“房橋合一”結構車致振動響應分析及舒適度評價

楊娜　王民　張帥

摘要：以北京南站大跨度站廳為工程背景，根據荷載實際作用位置進行結構動力時程分析；通過數值模擬結果確定高架站廳現場試驗測點布置方案，獲取高架站廳關鍵位置的動力響應。對實測數據的分析表明，列車類型與荷載作用位置對高架站廳結構振動響應影響明顯。參照振動舒適度標準，高架站廳結構的實測振動強度接近甚至超過規范限值，而現場煩惱率實際值與其理論值不符，說明現有結構舒適度評價標準并不適合直接用于“房橋合一”結構體系的高架站廳結構的舒適度評價。

關鍵詞：房橋合一；直通列車；動力響應；舒適度

中圖分類號：U441.3 文獻標識碼：A

為滿足零換乘、多模式交通轉換和交通流線的立體化，大型鐵路客運站多采用“房橋合一”結構體系，以實現足夠的轉換空間和多種交通方式銜接。由于列車在“房橋合一”軌道層結構上通過，導致結構振動效應明顯，因此，車致振動響應特征分析及結構舒適度問題研究對該類結構體系的設計和使用具有重要意義。

自1825年英國修建第一條鐵路，列車荷載引起的振動問題便得到了廣泛的關注。Yoshioka建立高速列車高架橋地基土相互作用系統進行數值模擬分析，并對新干線高速列車對環境的影響進行現場動力測試，研究了地面、橋梁與列車的振動特征。章關永、劉進明通過環境激勵方法對上海盧浦大橋進行了動力特性試驗。劉哲以某城市軌道交通三跨的連續橋梁結構為研究對象，對地震與列車作用下的動力響應進行了分析。以上研究主要集中在橋梁系統的動力特性分析，國內外關于“房橋合一”結構的研究主要分布在荷載組合、設計和施工及地震響應分析與抗震設計方法方面，對于大跨度站廳在列車荷載作用下的動力特性研究較少。

結構舒適度問題隨著振動問題的日益突出而被提出，何浩祥、閆維明等通過建立人與結構耦合的動力平衡方程，研究了結構動力響應與影響人舒適度的重要因素，提出了基于小波包變換求得頻帶能量的舒適度評價方法；宋志剛等考慮了人主觀反應判斷的模糊性與對振動刺激感受的隨機性，系統地研究了振動舒適度問題，基于大量實驗研究數據提出了能夠量化任意振動水平下干擾反應比例的模型——煩惱率模型。Crolla等通過對車輛座椅懸架性能的度量與人體舒適度的研究，提出吸收功率法（AP法）來評價車輛及交通工具的舒適性。以上舒適度評價方法的建立均基于標準，然而“房橋合一”具有結構形式復雜與多重荷載作用的特征，與標準規定的適用場所存在差異。

本文以北京南站大跨度站廳為工程背景，針對通過列車在不同因素作用下對結構響應的影響以及車致結構振動舒適度評價規程適用性問題開展研究。根據通過列車實際作用軌線位置以及結構動力時程分析的數值模擬結果，確定高架站廳現場實測測點布置方案。通過車致振動效應實測獲取高架站廳關鍵位置的動力響應，與現行舒適度評價規范對比分析。實測結果可為大跨度結構舒適度評價體系的建立提供參考依據。

1工程背景

北京南站是2008年投入使用的綜合樞紐客站，坐落于北京市永外大街，地下3層地上2層。地下層為鋼筋混凝土框架結構，框架柱為矩形鋼筋混凝土柱；地面層為軌道層，鋼框架結構，框架柱為矩形鋼管混凝土柱，框架梁為鋼箱梁；地上二層為鋼結構剛架，結構剖面如圖1所示。站房結構平面呈橢圓形，結構沿長軸方向設置2道橫向變形縫，使結構分為3大塊，中間部分平面呈鼓形，上下兩側部分呈半圓形。北工區為普速車場設到發線5條，3座站臺，其中3號、4號軌道為直通車道，不減速行駛經過站房結構。高架站廳結構最大跨度為40.5 m，導致樓蓋結構自振頻率較低，且其主要為人群活動區域，因此本文對直通列車荷載作用下的結構動力特性與舒適度評價規范的適用性開展研究。

2實驗方案

直通列車行駛軌線3號、4號軌道對稱分布在軸線Q兩側，由框架結構空間布置可知構件力的傳遞途徑，輪軌作用產生的結構振動一部分通過承軌梁、框架柱向下傳遞至地下層結構，另一部分通過框架柱向上傳遞至候車廳，可以假定候車廳的振動響應沿軸線Q處的主梁對稱分布。為準確獲取結構響應較大的節點位置，以布置測點獲取結構關鍵位置的加速度響應，對結構模型施加列車移動荷載，進行動力時程分析，其施加位置如圖2所示。

2.1列車荷載模型

文獻均建立了車橋耦合體系研究動力特性，本文僅考慮列車荷載的周期性，采用移動荷載模型進行動力時程分析，列車荷載模型如圖3所示。d₁為軸間距，d₂為轉向架中心距，L為車廂長度，軸重簡化為集中力P，列車運行速度為v。本文以拖車25 t的列車參數為例，在列車移動荷載模型中，軸間距d₁為2.5 m，轉向架中心距d₂為18 m，車廂長度L為26.6 m，軸重P為165 kN，車輛運行速度v為80 km/h。

2.2數值模擬結果分析

提取大跨度站廳結構振動加速度響應，繪制加速度響應分布云圖，列車移動荷載加載于3號、4號軌道，高架站廳結構響應分布如圖4和圖5所示，其中橫縱坐標為結構坐標系x，y，單位為mm。

模擬結果與概念分析較為一致，車致振動沿框架柱向上傳遞至候車廳結構，振動由主梁傳遞至次梁與樓板，響應均沿列車行駛軌線呈近似對稱分布；響應最大的節點均分布在邊界處；結構開洞處響應較大，如中部兩個封閉區域。根據現場商埠布置及結構響應分布情況，在圖4虛線框A，B，C區域內布置加速度傳感器，獲取結構關鍵位置的動力響應。試驗荷載為通過3號、4號軌道不減速的直通列車，包括客車、貨車及車頭，其工況見表1。

2.3測點布置

測試采用KD1300C垂直傳感器進行信號拾取，KD5008C型放大器進行信號放大，然后采用INV3018型智能數據采集分析儀進行數據采集和分析，以獲取結構關鍵部位的動力響應，采樣頻率為600 Hz。測試分ABC三區進行，每區12個測點，共36個測點，其中編號為1，2，3，4的測點為參考點，測點布置如圖6～圖8，具體結構布置位置見表2。

3實測結果分析

3.1結構振動特性分析

車致結構振動原始信號的頻譜分析表明振動頻帶為25～110 Hz，能量主要集中在50～100 Hz，因此提取25～110 Hz頻帶內信號進行濾波降噪，客車與貨車的加速度時程曲線相同，如圖9所示，車頭引起的結構加速度響應曲線如圖10所示。

客貨列車駛入結構前，結構振動響應較小，隨著列車駛進結構，振動響應逐漸增大，達到最大后降低至穩定狀態，隨著列車駛出結構，振動響應幾乎衰減至零，有明顯的振動衰減過程；車頭引起的結構振動響應時程曲線盡管有明顯的增大和衰減的過程，但達到峰值后并沒有平穩作用時段，雖然車頭作用過程僅為客貨列車作用時間的0.3倍，但其對結構的振動沖擊力高達客貨車的5倍。文獻給出南京南站在列車制動與啟動作用下的軌道層結構振動響應時程圖，響應增大、衰減速度較快，沒有明顯的變化過程。文獻給出列車荷載作用下橋梁跨中位置的加速度響應存在明顯的周期性，但沒有明顯的增大和衰減過程。上述結果表明，可根據結構形式的時程曲線特征判斷荷載類型。

分別繪制客貨列車與車頭作用下結構響應頻譜圖如圖11和圖12所示，客貨車致結構振動響應頻率帶為25～110 Hz，能量主要集中在50～100 Hz，主頻為72 Hz左右，車頭引起梁的振動主頻介于74～79 Hz，然而樓板振動的主頻為40.8 Hz。這是由于車頭的車體較短，同一位置荷載作用時間短，振動由框架柱向上傳遞至梁，再傳遞到板的過程中，高頻振動信號迅速衰減造成的。

3.2車型對結構振動的影響

A區工況1，3，4，6均為作用在4號軌線而列車類型不同，將客車、貨車2種車型作用下，各測點的均方根加速度響應繪制成圖13。盡管列車類型均為客車，但其曲線圖并不重合，引起的結構振動強度存在一定的差距，這與列車長度、軸重等其他參數密切相關；貨車作用下，部分測點的結構響應與客車重合，甚至低于客車作用，由于2種類型列車的載重差異以及輪軌轉向架構造不同，對軌道結構層的激振作用力也不相同，難以斷定其對結構的沖擊作用力的大小。C區工況1，6，7，2分別為客車、車頭作用在3號軌線，圖14所示為各測點的均方根加速度響應，工況1的振動強度增大為工況2的2～4倍，說明客車荷載導致的結構振動強度遠大于車頭。不同工況的結構振動響應規律呈現相同趨勢，直觀地反映了結構的振動特性。因此，不同車型引起的結構振動特性相同，但是不同列車類型下的結構振動響應水平存在一定的差異性，盡管車頭作用峰值較大，但由于其短時作用，所以導致的結構振動強度要小于客貨2種車型，其引起的人體不舒適感也會小于客貨2種車型，但是，無論哪種列車荷載，其引起的結構振動響應均不容忽視。

3.3荷載位置對結構振動的影響

A區工況1，4，6列車荷載作用在4號軌道，而工況5列車荷載作用在3號軌道，3種工況下的列車類型均為客車，繪制其RMS加速度如圖15所示，與模型分析結果一致，列車移動荷載作用于3號軌道對結構的影響大于4號軌道。圖16所示為B區5組工況的結構振動強度，3號軌道車頭導致的結構振動響應大于4號軌道客車，而前文分析表明客車對結構的振動響應影響大于車頭，說明荷載位置對結構振動的影響大于列車類型。

3.4Ⅰ區結構振動強度分析

將所有測點按照A-C的順序繪制于同一個坐標系，如圖17所示。通過參考點連接3區結構響應，選取一種工況繪制結構響應3D平面圖，如圖18所示。

A區、C區振動強度相對相同，縱向梁上測點振動響應相對小于橫向主梁的振動強度，這是由于振動沿著框架柱向上傳遞至主梁，再傳遞給次梁，導致次梁振動強度小于主梁。最大響應均出現在B區測點2及其縱向測點位置處，B區結構響應普遍較大。原因有二：其一，B區主梁較AC區主梁跨度大，剛度相對小，在外荷載作用下更容易產生振動；其二，由建筑構造可知B區和AC區由檢票口開洞斷開，而AC區橫梁端點均有斜柱將振動上傳至屋蓋，同等振動強度下，B區振動能量由梁板結構全部吸收，而AC區部分振動能量由屋蓋承擔。由此可推斷候車廳中央坐席區的振動強度大于兩側客流疏散區。

4“房橋合一”結構振動響應特征

“房橋合一”結構作為新型結構體系，目前對于其結構振動特征缺乏認識，基于現場實測的結構振動分析結果可為該類結構體系工程設計指南的不斷完善提供參考。結構剖面與列車行駛位置如圖19所示，列車由遠及近行駛至距離結構100 m直到車尾離開結構至100 m處，其車致結構振動響應信號如圖20所示。上述測試分析總結該類結構體系振動響應的特征如下：

1）車致結構振動由土層傳遞與結構傳遞兩部分振動構成。如圖19和圖20所示，列車由遠及近行進至距離軌道層結構100 m時，結構開始產生振動響應，其傳播介質為土層，隨著振動源向結構不斷移動，振動響應峰值由0逐漸增大到近0.028 m/s²；列車勻速通過軌道層結構時，其引起的高架站廳結構振動響應峰值劇烈增大為0.04 m/s²，近1.2 s內降低至穩定值0.017 m/s²；隨著車尾離開結構，響應峰值由0.017 m/s²逐漸衰減至0 m/s²。

2）如圖19所示，列車通過軌道層結構時，其上高架站廳距離結構邊界約50 m范圍內的A和C區域，其加速度振動級的范圍為71～89 dB，而結構中部區域近70 m范圍的B區域，其加速度振動級的范圍為74～92 dB，由于梁跨度不同，兩者振動強度平均相差3 dB。

3）采用主次梁結構的高架站廳，其在列車激勵下，振動由框架柱向上傳遞至主梁，由主梁再依次分配給次梁與樓蓋，振動能量最終由樓蓋消耗。因而，結構設計時，需綜合考慮構件剛度與力的傳遞途徑。

4）測點沿框架柱正線對稱分布，其加速度振動級的衰減規律如圖21所示，框架柱正線上方的測點振動強度較大，振動強度隨著距離的增大而逐漸衰減，正線距離大于2.1 m時，其衰減速度增大，正線距離為4.2 m時，部分工況的振動級剛好達到國家標準限值75 dB，由衰減趨勢及振動強度可推斷距離正線8.4 m以外的區域其振動強度滿足國家振動限值要求。

5舒適度評價方法探討

“房橋合一”結構的大跨度站廳，在多種振動荷載作用下，振動水平極易達到人體感知閾限。本文采用ISO 2631規定的1/3倍頻程計權計算方法，獲得所有工況下的Z向加速度振動級。

目前環境振動控制標準并沒有統一的模式，ISO及美國等國家制定了建筑物內的振動標準，其中ISO 2631考慮了振動類型及方向，針對振動舒適度評價的主要應用領域，制定了涵蓋許多建筑物振動對使用者影響的限值；美國標準《人承受建筑物內振動評價標準》中規定的振動限值比ISO標準嚴格一些。我國和日本則針對廣義的環境保護提出了環境振動的限值，且僅考慮了人體最敏感的z向振動，針對不同使用場所制定了環境振動限值。

選取規范ISO 2631-2，美國的ANSIS329，日本的《振動限值法》以及中國的《城市區域環境振動標準》中與客運站環境較接近的適用場所，將站廳實際振動強度與規范限值對比，如圖22至圖24所示。結構計權振動級基本上均超過日本限值，大部分超出了中國限值，極少部分測點振動級超出了美國限值，ISO標準相對沒有那么嚴格，均大于測點振動級值。按照現行標準的規定，站廳結構的振動強度達到了旅客所不能接受的水平，理論上超出了人體舒適的界限，必然引起絕大多數旅客產生干擾反應，但是現場調查研究結果表明僅存在10%的旅客產生煩惱率，規范限值與實際煩惱率并不吻合，說明現行規范要求過于嚴格，并不適合直接用于“房橋合一”結構體系的高架站廳結構的舒適度評價。

盡管諸如“房橋合一”結構的大型鐵路客運站的振動強度較高，由于其復雜的使用環境和旅客期望值的降低，實際產生的煩惱率遠低于其理論值，因而在對“房橋合一”的大跨度結構進行設計和適用性評價時，可適當提高振動限值以放寬舒適度評價要求，其放寬界限需結合實測振動強度與人的實際煩惱率進一步研究和討論。

6結論

1）“房橋合一”高架站廳結構的車致振動響應信號具有明顯的增大、衰減過程，其振動頻率分布在25～110 Hz，70 Hz對應的幅值較大，而車頭引起的樓板振動主頻為40.8 Hz，可用于荷載類型的判斷。列車由遠及近行駛至距離結構軌道層100 m時，由土層傳遞的車致振動開始引起結構產生振動響應，其響應峰值由0 m/s²逐漸增大到近0.028 m/s²，該類結構設計時需要考慮土層傳遞的振動對結構的影響。

2）盡管不同列車類型引起的結構振動特性相同，但其造成的結構振動強度存在差異，呈現如下規律：客車、貨車>車頭。由于該類結構設計跨度大，列車動力荷載引起的結構加速度振動級的范圍為71～92 dB，其中距離結構邊界約50 m范圍內區域的振動強度平均值小于中部區域70 m范圍內區域3 dB。

3）列車移動荷載作用位置對結構振動的影響大于列車類型。采用主次梁結構的高架站廳，荷載作用于不同位置引起的結構振動傳遞途徑相同，均由框架柱向上傳遞至主梁，由主梁再依次分配給次梁與樓蓋，振動能量最終由樓蓋消耗。

4）高架站廳的振動強度沿垂直于框架柱正線的方向呈現衰減的趨勢，正線距離大于2.1 m時衰減速度增大，由振動傳播呈現非線性衰減趨勢可知，在距離正線8.4 m以外的結構響應小于75 dB。

5）現行標準評價大跨度結構舒適度時，規范限值與實際煩惱率并不吻合，因其要求過于嚴格，并不適合直接用于“房橋合一”結構體系的高架站廳結構舒適度評價，因而在對這類結構進行設計和適用性評價時，可適當提高振動限值以放寬舒適度評價要求，其放寬界限需結合實測振動強度與人的實際煩惱率進一步研究和討論。