南京南站振動響應特性研究*

崔聰聰 雷曉燕 張 凌

(江西省交通設計研究院有限責任公司，330052，南昌//第一作者，助理工程師)

高架車站既不是單純的房屋建筑，也不是單一的橋梁結構，而是房建與橋梁融匯在一起的一種特殊結構。按照結構體系不同，軌道交通高架車站可分為“建橋合一”和“建橋分離”兩大類。作為一種特殊的建筑形式，有必要對其振動特性進行研究。

文獻[1]以天津西站為研究對象，建立列車-軌道-站房耦合系統整體力學分析模型，考慮列車與客運站之間的動力相互作用，研究列車高速過站時列車和站房的動力響應。文獻[4]考慮了車輛與結構的耦合作用，通過動力仿真軟件對新杭州東站進行數值模擬分析，求得結構的振動響應。文獻[5]通過將“車輛-橋梁-結構”相互作用系統分解為“車輛-橋梁”系統和“橋梁-結構”兩個系統對新長沙站進行結構仿真，并提取車站結構在列車荷載作用下的振動響應。

本文以南京南站為研究背景，從模態分析、諧響應分析兩方面研究綜合樞紐車站自身的特性。采用無砟軌道雙層梁模型進行數值模擬，并將輪軌力加載到有限元模型上來研究車致振動的響應特點。

1 南京南站的動力特性分析

1.1 有限元模型的建立

南京南站主體結構由下到上依次為地下層、軌道層、高架層和高架夾層。建筑外墻南北長450 m,東西寬156 m。候車廳層位于整個站房結構地上二層。

南京南站有限元模型(見圖1)中的鋼軌采用空間梁單元 BEAM 188模擬，鋼軌扣件和軌道板支座采用彈簧阻尼單元COMBIN 14模擬，軌道梁采用實體單元SOLID 45模擬，上部結構中的梁、柱和桿件采用 BEAM 181單元模擬，各層樓板采用SHELL 163單元模擬。

圖1 南京南站有限元模型圖

1.2 模態分析

根據南京南站有限元模型得到結構層的自振頻率與振型，如表1所示。

表1 南京南站自振頻率與振型

1.3 諧響應分析

采用Rayleigh阻尼(比例阻尼)進行結構動力計算，根據模態分析計算得到α為0.314，β為0.007 9(α、β分別代表與質量、剛度成比例的阻尼系數)。

諧響應分析在有限元模型上的具體加載形式為：全線考慮1個輪對，每個輪對各施加1個幅值為10 kN的作用力；取荷載頻率變化范圍為0～80 Hz，并按1 Hz求解一次。提取車站結構樓板振動敏感點，并對樓板關鍵點在諧響應下的位移、速度和加速度進行分析。

本文僅選取跨度為24 m樓板的跨中位置進行分析，相應的位移導納、速度導納、加速度導納隨著頻率的變化如圖2所示。

圖2 車站樓板跨中位置諧響應分析圖

由圖2可知，樓板的振動敏感頻率范圍為0～20 Hz,其位移導納、速度導納、加速度導納的變化趨勢一致。諧響應分析在3.3 Hz附近第一次出現振動峰值，其結果與模態分析相符。

1.4 確定性列車荷載作用下結構振動響應分析

利用無砟軌道雙層梁模型對輪軌力進行數值模擬，車輪動壓力數值響應如圖3所示。圖3中，車輪動壓力在量級上與多數文獻結果相符，說明加載與計算方法均具有可靠性。

注：列車速度為180 km/h

本文所選取的具體線路布置如圖4所示，具體工況詳述如下。車站站臺響應點如圖5所示。

注：1、2、3、4均表示到發線；5、6均表示正線

(1) 工況1：線路1的列車以不同速度勻速通過樞紐車站，線路5的列車以不同速度勻速通過樞紐車站。

(2) 工況2：線路1的列車以240 km/h分通過樞紐車站，線路1、2的列車同時以240 km/h通過樞紐車站。

(3) 工況3：線路5的列車以240 km/h通過樞紐車站，線路5、6的列車以240 km/h通過樞紐車站。

(4) 工況4：線路6的列車以240 km/h通過樞紐車站，線路2的列車以240 km/h勻速通過樞紐車站。

(5) 工況5：4條相鄰正線的列車以240 km/h勻速通過樞紐車站。

(6) 工況六6：不相鄰到發線雙線行車，即線路2、4的列車以240 km/h通過樞紐車站。

(7) 工況7：相鄰到發線雙線行車，即線路2、3的列車以240 km/h通過樞紐車站。

注：1、2、3、4表示4個站臺的位置

1.4.1 不同列車工況下振動衰減規律

(1)到發線列車以不同行駛速度勻速通過南京南站時，不同結構層的豎向加速度響應如表2～3所示。

(2)正線列車以不同行駛速度通過南京南站時在不同結構層的豎向加速度響應如表4～5所示。

表2 到發線列車不同行駛速度時樓板結構的響應 cm/s2

表3 到發線列車不同行駛速度時站臺結構的響應 m/s2

表4 正線列車不同行駛速度時樓板結構的響應 cm/s2

表5 正線列車不同行駛速度時站臺結構的響應 m/s2

(3)正線列車、到發線列車以240 km/h在單、雙線行車時，不同結構層的豎向加速度響應如表6所示。由表6可知：正線列車行駛工況對樓板的振動響應遠小于到發線列車行駛引起的樓板振動響應。雙線行車工況下，候車廳層樓板豎向加速度約為單線行車工況的兩倍，正線列車由于無豎向支撐與上部結構連接，即使雙線行駛，傳遞給上部結構的振動響應亦偏小。正線列車在不同的行駛速度下，樓板關鍵點在不同位置的衰減特性如圖6～7所示。由圖6～7可知，不同結構層的振動響應在水平方向離振源距離的增大呈現指數型衰減的趨勢。

(4)不同工況下到發線的樓板關鍵點(關鍵點位于框架柱正上方的跨中樓板處)的振動響應如表7所示。由表7可知：正線列車由于間隔距離較遠,激勵疊加程度較小,豎向響應有所增加但程度不大；不相鄰線路同時行車引起的振動響應并不是單獨線路行車的2倍，說明相離線路之間的影響不大；相鄰線路行車引起的車致振動對樓板層的振動響應有一定的影響。

表7 到發線列車不同行駛工況下樓板結構關鍵點的振動響應 cm/s2

1.4.2 柱網附近關鍵點的響應

當到發線列車以240 km/h的速度勻速通過南京南站時，可將柱網附近的響應采用圖8直觀表示。圖8中，響應點1為中框架柱對應的樓板響應關鍵點，響應點2、3、4、5、6、7、8、9、10、11距中框架柱的水平距離分別為6 m、12 m、18 m、24 m、32 m、36 m、42 m、48 m、54 m、60 m。

通過圖8可以直觀地看出，隨著距行車軌道中心線距離的增大，振動響應快速衰減，且位于相應樓板柱網附近的響應點，振動響應有所增加。

1.4.3 結構的振動衰減特性

選取南京南站有限元模型不同結構層的關鍵點進行分析，關鍵點的位置僅在高度方向有所差別。

當到發線列車以240 km/h的速度通過南京南站時，各結構層關鍵點在橫向和豎向的振動響應如表8所示。衰減圖像如圖9所示。

由表8和圖9可知，橫向振動響應遠小于豎向振動響應，且沿著車站高度的方向，車致振動呈指數衰減的趨勢。

圖9 關鍵點沿高度方向的衰減規律

2 振動水平評價

2.1 頻譜分析

為了分析車站結構振動特性的傳播規律，本文選取到發線列車以240 km/h的行駛速度通行南京南站時，對樓板層與站臺層的響應進行頻譜分析,如圖10所示。

a) 站臺層

b) 樓板層

由圖10可知，到發線列車在站臺層的頻譜特性較候車廳層豐富，站臺層樓板的振動頻譜為集中在1～60 Hz的低頻振動，傳至候車廳樓板時，頻譜主要為集中在1～40 Hz的低頻振動。

2.2 振動水平

為了分析列車通過時樓板振動水平在頻域上的分布，對振動響應信號進行1/3倍頻程分析，得到振級頻譜曲線。

到發線列車以240 km/h的速度在單線線路上行駛時，站臺層和候車廳樓板層的豎向加速度振級頻譜如圖11所示。

a) 站臺層

b) 樓板層

由圖11可知，樓板在頻率為3 Hz時，豎向振動加速度振級出現第一次峰值；而站臺層樓板在頻率為6.3 Hz時，豎向振動加速度振級出現第一次峰值。其最大的豎向加速度振級分別為72 dB和108 dB，這說明南京南站屬于上柔下剛的結構體系；車致振動在豎向迅速衰減，與前面的研究基本吻合。

3 結論

(1)通過模態分析可以看出，南京南站屬于上柔下剛的結構體系，樓板的一階豎向自振頻率與人行荷載的步行頻率相接近，人致振動舒適度應該得到重視。

(2)選取關注的樓板關鍵點進行諧響應分析，樓板的卓越頻率主要集中在0～10 Hz。

(3)正線列車的車致振動響應遠小于到發線列車的車致振動響應。非相鄰線路同時行車引起的振動響應并不是單獨線路行車的2倍，非相鄰線路之間的影響不大；相鄰線路行車引起的車致振動對樓板層的振動響應存在一定的影響。

(4)南京南站各結構層關鍵點在橫向振動響應遠小于豎向振動響應。沿著樓層高度方向，車致振動呈現指數型衰減的趨勢。距離行車軌道中心線不同距離處車致振動也呈現指數型衰減的趨勢。

(5)研究了南京南站振源的傳遞特性，結果表明，由列車傳至候車廳樓板的振動以0～40 Hz的低頻振動為主，站臺層的振動以0～60 Hz的低頻振動為主，說明振動頻譜中較高頻率的成分沿著車站高度的方向迅速衰減。