軌道交通“橋—建”合一高架車站動力特性分析

胡京濤，毛學鋒

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

采用城市軌道交通系統作為城市公共交通的骨干網絡，能有效地解決大城市的交通問題［1］。為獲取空間綜合利用效率，降低工程運營費用，“橋—建”合一結構形式逐漸被采用。軌道與房建結構整體澆筑，在動載作用下因荷載沖擊和反復作用而產生振動和變形，容易對車站乘客舒適度和設備用房造成影響，甚至可能產生共振引起結構破壞。因此，設計時如果對高架車站動力行為考慮不足，將使車站乘客舒適度和結構安全性能下降。本文以深圳地鐵3號線標準高架車站為例，對此類結構的動力特性設計進行分析。

1 工程概況

高架車站為典型“橋—建”合一島式車站結構。站廳、站臺采用懸挑結構，橋梁的蓋梁、墩柱、基礎為橋梁結構和站房結構共用，每榀橫向框架通過縱向軌道梁、站房結構梁板整體形成空間框架體系。車站采用三層:地面一層為供電系統設備用房，地上二層為站廳層，地上三層為行車道層。車站總長120 m，寬16.7 m。框架橫向跨度8 m(雙懸挑)，縱向柱距12 m，柱縱向尺寸1.2 m，橫向尺寸1.5～2.7 m，電纜夾層底板厚400 mm，設備層底板厚200 mm，站廳層框架橫梁縱向1.9 m，橫向2.0 m，懸挑段由2.0 m漸變為1.5 m，縱向框架梁0.8 m×1.4 m，板厚200 mm;行車道層框架橫梁1.5 m×1.5 m，軌下對中設置軌道梁0.6 m×0.9 m，縱向框架梁0.65 m×1.20 m，板厚200 mm;站臺層下設200 mm厚混凝土墻，站臺板厚200 mm。橋梁墩柱和軌道梁采用C50混凝土。該橋設計荷載:地鐵B型車，按6輛車編組，單軸重140 kN，設計最大行車速度為100 km/h。

2 結構動力分析方法及原理

高架車站結構動力特性是評價高架車站結構運營狀態和承載能力的重要指標，振動特性主要取決于它的各階自振頻率和主振型等。自振頻率首先是表征高架車站結構剛性的指標，同時也是判斷高架車站結構在動力作用下是否會發生車橋共振的依據。高架車站結構的固有自振特性和受迫振動響應，是動力分析的主要內容。

高架車站結構的動力方程［2］可寫為

式中，［M］、［C］、［K］分別為高架車站結構的質量、阻尼、剛度矩陣¨、和δ分別為高架車站結構的加速度、速度和位移向量;F為作用于高架車站結構空間梁單元的力向量，不計作用于高架車站結構單元的外力(風力)，由高架車站結構上運行列車通過軌道結構傳來的輪對力FW決定，即:F=FW。

求橋梁自振特性時，一般不考慮阻尼的影響。令［C］=0，［F］=0，則得到其無阻尼自振方程

式(2)具有非零解的條件為

也就是式(2)的特征方程(頻率方程)為

3 計算模型建立

結構設計采用MIDAS軟件建立空間計算模型，本車站動力有限元模型中桿件結構均采用變截面的三維空間梁單元進行模擬，樓板按實際厚度采用對應板單元模擬，模型中梁、板單元的剛度即為結構本身的剛度。結構質量除結構本身的質量外，各層樓面板裝修層和設備荷載作為均布質量分配于各結構單元中，而不改變主梁梁單元的其他性質。高架車站模型中將各梁桿件處理為剛性連接，墩底設豎向約束，對水平方向采用彈性約束計入基礎剛度。結構空間動力計算具體模型如圖1所示。

圖1 高架車站有限元模型

4 計算結果分析

4.1 模態分析

通過對結構自振特性的分析，對結構整體動力性能進行一個初步的評定，圖2和表1列出了本高架車站前9階振型圖和前11階模態自振頻率。

圖2 高架車站(半幅)前9階振型

表1 高架車站(半幅)前11階的自振特性

通過以上計算結果，可得出以下幾點結論:

1)第1階振型是以橋墩為主的縱向面內振動，與Π型門架墩振動同向，站房縱漂無變形，反映了Π型門架墩對高架車站的動力特性有較大的影響。由于高架車站結構采用空間框架結構，縱橋向保持一定的柔性對改善車站結構縱向次內力，特別是溫度作用下是有利的。振動的第1階為縱橋向，與設計初衷吻合。

2)振動的第2階、第3階、第4階出現站房橫橋向彎曲和主墩的側彎，但其橫向偏心值不大，受益于該結構采用Π型門架墩，橫向剛度較大，相應變形也較易滿足要求。

3)該橋在第5階出現了站房扭轉模態，說明該高架車站結構的抗扭剛度強于其縱向和橫向剛度，這與站房每墩布置4根站廳立柱加強結構整體剛度相吻合，表明站房結構的整體性和抗扭性較強。

4)第6階站廳層與站臺層出現了縱橋向的反向漂移，表明通過站廳立柱連接的站廳層與站臺層雖然連接剛度較強，但在振型后期也還是發生了比較明顯的剪切作用，這在設計時應注意加強站廳立柱的剛度和節點連接措施。

5)第8階出現了站房豎彎，表明站廳和站房雙層固結結構的豎向剛度較大，利于站房內行車的平順性，這與結構設計的理論是吻合的。

6)第11階站廳層、站臺層出現了站房和橋墩的中心面外的強耦合振動。主梁不僅有豎向撓曲變形，還有橫向彎曲變形，同時橋墩和站廳立柱伴有側彎和扭轉變形，特別是1、6軸角點站廳立柱，其側彎和扭轉效應明顯，但幅度不大。

4.2 耦合動力分析

設計采用MSC仿真分析程序對“車—橋—建”整體模型進行耦合動力分析，通過對“車—軌道—結構”進行整體計算并獲得設計關注部分結構點的加速度值用以評價乘客舒適度，最終確認車站結構的安全性、合理性和舒適性。圖3為車站結構和橋墩測點(計算點)布置示意圖，表2、表3、表4分別為站臺加速度﹑站廳加速度和車輛響應計算結果。

圖3 車站結構和橋墩測點布置示意

表2 站臺加速度響應計算結果m/s2

表3 站廳加速度響應計算結果m/s2

表4 車輛響應計算結果

由表2、表3、表4計算結果可知:

1)深圳地鐵3號線高架車站的站臺和站廳振動加速度滿足垂向不大于0.35 g，橫向不大于0.14 g的要求，滿足乘客舒適度和行車安全要求;

2)采用美國五級譜轉換的時域不平順作為激勵源，地鐵列車以40～60 km/h速度通過時，動車和拖車各向舒適度均為優，車體加速度合格。

5 結束語

城市軌道交通“橋—建”合一車站整體動力特性關系到乘客、站內工作人員的舒適度及設備的正常運營，對結構整體動力分析是十分必要的。通過對結構自振特性的分析及控制，采用“車—橋—建”耦合模擬分析，能夠達到控制結構布局、設計尺寸等目的，為結構設計提供指導和幫助。

［1］袁鳳薇.城市軌道交通項目合同體系研究［J］.經濟研究導刊，2010(8):172-174.

［2］李國豪.橋梁結構穩定與振動［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.