌道改造為鋼彈簧浮置板結構，以降低振動與噪聲的影響。

由表1數據可以發現，試車線上蓋建筑同一樓層的振動并非完全呈現車輛行車速率越大振動越大的特點，臥室的跨徑為 3.5m×3.2m ，客廳為 6.5m× 4m ，臥室測點在車速 60km/h 工況下測得的振動大于客廳測點，而客廳測點則在車速 40km/h 工況下測得的振動大于車速 60km/h 工況，說明車速對源強主頻的影響會影響到各樓層樓板的振動水平。客廳振動較大的原因是車速 40km/h 工況下激勵頻率與客廳樓板的自頻率接近。臥室振動較大的原因是車速 60km/h 工況下，激勵頻率與臥室樓板的自振頻率接近。

通過對上蓋建筑各測點在不同車速下振動響應的對比分析發現，當車輛運行速率達到 60kmΩ_h 時，建筑的振動超標情況比 40km/h 時更為嚴重，且臥室為主要超標區域。鑒于此，亟需針對車速 60km/h 工況下的振動問題開展深入研究，并采取有效的減振措施。

為評估軌道減振降噪改造措施的實際效果，開展鋼彈簧浮置板改造前后軌道振動噪聲源強對比測試。此次測試于試車線進行，安排專車以 60km/h 的車速往返跑車30趟。測試斷面與儀器均與改造前保持一致，其中測點1、3、4、5與改造前保持一致，新增測點6用于監測道床振動情況，如圖5所示。

3減振改造前后振源實測對比分析

試車線上車速 60kmΩh 工況下測點時域對比如圖6所示，對比改造前后兩種工況，有砟軌道砟腳測點3的加速度峰值為 2.00m/s² ，加速度有效值為0.35m/s² 。鋼彈簧浮置板減振改造后砟腳測點3加速度峰值為 0.43m/s² ，有效值為 0.08m/s² 。改造前測點3的振動加速度峰值是改造后的4.65倍，有效值為改造后的4.37倍。

測點4在有砟軌道工況下的加速度峰值為0.39m/s² ，加速度有效值為 0.050m/s² ，改造后測點4加速度峰值為 0.170m/s² ，有效值為 0.028m/s² ，改造前測點4的振動加速度峰值是改造后的2.3倍，有效值為1.78倍。通過對兩個測點的數據分析與對比可知，受鋼彈簧浮置板卓越的振動衰減性能影響，道床測點的振動衰減幅度顯著高于柱子測點。

圖7給出了在某一測次測點4和測點5在 1～ 200Hz 內的振動響應，從圖7（a）可以看出，減振前后測點4的振動峰值均出現在 65Hz 處。且二者分頻振級隨頻率增加的變化趨勢相似，振動主頻段均分布在 31.50～125.00Hz 以內。全頻段內， 6～8Hz 頻段鋼彈簧浮置板道床測點4的振動略微放大， 1～ 6Hz 和 8～200Hz 鋼彈簧浮置板道床的測點4振動強度均小于改造前，鋼彈簧浮置板的減振作用使得各頻率下振級降低 12～29dB 。說明減振改造后，振動并不是全頻段減小，在 6～8Hz 頻段下會有放大現象，鋼彈簧浮置板對振源處 20～200Hz 頻段的減振效果較為明顯。

從圖7（b）可以看出，減振改造前后測點5的振動在 1～15Hz 頻段較為接近， 15Hz 以后頻段的隨頻率增大分頻振級均呈現先增大再減小的趨勢，有砟軌道工況下的測點在 50Hz 下達到第一峰值，而改造后的鋼彈簧浮置板道床測點在 65Hz 處達到第一峰值。對比 20～200Hz 頻段，發現鋼彈簧浮置板的存在使得該頻段的振動能量大幅降低，該頻段各分頻振級降低約6＼～17dB，而在 20Hz 以下頻段，二者數值相當。

為了更直觀的對比此車輛段試車線改造前后的振動變化，取減振改造前后振源處測試數據的最大Z振級平均值進行對比，如圖8所示，與改造前相比，距軌道中心 7.5m 處測點地面最大Z振級降低最為明顯，下降了 24.23dB ，振動隨與振源的距離的增加并非呈現單調遞減，在由鋼軌傳遞至軌旁立柱時振動一直在衰減，在距軌道中心 7.5m 處測點振動出現了放大。減振改造前距軌道中心 7.5m 處測點振動較軌旁立柱測點放大了 10.30dB ，改造后放大減少為 2.40dB 。改造后振源各測點振動均降低了 10.00dB 以上，但距軌道中心 7.5m 測點的噪聲略有增加。

4車輛段有限元模型的建立與驗證

鑒于減振改造前的上蓋建筑現場實測開展于居民入住前，而改造后的實測需在住戶已完全入住的情況下進行，這不僅為上蓋建筑的實測造成了一定的困難，且使得改造前后的數據對比增加了新的影響因素。為進一步探究試車線不同軌道形式對上蓋建筑振動的影響規律，本文應用有限元仿真技術，通過構建列車-軌道-土體-樁-上蓋建筑的三維全耦合動力學模型，全面模擬復雜的振動傳遞過程。輪軌不平順參數采用課題組在相似工況車輛段實測所得的鋼軌粗糙度數據，輪軌豎向力則借助動力學仿真軟件UM計算獲得。圖9為有限元模型圖。

為驗證有限元模型和輸入荷載的正確性，將改造前實測與仿真得到的振動響應進行對比，結果如圖10（a）所示，試車線上蓋建筑5層測點的實測加速度峰值為 0.07m/s² ，仿真峰值為 0.06m/s² ，模型在時域上較為吻合。

試車線上蓋建筑5層測點三分之一倍頻程圖實測與仿真對比如圖10（b）所示，振動加速度級隨頻率的增加變化趨勢基本相同，但由于未考慮車輪不圓度等因素，在 15～30Hz 時，仿真數據比實測數據大，其他頻段二者數據相近。圖10（c）為振源以及上蓋所提取Z振級對比圖，軌枕處數據仿真有1.70dB 誤差，在誤差范圍內，說明仿真模型較為準確，參數設置較為合理。

5減振改造后上蓋建筑振動傳遞分析

為研究減振改造后不同車速工況下振動在上蓋建筑中的傳遞規律，分別對 40，60，80km/h 速率工況下上蓋建筑不同樓層臥室蓋板的振動數據進行采集，結果如圖11所示。由圖11可知，隨著車速由 40kmΩ 增加至 60km/h ，各樓層Z振級均有所增加，其中低層Z振級增加9＼～12dB，由于其距離振源較近，振動由柱子和剪力墻等傳遞至上蓋建筑，隨著層高的增加，Z振級幅值的增加有所降低。上蓋建筑1層表現出較低的振動響應特性，這主要歸因于1層所處的大平臺結構，其蓋板厚度大于其他樓層，且能夠有效吸收振動能量。對比車速 60km/h 工況和 80km/h 工況，發現振動響應并不是隨著車速的增加而單調增加，上蓋建筑1＼～7層，車速 80km/h 工況下的Z振級小于 60km/h 工況， 60km/h 工況下，激勵頻率與臥室樓板的自振頻率接近，出現了振動放大的現象。車速 40km/h 工況下，上蓋建筑第9層振動衰減至最低水平，其后隨著樓層增加振動放大，原因是振動波沿上蓋柱子傳至頂層時，上部已無吸收能量的結構，這時入射波與反射波的疊加作用使振動能量增大；而車速 60km/h 工況下振動最低值出現在第13層，這與上蓋不同樓層的自振頻率不同等因素有關。但對比圖11中的夜間臥室限值，改造后試車線上蓋建筑振動水平滿足相應規范要求。振動最大值均出現在第2層的樓板，確定第2層為最有可能振動超標的樓層。于是對2層臥室進行進一步分析。

由圖12可見，上蓋建筑2層臥室測點在不同速率工況下的振動主頻均在 15～40Hz ，且在 20Hz 達到峰值，2層臥室在各頻段的振動均小于夜間限值，進一步驗證了使用鋼彈簧浮置板進行此車輛段試車線改造可使上蓋建筑振動響應滿足相應規范要求。

6減振改造前后上蓋建筑振動傳遞特性分析

以車速 60kmΩh 工況下上蓋建筑5層臥室和客廳的仿真數據為分析對象，分析減振改造前后對人體影響較大的 1～100Hz 頻段的振動響應，各工況下典型分頻振級數據如圖13所示。由圖可見，在改造前客廳和臥室的分頻振級在低頻段的差異較明顯，客廳在 1～10Hz 的振動加速度級明顯大于臥室，而改造后客廳和臥室則較為接近，這與鋼彈簧浮置板對低頻振動的衰減作用以及客廳、臥室樓板的固有頻率差異有關。

有砟軌道工況下的峰值頻率出現在 40Hz ，而改造后鋼彈簧浮置板工況下的峰值頻率出現在30Hz ，不同工況下上蓋建筑振動主要頻率均集中在 20～80Hz 處。故對此頻段進行重點分析。

由圖14（a）所示，減振改造前上蓋建筑第1層、第2層和第12層的臥室振動加速度級在 40Hz 振動頻率下達到最大，隨著樓層的繼續增加，第18層、22層和24層臥室的振動加速度級在 25Hz 下達到峰值。各樓層在 25～40Hz 頻段的振動加速度級較大，應優先考慮對此頻段進行減振，不同樓層振動隨頻率增加均呈先增后減的現象，振動頻率為 80Hz 時各層的振動均為最小。

圖14（b）中，減振改造后 31.5～40.0Hz 頻段振動加速度級下降顯著，降低近 25dB 。對比觀察減振改造前后各分頻振級隨層高的變化，發現振動加速度級最大頻段出現了前移，由減振改造前的25～40Hz 變為了 20～25Hz ，這與振源處激勵頻率的改變有關。

7結論

本文采用現場實測和仿真分析相結合的方法研究廣州某單層車輛段試車線區域車致振動源對蓋上環境振動的影響，對比分析了減振改造前后的振動響應，得到以下結論。

1）上蓋建筑同一樓層的振動并非完全呈現行車速率越大振動越大的規律，臥室測點在車速 60km/h 工況下的振動較大，而客廳測點則在車速 40km/h 工況下的振動較大。說明車速對源強主頻的影響會影響上蓋建筑各樓層樓板振動的水平。客廳振動較大的原因是車速 40km/h 工況下激勵頻率與客廳樓板的自振頻率接近。臥室振動較大的原因是車速60km/h 時，激勵頻率與臥室樓板的自振頻率接近。

2）振動隨振源距離的增大呈現先減小后增大再減小的規律，在振動傳遞至距鋼軌中心 7.5m 處振動出現了放大。減振改造前距鋼軌中心 7.5m 處振動放大 10.30dB ，改造后放大 2.40dB 。改造后振源各測點振動均降低了 10.00dB 以上，但 7.5m 測點的噪聲增加 0.96dB 。說明在鋼彈簧浮置板進行減振的同時，噪聲可能會略微放大。

3）鋼彈簧浮置板使得距鋼軌中心（振源處）7.5m 測點在 20～200Hz 頻段分頻振級降低約 6.0～ 17.0dB ，柱子測點（測點4）在 1～6Hz 和 8～200Hz 頻段降低約 12.0～29.0dB 。減振改造后，振動并不是全頻段減小，在 6～8Hz 頻段下會放大，振源處 20～ 200Hz 頻段的減振效果較為明顯。

4）減振改造后上蓋建筑 31.5～40.0Hz 頻段的振動加速度級下降顯著，降低近 25dB 。對比觀察減振改造前后各分頻振級隨層高的變化，發現振動加速度級最大頻段出現了前移，由減振改造前的25～40Hz 變為了 20～25Hz ，這與振源處激勵頻率的改變有關。

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通信作者：張凌（1978一），女，副教授，博士，碩士生導師。研究方向為軌道交通環境振動與噪聲。E-mail：19114729@qq.como

（責任編輯：李根）