運營列車對旅客天橋結構風動影響的思考

桓玉柱

（南昌鐵路局工程質量監督站,江西 南昌 330002）

0 引言

高速鐵路客站建設中的跨正線旅客天橋，不僅需要解決旅客乘降列車的方便問題，為旅客提供舒適的上下車通道環境，還與鐵路運營的安全緊密相關。為此，需要充分考慮運營列車對旅客天橋結構風動的影響，并根據實際情況來進行設計和施工。

1 風動對旅客天橋結構的影響

目前全路高鐵運營里程已超過4萬km，旅客站房進站天橋基本上跨既有線路，且設計結構安全等級為一級。在兩列動車按設計速度350 km/h在區間站鄰線通過時，會對上跨正線天橋產生共振頻率，長期受此振幅影響，需對天橋結構的安全性、可靠度、舒適度進行分析，以確保高鐵運營安全及旅客舒適度符合要求[1-2]。

2 現有設計標準和技術規范的相關要求

鐵路旅客天橋因考慮安裝便捷基本采用鋼結構，《鋼結構設計標準》（GB50017—2017）中僅要求對直接承受動力荷載重復作用的鋼結構進行疲勞計算，對于高鐵通過的風動效應間接作用在鋼結構上的影響，則沒有相關疲勞驗算規定。《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ69—2010）規定人行天橋的上部結構豎向自振頻率不小于3 Hz時才能滿足行人舒適度的要求，《鐵路旅客車站設計規范》（TB10100—2018）第7.9.3條規定“旅客天橋跨越正線時應考慮列車運行產生的振動和風壓對結構舒適度的影響”。因此，目前現有的規范要么沒有鋼結構的疲勞及共振影響方面的規定，要么對旅客天橋的風動效應僅是定性的要求，沒有明確具體的控制數量及技術參數。從設計到施工，針對旅客天橋因風動效應導致的最不利結構影響無法進行質量源頭控制，亟待進行相關研究并確定現階段最有效可行的保障措施，消除可能存在的運營安全隱患。

3 旅客天橋的安全性、可靠度及舒適度分析

由于現行鋼結構設計規范中沒有對旅客天橋結構進行疲勞驗算的要求，但鐵路旅客天橋在設計100年壽命期內需反復承受列車交會導致的風動荷載，根據鐵路行業特點及實際工況，為確保行車安全，需認真對待，該文因條件所限，無法針對風振導致鋼結構疲勞破壞進行深入研究，現重點圍繞天橋的結構可靠度及舒適度進行分析和探討。為此，筆者以九景衢鐵路景德鎮北站的跨線天橋為例，采用有限元軟件SAP2000 V17.3.0來核算該天橋的結構撓度及自振頻率是否符合要求，從而驗算風振對結構可靠度及舒適度影響。

3.1 工程概況

景德鎮北站跨線天橋位于景德鎮市。該天橋最大跨度為27.200 m，寬10.800 m。其抗震設防類別：丙類；抗震等級：四級；建筑結構安全等級：二級；重要性系數：γ0＝1.0；設計使用年限：50年。天橋采用桁架形式，通過成品鉸支座落于混凝土圓柱上，縱向主梁為站臺雨棚混凝土梁，其下為混凝土圓柱，天橋兩側桁架上下弦桿及腹桿均采用焊接H型鋼，天橋屋面、樓面的斜撐采用圓鋼管，天橋兩側結構為鋼梯和罩棚結構。

3.2 計算模型

鋼結構有限元分析采用整體三維模型，其中罩棚鋼梁下端和站臺雨棚混凝土梁連接的鋼梁一端采用單向滑動鉸支座模擬，而實際設計中采用的是單向滑動節點做法。

3.3 荷載

3.3.1 天橋荷載

（1）天橋恒載：屋面恒載：6.7 kN/m2；樓面恒載：5.0 kN/m2（考慮屋面樓面混凝土及建筑做法荷載）。

（2）天橋活載：屋面活載：0.5 kN/m2；樓面活載：3.5 kN/m2。

3.3.2 荷載效應組合

（1）承載力極限狀態荷載效應組合：

1）無地震作用。表1為無地震作用載力極限狀態荷載效應組合。

表1 無地震作用載力極限狀態荷載效應組合

2）有地震組合。表2為有地震參與組合的承載力極限狀態荷載效應組合。

表2 有地震參與組合的承載力極限狀態荷載效應組合

（2）正常使用極限狀態荷載組合。表3為正常使用極限狀態荷載組合。

表3 正常使用極限狀態荷載組合

3.4 構件內力和變形

該工程鋼結構及總裝結構分別采用由美國CSI（Computers&Structures,Inc.）公司開發的商用有限元軟件SAP2000 V17.3.0。

3.4.1 控制指標

（1）變形控制指標。鋼梁撓度為L/400（懸臂梁為L/200）；天橋部分主梁撓度為L/600；鋼柱柱頂位移為H/150。

（3）應力指標。桿件主梁最大組合設計應力不大于0.85f（f為鋼材設計強度）。

3.4.2 結構內力分析

結論：

（1）梁柱的應力比基本在0.3~0.8之間。

（2）梁柱的設計以豎向荷載組合為控制工況。

3.4.3 結構變形分析

正常使用狀態下，天橋結構件最大位移值如下:

（1）恒+活作用下天橋各結構件的最大撓度：

1）恒+活作用下天橋桁架上下弦的最大撓度：

左跨上弦：26 mm 跨度為27.2 m，f/L=26/27 200<1/600，滿足規范要求。

左跨下弦：26 mm跨度為27.2 m，f/L=26/27 200<1/600，滿足規范要求。

右跨上弦：16 mm跨度為22.95 m，f/L=16/22 950<1/600，滿足規范要求。

右跨下弦：16 mm跨度為22.95 m，f/L=16/22 950<1/600，滿足規范要求。

2）恒+活作用下天橋屋面次梁的最大撓度：

53 mm跨度為10.8 m，f/L=53/10 800<1/200，滿足規范要求。

3）恒+活作用下天橋樓面次梁的最大撓度：

42 mm 跨度為10.8 m，f/L=42/10 800<1/200，滿足規范要求。

（2）振動頻率計算結果為8.35 Hz。

3.5 結論

根據計算結果，景德鎮北站旅客天橋正常荷載作用下所有結構撓度變形值均在規范允許范圍內，天橋出現豎向振動時的最大頻率為8.35 Hz，大于《城市人行天橋與人行地道技術規范》（CJJ69—2010）中關于人行天橋的上部結構豎向自振頻率不宜小于3 Hz的要求，列車運行產生的振動和風壓滿足《鐵路旅客車站設計規范》中行人舒適度的要求。因此，景德鎮北站旅客天橋結構可靠度及舒適度符合現有規范要求，同時，通過采取以下結構優化措施來減少列車通過并交會導致的風動影響，從而避免結構疲勞產生質量安全隱患。

（1）通過選用合適結構形式來減少風動效應。天橋的結構設計采用桁架形式來替代梁式天橋，增加天橋的豎向剛度，減小列車通過時對天橋的振動影響。

（2）通過大空間減少氣流阻隔來減少風動效應。結構及建筑定案過程中，在滿足行人及接觸網通過等各項指標的前提下，盡量提高天橋底部標高，以減小風動荷載。

（3）通過天橋支座彈性來減少風動效應。采用成品鉸支座替代橡膠支座，增加支座的豎向剛度以減小支座位置的豎向振動，從而降低因列車通過產生的風動對天橋結構的影響。

（4）通過合理構造來減少風動效應。天橋設計過程中應嚴格采用天橋上下弦桿通長且連續的做法，即使列車通過對該跨天橋產生影響，也可以使振動及變形向鄰跨部分轉移，以抵消列車通過帶來的部分負面影響。

4 質量控制要點

旅客天橋上跨既有線且結構耐久性要滿足100年使用期，必須加強質量控制，從結構材料選用到現場拼裝均要嚴格把控，關鍵部位及關鍵工序需進行過程旁站，現場作業要嚴格執行“三檢”制度。一是宜選用高強度優質鋼材及匹配焊材，從材質源頭上提高結構抗疲勞性能，進場進行抽樣復驗，鋼材含碳量及其他指標必須符合規范要求；二是減少桿件接頭數量，弦桿應通長下料，主弦桿禁止拼接，主要受力部位宜采用高強螺栓連接；三是加強焊接質量控制，施焊前必須進行焊接工藝試驗，焊工必須持有特殊工種上崗證并培訓合格，禁止雨天及大風天進行焊接作業，所有焊縫應進行100%無損探傷檢測，合格后才能進入下道工序；四是鋼結構防腐涂裝應嚴格進行質量控制，現場應分層進行涂裝，防腐涂料應進行涂層附著力現場抽樣檢驗，涂層漆膜厚度應分層抽測；五是結構安裝幾何尺寸及水平、垂直度偏差控制在規范允許范圍內，桿件交匯軸線偏移應控制在±2 mm以內，支座安裝偏差應不超過±10 mm。

5 建議措施

目前，九景衢鐵路自2017年開通至今景德鎮北站旅客天橋已正常使用5年，根據景德鎮北站旅客天橋的結構形式及核算結果，建議在高鐵旅客天橋設計時可參照該站結構形式，通過構造措施的合理設置來減少列車通過時風動效應對天橋結構的不利影響，并嚴格進行旅客天橋現場施作質量控制，加強關鍵部位及關鍵工序施作質量的管控，加強施作過程的質量驗收環節，確保從設計到施工均能滿足現有標準規范要求。

6 結語

綜上所述，高鐵運營安全是一切工作的重點，涉及既有線的部分關鍵結構檢算指標參照地方公路、市政等標準仍有需要改進的地方。針對涉及運營安全的旅客天橋，建議選用現行具有代表性的旅客天橋結構形式來建模進行風洞試驗，模擬高鐵以350 km/h設計速度在區間站交會通過時最不利工況對旅客天橋產生的風動影響值，可以依據試驗數據進行結構疲勞等安全性驗算，從而在天橋設計時可以有的放矢，選擇最佳結構形式，確保高鐵運營安全及旅客舒適度。