CN114112262B - 轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法，使用的模型由混凝土板、条形混凝土台、喷涂纤维材料组成，在混凝土板上表面设置测点、布置振动加速度传感器并连接数据采集仪，通过控制器调节激振器的激振力大小和激振频率，向两条形混凝土台同步施加单频连续垂向振动荷载，使模型的垂向加速度、激振频率分别与被评估的轨道交通高架站房正线下方楼面混凝土板振动的楼面等效垂向加速度、等效振动频率一致，每达到列车激振等效每年时长的整数倍时统计混凝土板下方掉落的喷涂纤维材料的重量，计算车致振动落屑量随使用年限的变化趋势。该方法适用于测定和评估站房列车振动引起的楼面喷涂纤维材料的脱落量随时间的变化趋势。
Description
技术领域
本发明属于振动试验领域，特别是涉及一种轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法。
背景技术
喷涂纤维材料是一种纤维类装修材料，可直接喷涂敷设在建筑楼板的表面，相对于传统玻璃棉、岩棉等纤维材料，具有安装便捷的优势，已越来越多应用于大型公共建筑。对于有正线列车通过的高架式轨道交通高架站房，可以在正线下方候车区域的楼面敷设喷涂纤维材料，用于降噪和保温。
但是，正线列车通过时会引起线路正下方楼面强烈振动，进而会引起楼面喷涂纤维材料脱落纤维屑。为此，需要通过实验室内的模型试验预先测定和评估车站设计年限内落屑数量随时间的变化，以便为制定维护周期提供参考。
(GBT36492-2018)《矿物棉制品纤维脱落测定方法》提供了一种利用模型测量纤维脱落量的方法，但是不能模拟由于列车通过引起建筑构件产生的振动导致的纤维脱落。而其他现有振动模型试验方法中，振动加速度幅度、频率等特性与轨道交通高架站房内正线列车通过时的楼面振动不一致，不能用于测定和评估列车振动引起的纤维脱落。
发明内容
本发明针对纤维材料振动落屑试验方法的不足，提供一种轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法，实现对站房正线下方楼面喷涂纤维材料局部构造及正线列车引发楼面振动的模拟，为制定维护周期提供参考。
为此，本发明提供以下技术方案：
一种轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法，包括以下步骤：
S1.制作模型：所述模型由混凝土板、条形混凝土台、喷涂纤维材料组成，其中，所述条形混凝土台有两个，且尺寸相同、平行摆放在水平地面上；所述混凝土板的两侧边缘固定在所述条形混凝土台上，所述喷涂纤维材料敷设在所述混凝土板下表面、两个条形混凝土台之间；
S2.在所述混凝土板上表面设置多个测点，在所述测点处布置振动加速度传感器，将所述振动加速度传感器连接数据采集仪，将激振器连接控制器；
S3.通过激振器对两个条形混凝土台同步施加单频连续垂向振动荷载，通过所述振动加速度传感器和数据采集仪采集并记录测得的振动加速度；计算全部测点的振动加速度的均方根值，计算结果记为模型垂向加速度Am；
S4.通过所述控制器调节所述激振器的激振力大小和激振频率，使所述模型垂向加速度Am、激振频率Fm分别与所评估的轨道交通高架站房正线下方楼面混凝土板振动的楼面等效垂向加速度Ae、楼面等效振动频率Fe一致；
S5.通过所述控制器调节所述激振器在所述等效振动频率Fe下进行连续激振，连续激振时间为所评估的轨道交通高架站房正线列车通过时的列车激振等效总时长Te，当连续激振每达到列车激振等效每年时长Ty的整数倍时，统计所述混凝土板下方掉落的喷涂纤维材料的重量，至达到列车激振等效总时长时停止激振；
S6.将得到的各重量值除以喷涂纤维材料的面积，得到每平米喷涂纤维材料的车致振动落屑量随使用年限的变化趋势，根据该变化趋势确定楼面维护周期。
上述楼面等效垂向加速度Ae、楼面等效振动频率Fe、列车激振等效总时长Te和列车激振等效每年时长Ty通过以下步骤获得：
1)采用现场实测或仿真分析方法确定正线列车通过站房时安装喷涂纤维材料的楼面混凝土板垂向振动加速度最大值Amax所在的位置；
2)对所述的楼面混凝土板垂向振动加速度最大值Amax所在的位置，提取现场实测数据或仿真分析结果中楼面混凝土板表面垂向振动加速度时程曲线AT；所述时程曲线AT包括Ns个相连的时间长度为Ts的分段时程，且其中：
V：正线列车通过站房时的车速，m/s；
L：列车平均车长；
C：单趟列车包含的平均车厢数；
所述Ns个分段时程涵盖列车头部抵达加速度最大值Amax所在的位置至尾部离开加速度最大值Amax所在的位置的时间段；所述Ns个分段时程中，第i个分段时程对应的垂向加速度时程曲线为A(Ni)，其中，(Ni＝1,2,……Ns)；所述时程曲线AT的总时长记为T＝Ns·Ts，数据采样时间间隔为0.001s至0.005s；
3)对所述Ns个分段时程对应的垂向加速度时程曲线A(Ni)求加速度频谱，得到Ns个加速度频谱，其中，每个所述加速度频谱包含Nf个频率，所述第j个频率为Fj，(j＝1,2,……,Nf)；进一步地，第i个分段时程的第j个频率对应的加速度有效值为A(Ni,Fj)；
4)计算所述Ns个分时程对应的加速度平方和E(Ni)，其中，对所述加速度平方和E(Ni)由大到小进行排序，取其中最大的前C-1个，记为分段时程有贡献功率Ee(Nm)，Nm＝1,2,……,C-1；对所述的全部Ee(Nm)，回溯其对应的各频率加速度有效值，记为分段时程分频有贡献加速度Ae(Nm,Fj)；
5)利用所述分段时程分频有贡献加速度Ae(Nm,Fj)计算楼板振动等效频率Fe，表达式为：
6)利用所述分段时程有贡献功率Ee(Nm)计算楼板振动等效加速度Ae，表达式为：
其中，表示对所述C-1个分段时程有贡献功率Ee(Nm)做能量平均后取其加速度值，/>时间长度为Ts的分段时程的能量归并至单个轮对通过所述Amax所在的位置时对振动有实际作用的时间段内；
7)计算列车激振等效总时长Te和列车激振等效每年时长Ty：每年按365天计，则：
其中：
Y：站房喷涂纤维材料设计使用年数；
P：单条正线每天通过列车的平均趟数。
上述方法中，所述混凝土板的上、下表面为正方形，正方形的边长为800mm至1600mm，混凝土板厚度为50mm至300mm；所述混凝土板所采用的材料和板表面的平整度与所评估的轨道交通高架站房楼板下表面的材料和平整度一致。所述喷涂纤维材料及敷设安装工艺、安装厚度与所评估的轨道交通高架站房喷涂纤维材料及敷设安装工艺、安装厚度一致。优选的是，喷涂纤维材料的安装面积≥600mm×600mm，敷设安装区域为正方形，居中敷设在所述混凝土板下表面。
优选的是，所述条形混凝土台的截面为矩形，高度为100mm至500mm，宽度200mm至500mm，长度大于混凝土板边长；所述条形混凝土台与混凝土板使用的材料一致。
所述混凝土板下表面与所述条形混凝土台的上表面重合部位采用混凝土直接浇筑方式连接，或采用螺栓、植入钢筋方式连接，或在所述混凝土板上表面与所述重合部位对应的范围内施加重压，使所述混凝土板下表面与所述条形混凝土台的上表面重合部位紧密贴合。
优选的是，在所述混凝土板上表面设置四条测线，其中，两条测线沿所述混凝土板上表面的两条对角线方向设置，两条测线沿所述混凝土板上表面的两组对边的垂直平分线方向设置。
优选的是，在每条所述测线上设置多个测点，并在测点位置布置所述加速度传感器，其中一个测点须设置在所述混凝土板上表面正中，其余测点围绕混凝土板上表面中心点对称布放，每条测线的测点数量相同、测点间隔≥100mm，所有测点均位于所述喷涂纤维材料向所述混凝土板上表面投影的范围内。
优选的是，所述加速度传感器的总重量不超过所述混凝土板重量的1/100。
优选的是，所述激振器的可输出单频连续激振力≥10000牛，激振频率下限≤4Hz，激振频率上限≥200Hz。
本发明适用于测定楼面喷涂敷设的纤维类材料在列车振动作用下脱落纤维屑数量随时间变化的趋势。与现有技术相比，其具有以下优点和积极效果：
1、本发明提出了一种振动落屑试验方法，能够利用模型试验较准确地测定建筑内敷设的纤维材料在振动作用下的脱落量，解决了现有纤维脱落测定方法无振动源输入、不反应真实运营环境，导致测量结果与实际不一致的问题；
2、本发明提出了模型的振动试验所需的轨道交通高架站房正线列车通过时楼面等效垂向加速度、楼面等效振动频率、列车激振等效总时长和列车激振等效每年时长的计算方法，能近似模拟正线列车通过引起的楼面振动，能够在站房建成之前预先评估列车振动引起的纤维脱落量随时间变化，制定加固维护、周期性更换方案，避免了因加固不当、更换不及时而导致的纤维大量掉落甚至发生安全事故等风险。
附图说明
图1为本发明中轨道交通高架站房正线下方楼面混凝土板表面喷涂纤维材料模型俯视图，以及测线位置示意图；
图2为本发明中轨道交通高架站房正线下方楼面混凝土板表面喷涂纤维材料模型剖面图；
图3为本发明中获取轨道交通高架站房楼面混凝土板垂向振动的楼面等效垂向加速度Ae、楼面等效振动频率Fe、列车激振等效总时长Te和列车激振等效每年时长Ty的流程图；
图4为本发明的实施例中仿真取得的轨道交通高架站房正线下方楼面加速度时程曲线；
图5为本发明的实施例中使用的模型的俯视结构示意图，图中示出了测线、测点的位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法做进一步说明。下述实施例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。
实施例
轨道交通高架站房为铁路高架式车站，尚未通车，施工期间正线下方楼面混凝土板表面敷设喷涂纤维材料，需要进行模型振动落屑试验。列车运行相关参数如下：
正线列车通过站房时的车速V＝10m/s；站房喷涂纤维材料设计使用年数Y＝25；单条正线每天通过列车的平均趟数P＝10；列车平均车长L＝460；单趟列车包含的平均车厢数C＝18。
首先，采用仿真分析方法，确定正线列车通过站房时，安装喷涂纤维材料的楼面混凝土板垂向振动加速度最大值Amax所在的位置。提取仿真分析结果中Amax所在位置的楼面混凝土板表面垂向振动加速度时程曲线AT，结果如图4所示。
图4中，时程曲线AT包含了Ns个相连的时间长度为Ts的分段时程，其中，取Ns＝59，Ts＝0.84s，满足Ns个分段时程应涵盖列车头部抵达加速度最大值Amax所在的位置至尾部离开加速度最大值Amax所在的位置的时间段；所有Ns个分段时程中，第i个分段时程对应的垂向加速度时程曲线为A(Ni)，其中，(Ni＝1,2,……59)；所述时程曲线AT的总时长T＝49.56s，数据采样时间间隔为0.0012s。
按照前述步骤2)-7)方法，计算得到楼板振动等效频率Fe＝63Hz，楼板振动等效加速度Ae＝0.15m/s2，列车激振等效总时长Te＝94626s，列车激振等效每年时长Ty＝37851s，换算成小时分别为Te＝262.9h，Ty＝3.79h。
正线下方楼面混凝土板表面喷涂纤维材料模型如图5所示，其参数如下：混凝土板上、下表面为正方形，正方形的边长为1000mm，混凝土板厚度为100mm。条形混凝土台的截面为矩形，高度为300mm，宽度为500mm，长度为2000mm。喷涂纤维材料的安装面积为600mm×600mm，敷设安装区域为正方形，居中敷设在所述混凝土板下表面。混凝土板下表面与条形混凝土台的上表面重合部位采用混凝土直接浇筑方式连接。在混凝土板上表面设置四条测线，两条测线沿所述混凝土板上表面的两条对角线方向设置，2条测线沿所述混凝土板上表面的一组对边的垂直平分线方向设置。共设置九个测点，每个测点布置一个加速度传感器，其中，一个测点设置在混凝土板上表面正中，其余测点围绕混凝土板上表面中心点对称布放，每个测点与混凝土板上表面正中测点间隔200mm。
在测点布置振动加速度传感器，加速度传感器连接数据采集仪；激振器与控制器连接，通过激振器对两座条形混凝土台同步施加单频连续垂向振动荷载。通过控制器调节所述激振器的激振力大小和激振频率，使所述模型垂向加速度Am、激振频率Fm分别与所评估的轨道交通高架站房正线下方楼面混凝土板振动的楼面等效垂向加速度Ae、等效振动频率Fe一致。
通过激振器进行连续激振，连续激振时间为所评估的轨道交通高架站房正线列车通过时的列车激振等效总时长Te约262.9h，激振器开始激振后，每达到列车激振等效每年时长Ty的整数倍，即3.79h的整数倍时，统计混凝土板下方掉落的喷涂纤维材料的重量，将所收集的振动引起的纤维落屑物重量除以喷涂纤维材料面积0.36m2，得到每平米喷涂纤维材料的车致振动落屑量随使用年限的变化趋势，根据该变化趋势确定喷涂纤维材料的更换周期。
Claims (9)
1.一种轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法，包括以下步骤：
S1. 制作模型：所述模型由混凝土板、条形混凝土台、喷涂纤维材料组成，其中，所述条形混凝土台有两个，且尺寸相同、平行摆放在水平地面上；所述混凝土板的两侧边缘固定在所述条形混凝土台上，所述喷涂纤维材料敷设在所述混凝土板下表面、两个条形混凝土台之间；
S2. 在所述混凝土板上表面设置多个测点，在所述测点处布置振动加速度传感器，将所述振动加速度传感器连接数据采集仪，将激振器连接控制器；
S3. 通过激振器对两个条形混凝土台同步施加单频连续垂向振动荷载，通过所述振动加速度传感器和数据采集仪采集并记录测得的振动加速度；计算全部测点的振动加速度的均方根值，计算结果记为模型垂向加速度A m ；
S4. 通过所述控制器调节所述激振器的激振力大小和激振频率，使所述模型垂向加速度A m 、激振频率F m 分别与所评估的轨道交通高架站房正线下方楼面混凝土板振动的楼面等效垂向加速度A e 、楼面等效振动频率F e 一致；
S5. 通过所述控制器调节所述激振器在所述等效振动频率F e 下进行连续激振，连续激振时间为所评估的轨道交通高架站房正线列车通过时的列车激振等效总时长T e ，当连续激振每达到列车激振等效每年时长T y 的整数倍时，统计所述混凝土板下方掉落的喷涂纤维材料的重量，至达到列车激振等效总时长时停止激振；
S6. 将得到的各重量值除以喷涂纤维材料的面积，得到每平米喷涂纤维材料的车致振动落屑量随使用年限的变化趋势，根据该变化趋势确定楼面维护周期；其中：
所述楼面等效垂向加速度A e 、楼面等效振动频率F e 、列车激振等效总时长T e 和列车激振等效每年时长T y 通过以下步骤获得：
1）采用现场实测或仿真分析方法确定正线列车通过站房时安装喷涂纤维材料的楼面混凝土板垂向振动加速度最大值A max 所在的位置；
2）提取现场实测数据或仿真分析结果中A max 所在位置的楼面混凝土板表面垂向振动加速度时程曲线A T ；所述时程曲线A T 包括N s 个相连的时间长度为T s 的分段时程，且，其中：
V：正线列车通过站房时的车速，m/s；
L：列车平均车长；
C：单趟列车包含的平均车厢数；
所述N s 个分段时程涵盖列车头部抵达加速度最大值A max 所在的位置至尾部离开加速度最大值A max 所在的位置的时间段；所述N s 个分段时程中，第i个分段时程对应的垂向加速度时程曲线为A（N i ），其中，（N i =1,2,……N s ）；所述时程曲线A T 的总时长记为，数据采样时间间隔为0.001s至0.005s；
3）对所述N s 个分段时程对应的垂向加速度时程曲线A（N i ）求加速度频谱，得到N s 个加速度频谱，其中，每个所述加速度频谱包含N f 个频率，第j个频率为F j ，（j=1,2,……, N f ）；进一步地，第i个分段时程的第j个频率对应的加速度有效值为A(N i , F j )；
4）计算所述N s 个分时程对应的加速度平方和E(N i )，其中，；对所述加速度平方和E(N i )由大到小进行排序，取其中最大的前C-1个，记为分段时程有贡献功率，/>；对所述的全部/>，回溯其对应的各频率加速度有效值，记为分段时程分频有贡献加速度A e (N m , F j )；
5）利用所述分段时程分频有贡献加速度A e (N m , F j )计算楼板振动等效频率Fe，表达式为：；
6）利用所述分段时程有贡献功率计算楼板振动等效加速度A e ，表达式为：
，
其中，表示对所述C-1个分段时程有贡献功率/>做能量平均后取其加速度值，/>时间长度为T s 的分段时程的能量归并至单个轮对通过所述A max 所在的位置时对振动有实际作用的时间段内；
7）计算列车激振等效总时长T e 和列车激振等效每年时长T y ：每年按365天计，则：
，
，
其中：
Y：站房喷涂纤维材料设计使用年数；
P：单条正线每天通过列车的平均趟数。
2.根据权利要求1所述轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法，其特征在于：所述混凝土板的上、下表面为正方形，正方形的边长为800mm至1600mm，混凝土板厚度为50mm至300mm；所述混凝土板所采用的材料和板表面的平整度与所评估的轨道交通高架站房楼板下表面的材料和平整度一致。
3.根据权利要求1所述轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法，其特征在于：所述喷涂纤维材料及敷设安装工艺、安装厚度与所评估的轨道交通高架站房喷涂纤维材料及敷设安装工艺、安装厚度一致；喷涂纤维材料的安装面积≥600mm×600mm，敷设安装区域为正方形，居中敷设在所述混凝土板下表面。
4.根据权利要求1所述轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法，其特征在于：所述条形混凝土台的截面为矩形，高度为100mm至500mm，宽度200mm至500mm，长度大于混凝土板边长；所述条形混凝土台与混凝土板使用的材料一致。
5.根据权利要求1所述轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法，其特征在于：所述混凝土板下表面与所述条形混凝土台的上表面重合部位采用混凝土直接浇筑方式连接，或采用螺栓、植入钢筋方式连接，或在所述混凝土板上表面与所述重合部位对应的范围内施加重压，使所述混凝土板下表面与所述条形混凝土台的上表面重合部位紧密贴合。
6.根据权利要求1所述轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法，其特征在于：在所述混凝土板上表面设置四条测线，其中，两条测线沿所述混凝土板上表面的两条对角线方向设置，两条测线沿所述混凝土板上表面的两组对边的垂直平分线方向设置。
7.根据权利要求6所述轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法，其特征在于： 在每条所述测线上设置多个测点，并在测点位置布置所述加速度传感器，其中一个测点须设置在所述混凝土板上表面正中，其余测点围绕混凝土板上表面中心点对称布放，每条测线的测点数量相同、测点间隔≥100mm，所有测点均位于所述喷涂纤维材料向所述混凝土板上表面投影的范围内。
8.根据权利要求1所述轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法，其特征在于：所述加速度传感器的总重量不超过所述混凝土板重量的1/100。
9.根据权利要求1所述轨道交通高架站正线下方楼面喷涂纤维振动落屑试验方法，其特征在于：所述激振器的可输出单频连续激振力≥10000牛，激振频率下限≤4Hz，激振频率上限≥200Hz。
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