站橋合一高架車站振動舒適度分析

李文斌

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

站橋合一高架車站振動舒適度分析

李文斌

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

針對站橋合一高架車站的振動舒適度問題，建立高架車站結構的有限元模型，輸入高鐵列車的行駛荷載，計算結構振動在時域內(nèi)的動力響應。基于目前常用的國際標準，評價各樓層的舒適度。

高架車站；振動舒適度；評價標準

0　引言

城市軌道交通建設中高架線路的敷設方式，實現(xiàn)了“節(jié)約用地、減少地塊分割”的目的，在車站結構將區(qū)間結構和車站結構融合，將區(qū)間橋梁“植入”車站建筑內(nèi)，派生出“站橋分離”、“站橋組合”、“站橋合一”等多種車站結構形式，使得“建筑里面跑火車”的結構形式得到多樣的發(fā)展。

“站橋合一”[1]車站結構則是突破“列車動載由橋梁結構承受”的傳統(tǒng)理念，完全用建筑構件取代橋梁構件來直接承受列車荷載的作用即與結構框架主梁完全剛結的框架縱梁——軌道梁，從而實現(xiàn)真正意義上“車站與區(qū)間有機融合與高度統(tǒng)一的”的設計理念，是突破行業(yè)限制、取得總體最優(yōu)的結構形式。

雖然該類車站結構設計復雜，但由于具有能統(tǒng)籌建筑總體布置、優(yōu)化車站功能、降低結構高度、提高結構整體性的明顯優(yōu)勢，已經(jīng)成為越來越多采用的車站形式，并有成為主流站型的趨勢。

但是相對“建橋分離”、“建橋組合”兩種結構形式，站橋合一結構形式也有其缺點，因為軌道梁剛接，無橡膠支座，站橋合一高架車站的車致振動問題比較嚴重。因此振動控制成為“站橋合一”車結構分析和設計的關鍵問題之一。

振動不僅對建筑結構的安全有影響，隨著人們對生活品質(zhì)要求的不斷提高，振動對沿線建筑使用者的感官舒適度的影響也日漸受到人們的重視。

對于振動舒適度[2]的相關控制，本文采用有限元軟件MIDAS來對高架車站結構進行動力時程分析，并將列車運行時站房結構所受到的荷載按照所需計算工況輸入有限元模型當中作為時程激勵進行相應的時程分析。再將分析結果對照國際標準ISO2631關于建筑物內(nèi)振動限值進行對比。

1　地鐵列車荷載人工波

根據(jù)英國鐵路技術中心提出的公式[3]，單對車輪的激勵力可表示為

式中：k1為考慮列車荷載的分離與疊加組合系數(shù)，取1.538；k2為考慮鋼軌、軌枕對列車荷載的傳遞和分散作用的分散系數(shù)，取0.7；P0為車輪靜載，取144 kN；M為列車簧下質(zhì)量，取750 kg；Li、αi分別為某一頻率下的幾何不平順的波長和失高，取L1=10 m、α1=3.5 mm；L2=2 m、α2=0.4 mm；L3=0.5 m、α3=0.08 mm；v為列車的運行速度，取22.22 m/s。則地鐵列車單對車輪激振力為（取0.3 s）

按照圖1所示，將車輪激振力轉(zhuǎn)化為高架車站對應的節(jié)點動力荷載輸入，以分析車站在此荷載下的動力時程。單列車駛過和雙列車駛過兩種情況，并考慮后者中兩列車入站的各種時差。在輸入節(jié)點荷載時，根據(jù)列車駛?cè)脒^程中各車輪對結構作用的先后次序，分別定義節(jié)點動力荷載的開始作用時間。

2　列車振動下車站的響應

本文選取的是某擬建高架車站作為研究對象，運用MIDAS工程軟件進行建模分析，提取各樓層的加速度時程曲線進行頻域分析，再將分析結果對照國際標準ISO2631關于建筑物內(nèi)振動限值進行對比。

圖1　地鐵列車單對車輪激勵力

某擬建高架車站為路中三層島式車站，車站主體結構采用鋼筋混凝土框架式建橋合一結構型式；橫向為雙柱單跨雙懸臂結構，在站廳層通過橫梁裝換為四柱三跨結構；縱向柱距12 m；基礎型式為鉆孔灌注樁（嵌巖樁）；除直接或間接承受列車荷載的剛接式軌道梁、站臺下層橫梁和立柱混凝土強度為C50外，其余梁板混凝土強度為C35，見

圖2　某擬建高架車站橫剖面圖（單位：mm）

下面為單列車以及雙列車間隔0.2 s這兩種情況下，站臺層板單元受列車振動影響的最大應力云圖。

（1）單列車（見圖3）

（2）雙列車間隔0.2 s（見圖4）

3　舒適度評估

按ISO2631-1[4]：1997規(guī)定的全身振動不同頻率計權因子修正后得到的振動加速度級，記為VL。VL的計算公式如下

圖3　單列車情況站臺層樓板最大應力云圖

圖4　雙列車間隔0.3 s的情況站臺層樓板最大應力云圖

式中：α0為基準加速度值，取10-6m/s2；αfrms為頻率為f的振動加速度有效值；cf為為振動加速度的感覺修正值。由于人對Z向（豎向)振動最敏感,所以這個標準中規(guī)定了城市各類區(qū)域垂向Z振級VLz標準值。在舒適度分析中也僅針對所選節(jié)點的豎向加速度。

分別在站廳層和站臺層樓板處布置檢測點，下面僅列出一種高架車站兩種情況所對應的各種工況中振級最大的點振動信息，分別包括節(jié)點豎向加速度的時程、該時程的頻域形式、功率密度譜和振級VLz。

3.1單列車

（1）站臺層，由式（5）得到VLz=75.8，見圖5。

（2）站廳層，由式（5）得到VLz=77.5，見圖6。

3.2雙列車

（1）站臺層，由式（5）得到VLz=81.3，見圖7。

（2）站廳層，由式（5）得到VLz=82.0，見圖8。

ISO2631關于建筑物內(nèi)振動限值的建議見表1。

圖5　站臺層最大振級點的豎向加速度信息

圖6　站廳層最大振級點的豎向加速度信息

圖7　站臺層最大振級點的豎向加速度信息

圖8　站廳層最大振級點的豎向加速度信息

表1　建筑物內(nèi)振動限值建議表

以“辦公室”的情況考慮，車站工作人員所受振動極限值VLz為86，一般乘客限值VLz為116，可以得到該車站在地鐵列車振動下的舒適度指標是合理的。

分析過程中還可以得到以下幾點結論：

a.考慮列車駛過過程中對高架站臺的影響，則不論是單列車還是雙列車，一般來說最大振級點均在車站端部；

b.兩種工況比較可得雙列車工況所所產(chǎn)生的最大振級可以比單列車大，也可以比單列車小，這是因為雙列車工況對車站的影響可視為兩個單列車工況所產(chǎn)生的波的疊加，在一定的相位差下，兩波可能產(chǎn)生振幅的正負疊加或相消情況；

c.同種工況下比較可得站廳層和站臺層都需要考慮人體舒適度，站廳層的懸挑梁結構對于振動來說是不利的，其受列車作用會產(chǎn)生較大的振級。

4　結　語

本文將列車荷載作為激勵輸入結構模型，對高架車站的震動反應進行有限元分析，結果表明各樓層的計權加速度均方根值并為超出標準規(guī)定（ISO2631）的范圍，滿足舒適度要求。本文研究方法和研究成果對國內(nèi)類似工程的設計、舒適度評價等具有參考價值。但仍然需要對不同車速、不同列車類型、不同人群等做更多相關研究，從而完善舒適度的評價標準。

[1]孫俊嶺.城市輕軌站橋合一結構設計中的幾個問題[J].建筑結構,2006,33(10):62-65.

[2]彭濤.鄭州東站候車廳列車致振動力及振動舒適度分析[D].湖北武漢:武漢理工大學,2010.

[3]梁波,羅紅,孫常新.高速鐵路振動荷載的模擬研究[J].鐵道學報, 2006,28(4):89-94.

[4]IS02631,Guide for the Evaluation of Hunmn Exposure to Whole-body vibration[S].2003.

U441+.3

A

1009-7716（2016）03-0162-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.047

2015-11-04

李文斌（1983-），男，湖南郴州人，工程師，從事結構設計工作。