珠三角城際列車對(duì)站房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響研究

陳志強(qiáng),顏 鋒,王曉楓,林 祥

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055；2.中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所，北京 100013)

1 研究目的

多年以來,國內(nèi)外學(xué)者在車橋振動(dòng)方面的研究已經(jīng)取得了顯著的成果[1～10]。在建設(shè)第三代鐵路客站工作中,出現(xiàn)了新的列車-橋梁-站房結(jié)構(gòu)一體化的鐵路站房建筑形式。橋建合一的高架平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系橋梁結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)結(jié)合成一個(gè)不可分割的整體結(jié)構(gòu)體系。珠三角城際鐵路站房中,正線軌道梁落在站房主體結(jié)構(gòu)框架柱頂,到發(fā)線軌道梁直接支承在主體結(jié)構(gòu)框架梁跨中位置,如圖1所示。其顯著特點(diǎn)是列車從站房中高速穿過,主體結(jié)構(gòu)會(huì)受到列車運(yùn)行時(shí)激勵(lì)的直接影響,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。一方面,車輛通過及制動(dòng)、啟動(dòng)會(huì)對(duì)所通過的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)力沖擊作用,使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng),直接影響其工作狀態(tài)和使用壽命；另一方面,結(jié)構(gòu)的振動(dòng)又會(huì)對(duì)運(yùn)行車輛的平穩(wěn)性和安全性產(chǎn)生影響。本文主要研究高速列車對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響,內(nèi)容包括確定列車激勵(lì)生成、輸入方法和結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析方法、結(jié)果及評(píng)判等方面。

圖1 珠三角城際鐵路某站示意(單位：mm)

2 研究方法與計(jì)算假定

由于站房結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜,所以目前直接對(duì)車輛-橋梁-站房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用進(jìn)行精確的動(dòng)力學(xué)理論求解是十分困難的。因此，本研究將分析求解工作分解成兩步：(1)計(jì)算軌道梁支座處的剛度,利用靜力凝聚的方法將軌道梁獨(dú)立出來,利用現(xiàn)有的車輛-橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的研究成果進(jìn)行計(jì)算,得到列車對(duì)軌道梁各節(jié)點(diǎn)力的激勵(lì)時(shí)程。(2)建立橋梁-站房結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算模型,在軌道梁各節(jié)點(diǎn)輸入列車對(duì)各節(jié)點(diǎn)的力的激勵(lì)時(shí)程,進(jìn)行橋梁-站房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力時(shí)程計(jì)算,得到橋梁-站房結(jié)構(gòu)各部分的反應(yīng)。

在車輛-橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算中,采用國內(nèi)客運(yùn)最常見的運(yùn)行速度200 km/h速度級(jí)的客車為和諧號(hào)動(dòng)車組CRH2。車輛采用二系懸掛四輪對(duì)的車輛單元,每一車輛單元共有23個(gè)自由度。軌道梁上的空間間隔為2.8 m。每一簡(jiǎn)支梁均布置5個(gè)節(jié)點(diǎn)。考慮到車站中的軌道養(yǎng)護(hù)條件及通過列車狀態(tài),本計(jì)算采用2005年5月24日在秦沈客運(yùn)專線實(shí)測(cè)得到的軌道不平順時(shí)域樣本。該不平順樣本全長2.5 km,高低不平順幅值8.59 mm,水平不平順幅值3.84 mm,被普遍認(rèn)為是一種代表較高軌道養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的不平順樣本。計(jì)算列車從正線全速過站與從到發(fā)線減速進(jìn)站2個(gè)工況。根據(jù)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所2003年7月提交的《橋梁縱向力綜合試驗(yàn)研究報(bào)告》(秦沈客運(yùn)專線綜合試驗(yàn)科技攻關(guān)項(xiàng)目,編號(hào)2000G48-B)中給出的試驗(yàn)列車在沙河特大橋上行線、羅家屯中橋下行線進(jìn)行縱向力試驗(yàn)的結(jié)果及分析,本文假定列車進(jìn)站時(shí)車體減加速度定義為公式

(1)

式中，a(t)為t時(shí)刻的加速度值；g為重力加速度,g=9.8 m/s2；t為時(shí)間,s。

在橋梁-站房結(jié)構(gòu)的計(jì)算中,橋梁-站房結(jié)構(gòu)建立整體有限元模型,如圖2所示。其中,梁、柱采用梁?jiǎn)卧磳?shí)際截面建模,樓板以殼單元模擬。計(jì)算時(shí)采用Rayleigh阻尼。對(duì)于舒適度的評(píng)判,采用《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB10070—88)作為主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了城市各類區(qū)域鉛垂向的Z振級(jí)VLZ限值。對(duì)于火車站候車大廳,按混合區(qū)與商業(yè)中心區(qū)考慮,晝間振動(dòng)級(jí)限值為75 dB。同時(shí)采用美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)發(fā)布的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)AISC—11—《人類活動(dòng)引起的樓面振動(dòng)》作為參考標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)于人體最為敏感的4～8 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng),室內(nèi)步行橋、商業(yè)區(qū)等區(qū)域能接受的加速度限值為1.5%g。

圖2 整體計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 列車激勵(lì)結(jié)果

經(jīng)過車輛-橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算,生成了列車運(yùn)行時(shí)對(duì)所在軌道梁50個(gè)節(jié)點(diǎn)的三向激勵(lì)時(shí)程。列車正線全速過站時(shí)節(jié)點(diǎn)激勵(lì)的典型時(shí)程如圖3、圖4所示。該節(jié)點(diǎn)豎直Z向的激勵(lì)較為規(guī)律,列車通過該節(jié)點(diǎn)時(shí)接近于同一波形的周期性重復(fù),重復(fù)周期大致為0.5 s,每個(gè)周期內(nèi)包含2個(gè)波峰。由頻譜分析可以得出主要的頻率分量依次為2.22、6.65、4.38 Hz。該節(jié)點(diǎn)橫軌向的激勵(lì)為間歇性的來回振蕩,頻譜分析可以得出主要的頻率分量為2.21、6.64、4.38、8.87 Hz。

圖3 全速過站典型節(jié)點(diǎn)豎直Z向激勵(lì)時(shí)程

圖4 正線全速過站典型節(jié)點(diǎn)橫軌向激勵(lì)時(shí)程

3.2 樓板的反應(yīng)

樓板部分最大位移與加速度如表1、表2所示。從表中可以看出,由于正線過站時(shí)列車速度更快,所以軌道梁中點(diǎn)的加速度反應(yīng)更大。而又由于正線軌道梁直接落在框架柱上,到發(fā)線軌道梁直接支承在主體結(jié)構(gòu)框架梁靠近中間的位置,因而到發(fā)線進(jìn)站時(shí)主體結(jié)構(gòu)的位移與加速度反應(yīng)更大。

表1 正線過站時(shí)站房結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)

表2 到發(fā)線進(jìn)站時(shí)站房結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)

各工況下樓板的最大豎向和水平位移均不超過1 mm。樓板的振動(dòng)級(jí)為56.96 dB,且樓板的最大豎向加速度為75.41 mm/s2,加速度限值150 mm/s2,故不會(huì)造成人員的不舒適。

列車在到發(fā)線進(jìn)站時(shí)的樓板典型變形如圖5所示。

圖5 樓板典型變形圖

從圖5中可以看出,樓板變形最大的位置在支承軌道梁的框架梁附近。

候車層典型位移和加速度典型時(shí)程曲線如圖6所示。從豎向位移圖可以清楚看出，每個(gè)輪對(duì)通過時(shí)引起候車層豎向變形的過程。由于進(jìn)站時(shí)車速逐漸減慢,故列車輪對(duì)通過的間隔逐漸增加。從順軌向位移可以看出，列車進(jìn)站制動(dòng)時(shí)對(duì)列車軌道梁的制動(dòng)反力作用，使得站房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順軌向變形的過程。隨著列車進(jìn)入對(duì)應(yīng)軌道梁范圍的增加,作用到站房軌道梁制動(dòng)力逐漸增大到保持相對(duì)恒定。

圖6 列車在到發(fā)線進(jìn)站時(shí)典型位移時(shí)程曲線

3.3 內(nèi)力與應(yīng)力最大值

表3中列出了各構(gòu)件在列車運(yùn)行過程中各個(gè)方向的最大瞬時(shí)力。主體結(jié)構(gòu)中各桿件的應(yīng)力水平都很低,最大正應(yīng)力為0.36 MPa,完全可以忽略。由于應(yīng)力幅值很低,該站房由列車振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)疲勞問題可不用討論。

表3 到發(fā)線行車時(shí)主要構(gòu)件單元內(nèi)力

4 結(jié)論

(1)本文從列車激勵(lì)的生成、輸入及整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算、結(jié)果的分析、舒適度評(píng)價(jià)進(jìn)行了一系列研究。將車輛-橋梁-站房結(jié)構(gòu)系統(tǒng)求解拆解為車輛-等效橋梁系統(tǒng)與橋梁-站房結(jié)構(gòu)動(dòng)系統(tǒng)兩個(gè)子步分別求解的方法,對(duì)類似項(xiàng)目的分析具有重要意義。

(2)列車在正線通過以及到發(fā)線進(jìn)站時(shí),該站房變形以軌道梁自身的跨中彎曲變形最為明顯,量值為1.5～3.25 mm。站廳層變形很小,可以忽略。列車在到發(fā)線進(jìn)站時(shí),橫向框架梁跨中以及候車層接近軌道一側(cè)有較小的豎向變形,量值為0.5～1.5 mm。

(3)列車在正線過站以及在到發(fā)線進(jìn)站時(shí),除了不能上人的軌道梁,該站房結(jié)構(gòu)其余部分的豎向振動(dòng)級(jí)均小于標(biāo)準(zhǔn)限值75 dB,且4～8 Hz頻率范圍內(nèi)的加速度峰值小于標(biāo)準(zhǔn)限值的1.5%g,故不會(huì)造成人員的不舒適。

(4)該站房主要構(gòu)件由列車振動(dòng)影響引起的應(yīng)力水平較低,可以忽略。由于應(yīng)力幅值較低,該站房由列車振動(dòng)引發(fā)的疲勞問題可不用考慮。

(5)經(jīng)過研究,橋建合一結(jié)構(gòu)體系可以運(yùn)用到高速通過的客運(yùn)專線及城際鐵路站房中,降低了線路高度,解決了兩種結(jié)構(gòu)體系混合引起的整體性差,施工繁瑣等不利因素,是高速鐵路站房結(jié)構(gòu)體系的新發(fā)展。

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