珠三角城際列車對站房結(jié)構(gòu)的振動影響研究

陳志強,顏 鋒,王曉楓,林 祥

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055；2.中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所，北京 100013)

1 研究目的

多年以來,國內(nèi)外學(xué)者在車橋振動方面的研究已經(jīng)取得了顯著的成果[1～10]。在建設(shè)第三代鐵路客站工作中,出現(xiàn)了新的列車-橋梁-站房結(jié)構(gòu)一體化的鐵路站房建筑形式。橋建合一的高架平臺結(jié)構(gòu)體系橋梁結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)結(jié)合成一個不可分割的整體結(jié)構(gòu)體系。珠三角城際鐵路站房中,正線軌道梁落在站房主體結(jié)構(gòu)框架柱頂,到發(fā)線軌道梁直接支承在主體結(jié)構(gòu)框架梁跨中位置,如圖1所示。其顯著特點是列車從站房中高速穿過,主體結(jié)構(gòu)會受到列車運行時激勵的直接影響,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動。一方面,車輛通過及制動、啟動會對所通過的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動力沖擊作用,使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動,直接影響其工作狀態(tài)和使用壽命；另一方面,結(jié)構(gòu)的振動又會對運行車輛的平穩(wěn)性和安全性產(chǎn)生影響。本文主要研究高速列車對建筑結(jié)構(gòu)的振動影響,內(nèi)容包括確定列車激勵生成、輸入方法和結(jié)構(gòu)動力分析方法、結(jié)果及評判等方面。

圖1 珠三角城際鐵路某站示意(單位：mm)

2 研究方法與計算假定

由于站房結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜,所以目前直接對車輛-橋梁-站房結(jié)構(gòu)的動力相互作用進行精確的動力學(xué)理論求解是十分困難的。因此，本研究將分析求解工作分解成兩步：(1)計算軌道梁支座處的剛度,利用靜力凝聚的方法將軌道梁獨立出來,利用現(xiàn)有的車輛-橋梁結(jié)構(gòu)動力相互作用的研究成果進行計算,得到列車對軌道梁各節(jié)點力的激勵時程。(2)建立橋梁-站房結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算模型,在軌道梁各節(jié)點輸入列車對各節(jié)點的力的激勵時程,進行橋梁-站房結(jié)構(gòu)的動力時程計算,得到橋梁-站房結(jié)構(gòu)各部分的反應(yīng)。

在車輛-橋梁結(jié)構(gòu)的計算中,采用國內(nèi)客運最常見的運行速度200 km/h速度級的客車為和諧號動車組CRH2。車輛采用二系懸掛四輪對的車輛單元,每一車輛單元共有23個自由度。軌道梁上的空間間隔為2.8 m。每一簡支梁均布置5個節(jié)點?？紤]到車站中的軌道養(yǎng)護條件及通過列車狀態(tài),本計算采用2005年5月24日在秦沈客運專線實測得到的軌道不平順時域樣本。該不平順樣本全長2.5 km,高低不平順幅值8.59 mm,水平不平順幅值3.84 mm,被普遍認(rèn)為是一種代表較高軌道養(yǎng)護標(biāo)準(zhǔn)的不平順樣本。計算列車從正線全速過站與從到發(fā)線減速進站2個工況。根據(jù)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所2003年7月提交的《橋梁縱向力綜合試驗研究報告》(秦沈客運專線綜合試驗科技攻關(guān)項目,編號2000G48-B)中給出的試驗列車在沙河特大橋上行線、羅家屯中橋下行線進行縱向力試驗的結(jié)果及分析,本文假定列車進站時車體減加速度定義為公式

(1)

式中，a(t)為t時刻的加速度值；g為重力加速度,g=9.8 m/s2；t為時間,s。

在橋梁-站房結(jié)構(gòu)的計算中,橋梁-站房結(jié)構(gòu)建立整體有限元模型,如圖2所示。其中,梁、柱采用梁單元按實際截面建模,樓板以殼單元模擬。計算時采用Rayleigh阻尼。對于舒適度的評判,采用《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB10070—88)作為主要評判標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了城市各類區(qū)域鉛垂向的Z振級VLZ限值。對于火車站候車大廳,按混合區(qū)與商業(yè)中心區(qū)考慮,晝間振動級限值為75 dB。同時采用美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會發(fā)布的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計AISC—11—《人類活動引起的樓面振動》作為參考標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對于人體最為敏感的4～8 Hz范圍內(nèi)的振動,室內(nèi)步行橋、商業(yè)區(qū)等區(qū)域能接受的加速度限值為1.5%g。

圖2 整體計算模型

3 計算結(jié)果

3.1 列車激勵結(jié)果

經(jīng)過車輛-橋梁結(jié)構(gòu)的計算,生成了列車運行時對所在軌道梁50個節(jié)點的三向激勵時程。列車正線全速過站時節(jié)點激勵的典型時程如圖3、圖4所示。該節(jié)點豎直Z向的激勵較為規(guī)律,列車通過該節(jié)點時接近于同一波形的周期性重復(fù),重復(fù)周期大致為0.5 s,每個周期內(nèi)包含2個波峰。由頻譜分析可以得出主要的頻率分量依次為2.22、6.65、4.38 Hz。該節(jié)點橫軌向的激勵為間歇性的來回振蕩,頻譜分析可以得出主要的頻率分量為2.21、6.64、4.38、8.87 Hz。

圖3 全速過站典型節(jié)點豎直Z向激勵時程

圖4 正線全速過站典型節(jié)點橫軌向激勵時程

3.2 樓板的反應(yīng)

樓板部分最大位移與加速度如表1、表2所示。從表中可以看出,由于正線過站時列車速度更快,所以軌道梁中點的加速度反應(yīng)更大。而又由于正線軌道梁直接落在框架柱上,到發(fā)線軌道梁直接支承在主體結(jié)構(gòu)框架梁靠近中間的位置,因而到發(fā)線進站時主體結(jié)構(gòu)的位移與加速度反應(yīng)更大。

表1 正線過站時站房結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)

表2 到發(fā)線進站時站房結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)

各工況下樓板的最大豎向和水平位移均不超過1 mm。樓板的振動級為56.96 dB,且樓板的最大豎向加速度為75.41 mm/s2,加速度限值150 mm/s2,故不會造成人員的不舒適。

列車在到發(fā)線進站時的樓板典型變形如圖5所示。

圖5 樓板典型變形圖

從圖5中可以看出,樓板變形最大的位置在支承軌道梁的框架梁附近。

候車層典型位移和加速度典型時程曲線如圖6所示。從豎向位移圖可以清楚看出，每個輪對通過時引起候車層豎向變形的過程。由于進站時車速逐漸減慢,故列車輪對通過的間隔逐漸增加。從順軌向位移可以看出，列車進站制動時對列車軌道梁的制動反力作用，使得站房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順軌向變形的過程。隨著列車進入對應(yīng)軌道梁范圍的增加,作用到站房軌道梁制動力逐漸增大到保持相對恒定。

圖6 列車在到發(fā)線進站時典型位移時程曲線

3.3 內(nèi)力與應(yīng)力最大值

表3中列出了各構(gòu)件在列車運行過程中各個方向的最大瞬時力。主體結(jié)構(gòu)中各桿件的應(yīng)力水平都很低,最大正應(yīng)力為0.36 MPa,完全可以忽略。由于應(yīng)力幅值很低,該站房由列車振動引起的結(jié)構(gòu)疲勞問題可不用討論。

表3 到發(fā)線行車時主要構(gòu)件單元內(nèi)力

4 結(jié)論

(1)本文從列車激勵的生成、輸入及整體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)計算、結(jié)果的分析、舒適度評價進行了一系列研究。將車輛-橋梁-站房結(jié)構(gòu)系統(tǒng)求解拆解為車輛-等效橋梁系統(tǒng)與橋梁-站房結(jié)構(gòu)動系統(tǒng)兩個子步分別求解的方法,對類似項目的分析具有重要意義。

(2)列車在正線通過以及到發(fā)線進站時,該站房變形以軌道梁自身的跨中彎曲變形最為明顯,量值為1.5～3.25 mm。站廳層變形很小,可以忽略。列車在到發(fā)線進站時,橫向框架梁跨中以及候車層接近軌道一側(cè)有較小的豎向變形,量值為0.5～1.5 mm。

(3)列車在正線過站以及在到發(fā)線進站時,除了不能上人的軌道梁,該站房結(jié)構(gòu)其余部分的豎向振動級均小于標(biāo)準(zhǔn)限值75 dB,且4～8 Hz頻率范圍內(nèi)的加速度峰值小于標(biāo)準(zhǔn)限值的1.5%g,故不會造成人員的不舒適。

(4)該站房主要構(gòu)件由列車振動影響引起的應(yīng)力水平較低,可以忽略。由于應(yīng)力幅值較低,該站房由列車振動引發(fā)的疲勞問題可不用考慮。

(5)經(jīng)過研究,橋建合一結(jié)構(gòu)體系可以運用到高速通過的客運專線及城際鐵路站房中,降低了線路高度,解決了兩種結(jié)構(gòu)體系混合引起的整體性差,施工繁瑣等不利因素,是高速鐵路站房結(jié)構(gòu)體系的新發(fā)展。

[1]Wang T L, Shahswy M. Impact in highway prestressed concrete bridges[J]. Computers &Structures, 1992,44(3):526-534.

[2]Xia He, et al. Computer simulation for dynamics of railway track structures[A]. 4th Annual Railway Transportation Conference[C]. 2000, Tehran 169-176.

[3]Yang Y B, et al. Vehicle-bridge interaction element for dynamic analysis[J]. Structural Engineering, ASCE, 1997, 123(11):1512-1518.

[4]Green M F, et al. Effects of vehicle suspension design on dynamics of highway bridges[J]. Structural Engineering, ASCE. 1995,121(2):272-282.

[5]Bogaert Van. Dyname response of trains crossing large span double-track bridges[J]. Constructional Steel Research, 1993,24(1):57-74.

[6]Diana G, Cheli F. Dynamic interaction of railway systems with large bridges[J]. Vehicle System Dynamics, 1989,18(1-3):71-106.

[7]Allen, D. E. and Murray, T. M., 1993, “Design Criterion forVibrations due to Walking,” Engineering Journal, 4th Qtr, AISC, pp. 117-129.

[8]曹雪琴,劉必勝,吳鵬賢.橋梁結(jié)構(gòu)動力分析[M].北京:中國鐵道出版社,1987.

[9]夏禾,陳英俊.車-梁-墩體系動力相互作用分析[J].土木工程學(xué)報,1992,25(2):4-12.

[10]曹雪琴,顧萍.滬寧線限速鋼梁橋提速試驗與分析[J].上海鐵道科技,2000(3):15-16.

[11]吳旺青.秦沈客運專線300 km/h綜合試驗段軌道不平順管理標(biāo)準(zhǔn)值建議研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2003(4)：1-4.