高速列車引起的車站天橋振動分析

欒濤

(中鐵建設(shè)集團有限公司，北京100040)

高速列車引起的車站天橋振動分析

欒濤

(中鐵建設(shè)集團有限公司，北京100040)

高速鐵路客站跨線天橋是臨近高速鐵路建筑物，高鐵列車高速通過鐵路正線時產(chǎn)生的列車風(fēng)和振動給車站天橋結(jié)構(gòu)帶來了振動激勵，其對結(jié)構(gòu)安全的影響有必要加以研究。本文以一高鐵車站旅客天橋為例，通過現(xiàn)場實測、理論分析對天橋振動進行了研究，確定了引起天橋結(jié)構(gòu)振動的原因是列車風(fēng)，并提出了高鐵車站天橋設(shè)計改進建議。

高速鐵路 跨線天橋 現(xiàn)場實測 振動

高鐵客站設(shè)計須充分考慮每天數(shù)百次350 km/h高鐵列車通過時帶來的振動和列車風(fēng)［1-2］對跨線天橋結(jié)構(gòu)和建筑裝飾物的影響。高速列車對跨線天橋結(jié)構(gòu)振動的影響有別于對公路和鐵路既有線天橋的影響。楊亦軍等［3］對列車通過時東海道新干線跨線鋼板梁橋的風(fēng)壓分布以及振動進行了現(xiàn)場實測與分析，結(jié)果表明跨線天橋振動是由列車風(fēng)引起的，提出了設(shè)置小型調(diào)質(zhì)阻尼器(TMD)的減震措施;雷波等［4］數(shù)值模擬了高速列車通過時作用在跨線天橋上的風(fēng)壓力，得到了天橋底面壓力分布的基本特征;楊娜等［5］通過實測數(shù)值和小波分析研究了高速列車經(jīng)過時跨線天橋表面風(fēng)壓情況。本文采用現(xiàn)場實測、理論分析等方式研究高鐵正線列車通過時一天橋結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，分析引起天橋結(jié)構(gòu)振動的原因并提出了天橋設(shè)計建議。

1 工程概況

一高速鐵路中間站為線側(cè)平車站，坐東朝西，面向城市，設(shè)5臺11線(基本站臺1座，中間站臺4座)。無站臺柱雨棚在站房兩側(cè)對稱布置，雨棚長421 m，寬117.9 m，采用3跨連續(xù)(41.0+33.5+43.0)m鋼桁架(倒三角形管桁架)，柱采用鋼管柱(φ800×25 mm)，凈高13 m，雨棚鋼結(jié)構(gòu)跨越5個站臺，雨棚鋼結(jié)構(gòu)覆蓋面積近50 500 m2。縱向柱距除站中心處為21 m外，其余均為18 m。橫向柱距由東向西柱距依次為55.00，41.65 m，外側(cè)懸挑19.25 m。進站天橋長110.8 m，寬15.0 m，采用樁基礎(chǔ)，鋼管立柱，天橋上部為鋼結(jié)構(gòu)。

圖1為車站剖面圖。

圖1 車站剖面示意(尺寸單位:mm;高程單位:m)

2 客站天橋振動現(xiàn)象

圖2為天橋照片。高鐵列車通過時，在天橋結(jié)構(gòu)跨中能明顯感覺到上下振動，振動幅值在列車尾部離開天橋時達到最大，在列車離開天橋后近1 min逐漸衰減、停止。為確保高鐵行車安全，設(shè)計單位組織專業(yè)機構(gòu)進行了現(xiàn)場測試、結(jié)構(gòu)檢驗、分析評估和設(shè)計方案研究。

圖2 天橋側(cè)立面

2.1 振動位移測試

天橋振動位移測試內(nèi)容主要為:天橋不同部位在不同方向(上行和下行)、不同編組類型正線列車通過天橋時結(jié)構(gòu)振動的豎向位移。采用INV9500系列無線數(shù)據(jù)采集器、高清數(shù)碼相機與拾振器相結(jié)合的方式進行測量。重點在客站天橋跨中(A點)、鋼柱頂(B點)、跨中外側(cè)(C點)、鋼柱底部(D點)布置測點，如圖3所示。對8節(jié)編組(小編組)、16節(jié)編組(大編組)以及雙8節(jié)編組高鐵列車正線以300～305 km/h過站時引發(fā)的振動位移情況進行測試。以下以大編組高鐵列車正線以305 km/h高速通過時的測試為例進行分析。

圖3 天橋振動位移測點布置(單位:mm)

2.1.1 加速度測試

在客站天橋跨中、柱頂、跨中外側(cè)、柱底布置測點后，進行豎向加速度測試。

1)天橋跨中、柱頂、跨中外側(cè)、柱底測點豎向振動的加速度時程以零點為中心在兩側(cè)對稱振蕩，跨中、柱頂、柱底測點加速度幅值分別為0.534，0.096，0.148，0.019 m/s2。振動從第10.5 s開始，在0.3 s內(nèi)迅速增大到峰值，之后的變化為:①天橋跨中在接下來的1.5 s內(nèi)振動略有減小，1.5 s后振動又略有增大，振動開始后第5 s達到第2個峰值，比第1個峰值略小，接著轉(zhuǎn)化為駐波形式并逐漸衰減的自由振蕩，衰減持續(xù)時間約為15 s。列車對天橋跨中豎向產(chǎn)生了兩次激振影響，時間間隔約為5 s(如圖4(a))。②柱頂、跨中外側(cè)、柱底測點振動在之后5 s內(nèi)均維持在較高水平，在5 s后加速度迅速減小，其中柱底處(圖4(d))衰減的速度比柱頂處(圖4(b))更快，說明大編組列車通過時對柱頂、柱底測點豎向的影響持續(xù)時間約為5 s。而跨中外側(cè)處(圖4(c))最后轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的逐漸衰減的往復(fù)自由振蕩，衰減持續(xù)時間約為13 s。

2)天橋柱底測點水平向振動的加速度時程以零點為中心在兩側(cè)對稱振蕩，加速度幅值為0.021 m/s2。振動從第10.5 s開始，在0.3 s內(nèi)急速增大到峰值，在之后5 s內(nèi)均維持在較高的水平，在5 s后加速度迅速減小至0，說明大編組列車通過時對柱底水平向的影響持續(xù)時間約5 s，見圖5。

3)加速度最大值

各工況加速度最大值見表1。可見，最大豎向加速度為0.635 3 m/s2，小編組與大編組列車對振動幅值影響的規(guī)律性不明顯，說明列車長度不是決定豎向振動大小的決定因素。

2.1.2 最大位移

數(shù)據(jù)采集分析結(jié)果表明，列車在正線高速通過時，客站天橋跨中、柱頂、柱底的最大豎向位移分別為1.160，0.100，0.003 mm。天橋主梁跨中外側(cè)、柱底最大水平位移分別為0.022，0.003 mm，見表2。

2.2 振動頻率測試

在天橋結(jié)構(gòu)上布置加速度傳感器，分別獲得列車經(jīng)過時天橋結(jié)構(gòu)振動的時域信號，經(jīng)處理獲得其頻譜。由于振動測試測點較多，下面只選擇典型測點進行分析。天橋跨中、主梁跨中外側(cè)、柱底測點振動頻譜分布分別見圖6、圖7、圖8。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，最大頻率分量為4.6 Hz，與結(jié)構(gòu)自振頻率吻合，其余的頻率分量很小。由圖7、圖8可以發(fā)現(xiàn)，天橋主梁跨中外側(cè)測點豎向振動加速度的最大頻率分量為4.6及5.8 Hz。柱底測點豎向振動加速度的頻譜則分布廣泛，最大頻率分量在33，36，43及50 Hz，且在10 Hz處也較大。

圖4 豎向加速度

圖5 水平加速度(柱腳測點)

表1 客站天橋不同工況各部位豎向加速度最大值m/s2

表2 客站天橋豎向位移最大值統(tǒng)計mm

3 天橋振動分析

3.1 振動原因

天橋結(jié)構(gòu)振動可能的原因有兩種［6-7］:①列車通過時軌道振動由大地通過天橋基礎(chǔ)傳遞到天橋結(jié)構(gòu)上，造成天橋結(jié)構(gòu)的振動;②列車高速通過天橋時造成的氣壓變化對結(jié)構(gòu)形成激勵，引起振動。為確定天橋振動的原因，進行了軌道層振動現(xiàn)場測試。結(jié)果表明，正線列車所產(chǎn)生的振動波的傳播路徑為:振動經(jīng)橋梁結(jié)構(gòu)軌道梁往下傳遞至天橋基礎(chǔ)，然后沿大地的場地土水平傳遞至天橋柱，再往上傳遞至天橋結(jié)構(gòu)梁、板。振動波隨著傳播路徑逐漸衰減。通過大地傳遞給天橋柱底部的激勵主要集中在40～60 Hz頻率段，與天橋振動頻率頻段不同。車速對所有監(jiān)測結(jié)構(gòu)部位的主要振動頻率的影響不大。故可以判定天橋結(jié)構(gòu)的振動并非由列車和軌道振動所致，而是由列車通過時造成的氣壓變化引起的。

圖6 天橋跨中結(jié)構(gòu)振動頻譜分布

圖7 天橋主梁跨中外側(cè)測點振動頻譜分布

圖8 天橋柱底測點振動頻譜分布

對天橋兩端玻璃欄板進行測試發(fā)現(xiàn)，其水平自振頻率與天橋豎向自振頻率基本一致，判定由天橋振動激發(fā)了玻璃欄板很大一部分水平振動，直接導(dǎo)致欄板玻璃水平振動響應(yīng)較大，說明欄板玻璃自振頻率應(yīng)盡量遠離天橋豎向自振頻率。

3.2 列車風(fēng)實測與分析

天橋受到列車風(fēng)和自然風(fēng)的共同影響，二者相互交織、干擾，使列車周圍的空間流場極為復(fù)雜。可以通過對比結(jié)構(gòu)的自振頻率與風(fēng)致振動的頻率來確定振動的類型，以便有針對性地制定振動控制方案。通過試驗分析得知，列車速度對空氣動力影響大，空氣動力與列車速度的平方成正比;與列車距離越近，空氣動力越大;此外，車頭造形對列車頭部空氣動力有重要影響。

要準(zhǔn)確測量天橋風(fēng)速，必須考慮自然風(fēng)的影響。將列車過站進入測量范圍之前的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后作為自然風(fēng)風(fēng)速的測量結(jié)果，以此對列車風(fēng)風(fēng)速加以修正。經(jīng)實測，16:02當(dāng)兩列小編組相連的車體通過時，車站風(fēng)速的測量結(jié)果較大，最大值達到6.22 m/s，如表3所示。

表3 車站最大風(fēng)速連續(xù)測量結(jié)果

測試結(jié)果表明，列車引起的大地振動傳遞到跨中振動加速度為34 mm/s2，加列車風(fēng)荷載跨中振動加速度為569 mm/s2。環(huán)境風(fēng)作用下天橋結(jié)構(gòu)振動計算結(jié)果見圖9，最大振動加速度為509 mm/s2。計算得到的風(fēng)速與實測值很接近，振動波形也相似。

圖9 環(huán)境風(fēng)下天橋結(jié)構(gòu)振動計算結(jié)果

3.3 計算分析結(jié)果

由測試結(jié)果可以判定天橋振動主要由列車環(huán)境風(fēng)引起。列車環(huán)境風(fēng)引發(fā)的天橋振動比列車通過大地傳遞到天橋基礎(chǔ)引發(fā)的振動大一個數(shù)量級。該振動為受迫振動而非自由振動。對天橋結(jié)構(gòu)建模進行結(jié)構(gòu)檢算，檢算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的原設(shè)計符合規(guī)范要求，可以保證結(jié)構(gòu)的安全與正常使用。

天橋跨中的豎向自振頻率為4.6 Hz，玻璃欄板水平向自振頻率為4.6 Hz，二者一致。由于玻璃欄板水平振動很大一部分是由天橋振動激發(fā)的，直接導(dǎo)致天橋玻璃欄板水平振動響應(yīng)較大，應(yīng)進一步改進。經(jīng)過專家論證會深入討論，設(shè)計單位改進了天橋欄板的設(shè)計，見圖10。

圖10 天橋鋼制欄板示意

4 結(jié)論與建議

客站設(shè)計時必須考慮高速鐵路列車風(fēng)對站臺、天橋、雨棚結(jié)構(gòu)造成的影響，應(yīng)細化專門設(shè)計。本文通過一高鐵車站天橋結(jié)構(gòu)在高速列車作用下結(jié)構(gòu)振動現(xiàn)象的實例分析得出，天橋結(jié)構(gòu)的振動是高速列車通過時列車風(fēng)帶來的氣壓變化引起的結(jié)構(gòu)受迫可視振動，經(jīng)過疲勞驗算，其對主體結(jié)構(gòu)的安全沒有影響。

對高速鐵路客站天橋設(shè)計提出如下建議:

1)高速列車經(jīng)過產(chǎn)生的列車風(fēng)可能造成天橋結(jié)構(gòu)的振動，設(shè)計過程中需考慮動態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全，保證必要的剛度、合理的柱網(wǎng)和柱間距。

2)天橋建筑設(shè)計中避免使用玻璃欄板，宜采用更安全的建筑材料及結(jié)構(gòu)形式。

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(責(zé)任審編李付軍)

U441+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.09

1003-1995(2015)05-0034-04

2015-01-10;

2015-03-16

欒濤(1970—)，男，遼寧沈陽人，高級工程師，碩士。