虹橋樞紐磁浮—地鐵—站屋耦合振動研究策略

王 淼

1 研究背景

虹橋交通綜合樞紐是包括航空、城際鐵路、高速鐵路、磁懸浮(連接浦東與虹橋、滬杭磁懸浮)、城市地鐵交通、長途客運、市內公交等多種換乘方式于一體的交通“巨無霸”,也是將來上海最大的鐵路客運站。規劃中的虹橋磁浮站屋主體結構共有4層,其上有商用及辦公建筑8層。地面一層有10條磁浮線路,地下二層有兩條地鐵交通線在站屋下穿磁浮線,兩種交通線路正交。為便于車站使用、減少施工難度、降低建造成本,磁浮軌道梁直接安裝在建筑結構框架上,磁浮列車先作用于車站建筑結構框架梁,通過建筑物傳遞到地基上,此外,地鐵是在車站地下二層的基礎底板上運行,因此,虹橋磁浮站屋實為建筑結構、磁浮支撐結構和地鐵支撐結構三合一的車站結構。為最終確定結構設計方案,必須從動力學入手,對磁浮列車和地鐵列車的動力相互影響及其對樞紐站屋的耦合動力相互影響進行研究,以驗證建筑結構、磁浮支撐結構和地鐵支撐結構三者合一的情況下,磁浮列車、地鐵車輛能否正常運行、站屋結構能否正常使用。

2 研究現狀

已開展的研究主要包括磁浮列車與軌道梁間的耦合振動研究和地鐵車輛與軌道之間的耦合振動研究。其中前者的動力作用不僅與車輛結構和磁鐵控制系統有關,還與磁浮軌道結構相關,特別是高速運行條件下,磁浮列車與軌道的耦合作用十分顯著。迄今為止,國內外磁浮列車系統動力學研究的主要目的是研究磁浮列車與軌道梁的耦合動力響應,該研究主要是通過分析磁浮列車的組成,建立磁浮列車車輛力學模型,同時,根據軌道梁截面特性,建立磁浮軌道梁力學模型,反映軌道梁的質量和剛度特性,通過磁浮軌道梁間的不平順譜,將磁浮列車的振動與軌道梁的振動形成耦合[1-4](見圖 1)。

地鐵與軌道間的耦合振動研究更為廣泛,分別建立地鐵車輛和軌道的力學模型,通過軌面不平順譜,將地鐵車輛的振動與軌道的振動形成耦合[5,6]。

3 磁浮列車—地鐵—站屋耦合振動研究策略

考慮到磁浮列車、地鐵列車與站屋間的耦合振動研究開展較少,為合理考慮三合一結構間耦合振動,可采用理論分析與試驗相結合的方法,將結構系統分解為地鐵和站屋以及磁浮車輛與站屋兩個子系統,分步驟研究兩者間的耦合振動,兩個子系統通過站屋結構的振動聯成大系統,通過這樣的研究策略,實現在三合一體系中,考慮磁浮列車、地鐵列車與站屋相互耦合振動的影響。具體研究技術路線如圖2所示。

在研究中,首先根據已有地鐵列車測試結果,對列車動力學模型進行修正,然后結合虹橋樞紐站結構形式,對列車的減振技術進行研究,利用合理的減振方案,建立減振后的虹橋車站內的地鐵列車與軌道間耦合振動模型,將軌道振動響應輸入到車站建筑有限元模型中,求得車站建筑各個關鍵點處的動力響應,再提取車站建筑中支撐磁浮軌道梁的框架梁的振動響應,來修正磁浮軌道梁不平順譜,求得地鐵列車運行時的磁浮列車以及軌道梁的振動響應。為考慮磁浮列車與車站建筑以及地鐵列車間的耦合振動影響,將軌道支座處的振動響應作為振動源,輸入到車站結構有限元模型中,求得車站結構在磁浮列車運行時的站內各關鍵點處的振動響應,提取車站結構中支撐地鐵軌道梁處節點的振動響應,修正地鐵軌道的軌面不平順譜。

在結果分析中,提取磁浮列車與軌道梁相關指標,如三向加速度、軌道梁的梁端相對折角等參數,分析這些關鍵參數是否滿足磁浮系統規格書[7]中規定的限值要求。提取地鐵列車振動參數,考察列車的舒適度和脫軌安全度等關鍵指標是否滿足地鐵運營的相關標準。最后,綜合分析磁浮列車、磁浮軌道梁、地鐵列車以及車站結構關鍵點處的振動指標,以確定三合一的車站結構是否可行。

4 初步研究成果

以磁浮列車與支撐在車站支撐橫梁上的軌道梁間的耦合振動初步分析結果為例,介紹利用上述三合一結構耦合振動研究策略的初步研究成果[8]。虹橋磁浮車站規劃為10線磁浮線路,線路間距相同,對稱布置。在計算中,根據磁浮列車的運營工況,分別模擬了虹橋磁浮車站第1,3和5線上列車同時以200 km/h過站、進站和出站工況下線路1,3和5的中部軌道梁跨中節點的磁浮列車動態荷載,結果如圖3～圖5所示。通過將仿真計算與已有的上海磁浮示范線實測結果的對比,可得兩者基本吻合,趨勢相同,說明本文三合一結構耦合振動研究策略方法正確。

5 結論與建議

本文通過分別研究磁浮列車與磁浮軌道梁間耦合振動和地鐵列車與軌道間的耦合振動,通過循環迭代,間接實現了考慮三合一結構間的耦合振動,為三合一車站結構的可行性提供了必要的設計依據。仿真計算結果與上海磁浮示范線實測結果基本吻合,趨勢相同,說明本文研究磁浮列車對磁浮站屋的動力仿真計算方法是可行的。

但是,這種簡化的三合一結構間的耦合振動分析,忽略了結構間真實的耦合條件,未全面反映三合一結構間的耦合關系,在今后研究中,應考慮分別建立磁浮列車動力學模型、磁浮軌道梁模型、車站結構有限元以及地鐵列車動力學模型,分析各個系統間的耦合關系,在統一的系統中進行耦合振動分析,從而提高三合一復雜耦合振動系統的分析精度,為今后大型復雜交通樞紐站的設計提供分析基礎。

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