杭州蕭山國際機場三期結構列車振動影響研究*

趙 明,陳 華,王春華

(1.中國建筑第八工程局有限公司,上海 200120; 2.杭州蕭山國際機場有限公司,浙江 杭州 310000)

0 引言

隨著我國經濟的高度發展,持續推進交通強國戰略,以滿足人民對于出行的需求,空鐵聯運綜合交通樞紐逐漸成為城市交通建設的發展趨勢[1-2]。空鐵聯運綜合交通樞紐是一種由機場航站樓、鐵路車站、地鐵車站、綜合交通換乘中心和鄰近地表結構等共同組成的新型結構形式,各部分結構并行匯集,立體交叉重疊,結構形式復雜,斷面差異大[3-4]。

由于鐵路線路與航站樓的高度融合,鐵路的運行振動對結構物及對站內旅客舒適度的影響不可忽視[5-8]。因此,對此進行深入研究顯得尤為重要。在列車振動影響分析中,土體模型常采用等效彈簧-阻尼器系統來模擬。本文推導等效邊界單元模型,并在杭州蕭山國際機場三期項目結構列車振動影響研究中進行了成功應用。

1 工程概況

杭州蕭山國際機場三期項目包含新建T4航站樓、新建綜合交通中心、旅客過夜用房及配套業務用房、高鐵設施等,航站區總平面如圖1所示。航站樓近期采用主樓加3指廊的構型,遠期采用7指廊構型,主樓屋面最大建筑高度約45m。

圖1 航站區示意

在航站區內設置了地鐵站和高鐵站,如圖2所示。地鐵站長約500m,包含了地鐵站臺及折返線。向東,地鐵線利用T3航站樓預留的6個盾構區間通道下穿航站樓;向西,地鐵線基本沿北側13號線路走線,然后3條地鐵線分別散開各自走線。高鐵站臺長450m,含250km/h正線2條。本期項目與向東離場地鐵同步實施結構部分。高鐵線路基本沿東西走向,利用T1,T2航站樓之間區域設置盾構井下穿T1航站樓指廊及空側機坪。

圖2 航站區高鐵、地鐵規劃交通示意

航站樓主體均為鋼筋混凝土框架結構體系(見圖3),北側部分豎向構件與穿越而過的地鐵區域共建,南側部分豎向構件與穿越而過的高鐵區域共建,混凝土結構部分通過伸縮縫分為若干個結構單元,屋蓋連為一體,為大跨度空間鋼結構體系。結構采用的方案為航站樓上部結構的立柱直接落在-2.500m標高的高鐵站房轉換梁上,不設置彈簧支座等隔振裝置。

圖3 航站樓結構典型剖面

航站樓本次研究范圍為航站樓-高鐵結合區,該區域地上4層,地下2層(非高鐵站區域為地下1層),結構形式為鋼筋混凝土框架結構。梁、板混凝土強度等級為C40,柱混凝土采用C60,地下室外墻混凝土采用C35,鋼筋均采用HRB400。

2 列車振動分析方法

2.1 列車對機場振動影響分析的求解方法

列車對機場結構的振動影響分析是一個十分復雜的問題,本研究將整個車輛-航站樓系統的動力學相互作用分析求解分解成兩部分。

1)求解列車輪軌激勵時程 對高速鐵路隧道相關范圍內、相關深度內的土體進行建模,聯合下部的樁基和筏板形成一個新的車輛-承軌結構系統。然后,利用現有的無限長車-軌耦合模型動力相互作用計算的研究成果,對該車輛-軌道系統進行動力相互作用計算,得到列車車輛對軌道各節點的激勵時程。

2)航站樓結構振動響應求解 對航站樓相關范圍內的結構、隧道、土體、樁基和筏板進行建模,在軌道各節點輸入列車車輛對軌道各節點的激勵時程,進行航站樓結構的動力時程計算,得到結構各部分的動力響應,綜合分析計算結果,對航站樓結構的安全性和舒適性進行評判,并提出振動控制的相關建議。

2.2 列車輪軌激勵求解方法

根據杭州蕭山國際機場三期的線路特點,考慮列車編組為:高鐵列車采用CRH380A車型,其正線運行速度為250km/h,采用8節編組。

計算中視包含若干節車輛的列車為單一車輛模型。具有二系懸掛四輪對的車輛單元具有如下結構:車輛單元由1個車體、2個轉向架、4個輪對組成。每個車體和每個轉向架均具有y,z,Rx,Ry,Rz方向的自由度,每輪對具有y,Rz方向的自由度。這樣,每一車輛單元共有23個自由度。車體與前、后轉向架之間由彈簧和阻尼器相連,轉向架左右兩側各有x,y,z方向的線性彈簧和黏滯阻尼器各1個;前、后轉向架與各相應輪對之間由彈簧和阻尼器相連,輪對左右兩側各有x,y,z方向的線性彈簧和黏滯阻尼器各1個。車輛結構如圖4所示。

圖4 二系懸掛四輪對車輛模型

2.3 航站樓結構的動力響應計算模型

2.3.1計算模型

動力響應計算采用ANSYS軟件建立有限元模型。所有模型均按照施工圖紙建立樁基和筏板模型,按照地質勘察報告建立了分層土體,并建立樁基模型,土體最外側為半無限黏彈性邊界單元。航站樓有限元模型如圖5所示。

圖5 航站樓模型

2.3.2單元及材料設定

結構模型中,梁、柱分別按實際截面建模,以空間梁單元模擬,樓板采用面單元。所有構件均采用彈性材料類型。

鋼材和混凝土的密度、質量及強度均按照相關規范選取,在考慮動力荷載影響時,對混凝土的彈性模量乘以1.2的增大系數,土體參數按照地質勘察報告中各土層參數選取,并考慮土體動彈性模量的放大系數。

質量源取1.0倍的恒荷載和0.5倍的活荷載。

2.3.3邊界條件設定

推導八節點六面體單元來模擬三維一致黏彈性邊界,等效替換傳統的三維黏彈性邊界,能夠方便地應用于近場波動問題和土-結構動力相互作用問題,如圖6,7所示。

圖6 常規三維黏彈性人工邊界條件

圖7 等效三維六面體單元

邊界單元的等效剪切模量和彈性模量分別為:

(1)

(2)

3 技術評判標準

杭州蕭山國際機場航站樓在高鐵站房附近區域的建筑功能如圖8所示,考慮到該區域內無過夜旅客,其商業、安檢、值機候機區域可參考混合區商業區的晝間,Z振級容許值為晝間75dB,首層的道路區域不做要求。

圖8 航站樓相關區域各層建筑功能

對于安全性的評判,基于機場航站樓計算得到的速度反應來進行評判,具體如下:在建筑物基礎處的容許振動速度峰值限值為5mm/s(1～100Hz),上層樓面處容許振動速度峰值限值為10mm/s(1～10Hz)。

4 激勵荷載結果

列車過站時典型的節點豎向激勵力幅值在150kN左右,全為負值。從豎向激勵的變化可以看出整個列車通過該節點的過程。第3秒豎向激勵從0開始增長并出現第1個峰值,表示該時刻列車第1輪對到達該節點。6秒豎向激勵又減少至0,說明列車已經完全通過該節點,如圖9所示。

圖9 典型節點豎向力時程

y向激勵幅值在20kN左右,偏向一側。y向激勵出現幅值的時間點與豎向激勵幅值時間點重合,如圖10所示。

圖10 典型節點橫軌向力時程

5 結構振動響應結果分析

5.1 加速度極值

列車運行時航站樓結構低頻段的最大豎向加速度響應如表1所示。橫軌向及順軌向加速度響應相對較小,比豎向小一個數量級,不再詳細列出。

表1 航站樓結構最大響應-豎向加速度

5.2 速度極值

列車運行時航站樓結構低頻段的最大豎向速度響應如表2所示。橫軌向及順軌向加速度響應相對較小,比豎向小一個數量級,不再列出。

表2 航站樓結構最大響應-豎向速度

列車以250km/h的速度通過時,基礎處的最大振動速度為2.23mm/s,4層樓面處的最大振動速度為0.84mm/s,均小于GB 50868—2013《建筑工程容許振動標準》規定的振動速度限值,滿足結構振動響應速度安全性的要求。

5.3 Z振級極值

航站樓結構各層最大Z振級如表3所示。列車以250km/h的速度通過時,航站樓2～4層在站房上部區域的Z振級值大于GB 10070—88《城市區域環境振動標準》中75dB的限值,不滿足規范要求。1層相關區域的建筑功能為道路,不做要求。

表3 航站樓結構最大Z振級

計算結果表明,不設北側抗震縫時,該縫所在位置北側的結構振動響應已相對較小,北側結構的最大Z振級為73.1dB,說明不設縫時其北側上部結構的振動響應也可滿足規范要求。

超限區域主要集中在站房正上方區域及北側南側各一跨區域,建議對2～4層相關區域進行樓板加厚處理。試算結果表明,樓板厚度增大至250mm時,相關區域的振動滿足規范限值要求,具體結果如表3所示。

5.4 人員舒適性評價預測

列車運行對杭州蕭山國際機場三期航站樓結構造成的振動影響,在人員舒適性方面有如下結論。

1)列車以250km/h的速度在航站樓范圍內通過時,航站樓2～4層在站房正上方區域振級值大于《城市區域環境振動標準》中75dB的限值,不滿足規范要求。建議對2～4層相關區域進行樓板加厚處理。從目前建筑功能圖來看,1層振動較大的相關區域建筑功能為道路,不做要求。

2)計算結果表明,不設北側抗震縫時,該縫所在位置北側的結構振動響應已相對較小,說明不設縫時其北側上部結構的振動響應也可滿足規范要求。

3)試算結果表明,振動超限區域樓板厚度增大至250mm時,相關區域的振動滿足規范限值要求。后期可根據建筑功能和距離遠近,在不上人的區域和距離較遠的區域適當減小樓板增加厚度。

考慮到樓板加厚這種減振方法效率較低,加厚后結果仍很接近限值,且存在將來軌道施工質量和后期磨損等不可控因素。建議與軌道設計單位溝通確認道床形式,并咨詢軌道方面專家是否可在航站樓正下方局部采用軌道減振方法,如局部使用有砟軌道或使用聚氨酯墊道床等,這樣直接從振源源頭減少振動效率更高,效果更好。

6 結語

本文應用有限元計算方法,研究了列車振動對杭州蕭山國際機場三期結構影響。研究得到,列車以250km/h的速度通過時,基礎處的最大振動速度為2.23mm/s,4層樓面處的最大振動速度為0.84mm/s,均小于《建筑工程容許振動標準》規定的振動速度限值,滿足結構振動響應速度安全性的要求。

另外,由于有限元計算不能完整理想地考慮所有影響因素,振動預測也不能完全代表將來的實際振動情況。為了保證將來機場、高鐵運營過程中的振動舒適性,建議在上部機場結構采取相關措施的基礎上,高鐵設計方應在軌道方面采取一定的措施,以期能對振源振動減少10dB以上,保證機場和高鐵的高品質運營。