高速列車脈動風作用下車站人行天橋動力性能試驗研究

劉鵬輝，韓自力，趙健業，尹 京

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

人行橋建造在車流量大、行人稠密的地段，或者交叉口、廣場、鐵路上面，一般只允許行人通過。人行橋常用于避免車流和人流平面相交時的沖突，保障人員安全，提高車速，減少交通事故。高速鐵路車站內人行天橋跨越股道連接各站臺，其主要職能與城市交通中的人行天橋類似，設計時主要考慮人行荷載激勵產生的振動舒適度問題。但高速鐵路車站旅客人行天橋還具有特殊性：當動車組高速通過正線時，列車將產生較大的氣動力，會對跨越正線上方的人行天橋產生瞬間的推力和吸力，引起人行天橋的振動。當振動過大時，這些振動雖不足以使結構出現安全性問題，但會給行人帶來不適感，可能使行人或乘客在行走過程中出現緊張甚至恐慌心理，導致人行天橋結構使用性能降低。日本東靜岡車站一座跨越新干線東海道正線的四跨連續鋼板梁橋進行了新干線列車通過時的振動響應測試，測試結果表明該橋最大豎向振幅達到了3mm，最后在人行天橋安裝調頻質量阻尼器(TMD)進行減振[1]。我國京滬高速鐵路徐州東站在正線動車組速度達到300km/h 以上時，旅客在人行天橋上能明顯感受到振動，而列車脈動風是引發天橋振動的主要因素[2]。高速鐵路通過人行天橋時，列車氣動力在車頭和車尾出現峰值，作用時間很短，且列車速度越高氣動效應越明顯，與人行荷載作用下人行天橋的振動完全不同，因此列車高速通過時氣動力引起的人行天橋振動舒適度問題應成為高速鐵路車站內人行天橋設計時須考慮的主要問題之一。

本文通過對京沈高速鐵路阜新站內跨線人行天橋的自振特性和動車組列車以不同速度通過時人行天橋動力性能進行分析，研究人行天橋在脈動風激勵作用下的振動特點、振動水平和振動分布規律，為我國高速鐵路人行天橋的振動舒適度限值制訂提供技術支持。

1 人行天橋振動標準

人行荷載與列車荷載不同，人行進過程中兩下肢交替運動帶動整個身體前進，人行荷載具有周期性、窄帶隨機性等特征。一般行人步頻通常在1.6～2.5步/s，平均值為1.99步/s，呈正態分布，標準差為0.178步/s，離散性較小。因此，在豎向自振頻率接近2.0 Hz的人行天橋上，由于自振頻率與行人步頻接近，容易發生共振[3]。國外發布人行天橋振動規范的主要目的是為了避免行人(單人行走或人群結伴行走)與天橋發生共振而導致過大的振動響應，一般包括人行天橋自振頻率和振動響應2類。

1.1 我國人行天橋設計標準

我國城市人行天橋設計主要依據CJJ 69—95《城市人行天橋與人行地道技術規范》[4]，為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3.0 Hz。目前該規范正在修訂，其修訂版征求意見稿規定：當人行天橋采用梁式結構或采用鋁合金結構時，其豎向固有頻率不得小于3.0 Hz，橫向固有頻率不得小于1.2 Hz。當采用其他結構時，天橋結構豎向固有頻率大于3.0 Hz，橫向固有頻率大于1.2 Hz，可不進行人致振動舒適度驗算；天橋結構豎向固有頻率小于 3.0 Hz，橫向固有頻率小于1.2 Hz，應進行人致振動舒適度驗算；對于豎向舒適度，應分別驗算頻率處于1.25～3.0 Hz的豎向模態；對于橫向舒適度，應分別驗算頻率處于0.5～1.2 Hz的橫向模態。

1.2 國外人行天橋設計標準

1.2.1 自振頻率

表1給出了一些國家關于人行天橋振動頻率限值的規定和建議[5]。為避免人行天橋在人行荷載下發生共振，規范中要求人行天橋豎向自振頻率限值一般不低于3.0 Hz或豎向自振頻率避免位于1.5～2.5 Hz。

表1 人行天橋振動頻率限值

1.2.2 振動響應

人對振動的反應與振動的大小、頻率特性和持續時間以及人所處的環境、人自身的活動狀態、人的心理反應等都有關系。而人行天橋引起人體不舒適感的主要原因是由于振動響應過大，并超出人們所能容忍的范圍。一般來說人在行進中對振動的耐受力要比在建筑物內高一些。有關人行天橋振動對人體舒適度的影響，美國、英國、日本等國家做了一些研究，相關規范對人行天橋振動舒適度指標的規定較多。研究表明，在振動的位移、速度和加速度這3個因素中，影響人的生理和心理感受的主要因素是加速度。各國規范中行人過橋的舒適度指標普遍采用橋梁最大振動加速度來劃分，但限值略有差別。表2、表3給出了一些國家關于人行天橋振動加速度限值的規定和建議。

表2 豎向加速度限值

表3 橫向加速度限值

歐盟煤鋼研究基金的報告EN 03:2008《人行橋設計指南》中對人行荷載作用下人行天橋舒適度等級和相應峰值加速度限值進行了規定，見表4。

德國工程師協會VDI 2038-2:2013《在動力荷載作用下結構舒適度分析和評估——診斷、評估、控制措施》對人行荷載作用下橋梁振動的人體舒適度準則及其對應的橋梁設計情景進行了規定，見表5。

列車脈動風作用下引起的人行天橋振動屬于瞬時振動，作用時間較短且具有一定的偶然性。行人作為受振體，如果人行橋發生振動，行人會自動調整步頻和相位，以適應橋梁的振動，改善自身行走特性[3]。綜合以上國外人行激勵天橋振動舒適性標準，高速鐵路跨線天橋振動舒適度豎向振動加速度參考限值定為1.0 m/s2，橫向振動加速度參考限值定為0.3 m/s2。

表5 VDI 2038-2:2013中人行荷載作用下振動的舒適度

2 京沈高速鐵路阜新站人行天橋試驗研究

2.1 測點布置

京沈高速鐵路阜新站設2臺6線，進站天橋跨越正線，最大跨度為27.1 m，橋面寬12 m。天橋結構主要為鋼桁架，縱梁和橫梁均為工字鋼，天橋通道為全封閉，現場照片如圖1。

圖1 阜新站人行天橋遠景

阜新站天橋振動測點共計24個，采用陣列分布，兼顧振動最大區域和傳遞規律研究。測點布置如圖2所示。儀器采用891型拾振器和INV9500系列無線數據采集系統，采樣頻率為512 Hz。

圖2 人行天橋測點布置

2.2 測試結果

2.2.1 自振頻率和阻尼比

阜新站人行天橋自振特性采用脈動法和自由振動衰減法測試。圖3為人行天橋自由振動衰減時程曲線，可以看出，振動衰減時間約為10 s，梁體1階豎向自振頻率為4.96 Hz，豎向振動阻尼比為0.70%；2階豎向自振頻率為7.23 Hz。

圖3 高速鐵路跨線人行天橋自振特性

表6給出了我國部分高速鐵路人行天橋自振特性實測值。可以看出，人行天橋豎向自振頻率遠大于行走步頻(1.5～2.5 Hz)且大于規范規定的3.0 Hz，橫向自振頻率大于規范規定的1.5 Hz，因此旅客行走激勵不會使人行天橋產生共振而導致振動舒適度的問題。

表6 高速鐵路人行天橋實測自振特性

2.2.2 橫向振動加速度

實測列車通過時人行天橋跨中橋面橫向振動加速度時程曲線見圖4。實測列車以不同速度通過時天橋跨中橋面橫向振動加速度最大值見圖5和表7。可以看出：在動車組速度小于250 km/h時，隨著行車速度的增大人行天橋橫向加速度增長緩慢；動車組速度超過250 km/h時，隨著列車行車速度的增大橫向加速度增長加快；不同動車組高速通過時，天橋跨中橋面橫向振動加速度最大值為0.14 m/s2，均小于橫向加速度人體舒適度參考限值(0.3 m/s2)。

圖4 人行天橋跨中橋面橫向振動加速度時程曲線

圖5 不同車型通過時橋面中心橫向振動加速度與列車速度的關系

測試車型速度/(km·h-1)跨中橋面橫向振動加速度/(m·s-2)3000.083100.103200.08CRH380BJ3300.103400.093500.133600.143700.102600.033000.053200.07CR400AF3400.063500.093600.073700.072000.022500.032600.04CR400BF(16節長編組)3000.063100.063300.093400.06

2.2.3 豎向振動加速度

列車通過時天橋跨中橋面中心豎向振動加速度典型時程曲線見圖6。

圖6 列車作用下天橋跨中橋面中心豎向振動加速度典型時程曲線

表8 天橋跨中橋面豎向振動加速度最大值統計結果

天橋跨中橋面中心豎向振動加速度與列車速度的關系見圖7，天橋跨中橋面中心豎向振動加速度三維譜見圖8。可以看出：列車速度小于300 km/h時立柱處豎向振動加速度很小，且隨速度的提高增長不明顯，天橋振動是以輪軌振動經過天橋墩柱傳遞到橋面的振動和列車脈動風致振動疊加的結果；當列車速度超過300 km/h后，隨著列車速度的提高，在車頭和車尾的氣動力明顯增大且作用時間很短，天橋振動響應表現為以天橋豎向自振頻率為主的自由衰減振動且衰減時間較慢。行車速度大于300 km/h時天橋跨中橋面中心區域的豎向加速度超過人體舒適度參考限值(1.0 m/s2)。

圖7 天橋跨中橋面中心豎向振動加速度與列車速度關系

圖8 天橋跨中橋面中心豎向振動加速度三維譜

2.2.4 天橋橋面不同位置振動響應分布規律

根據測得的人行天橋各位置處在列車通過時的豎向振動加速度,繪制人行天橋豎向振動加速度分布云圖，見圖9。

(a)CRH380BJ,350 km/h

(b)CR400AF,350 km/h

(c)CR400BF長編組,340 km/h圖9 人行天橋豎向振動加速度分布云圖

從圖9可知：在人行天橋縱向上，跨中斷面豎向振動加速度最大，然后向1/4跨和立柱斷面逐漸減小；在人行天橋橫向上，橋面中心區域豎向振動加速度最大，然后向兩側的邊緣逐漸減小;整個橋面豎向加速度最大值位于跨中的中心處。

以CRH380BJ為例，對每個速度下天橋中心處的豎向加速度進行譜分析，并按車速依次排列，得到列車以不同速度通過時天橋跨中橋面中心豎向振動加速度在頻域上的分布，見圖10。

圖10 CRH380BJ通過時跨中橋面中心豎向振動加速度頻率速度關系

3 結論

1)列車脈動風作用引起的人行天橋振動屬于瞬時振動，作用時間較短且具有一定的偶然性，參考國內外步行激勵人行天橋振動舒適性標準，高速鐵路人行天橋振動舒適度豎向最大振動加速度參考限值為1.0 m/s2，橫向最大振動加速度參考限值為0.3 m/s2。

2)我國高速鐵路人行天橋豎向自振頻率遠大于行走步頻1.5～2.5 Hz，大于規范規定的3.0 Hz的要求，橫向自振頻率大于規范規定的1.5 Hz要求，旅客行走激勵不會使人行天橋產生共振而導致振動舒適度的問題。

3)列車速度小于300 km/h時，天橋振動主要是經過天橋墩柱傳遞到橋面的輪軌振動疊加列車脈動風致振動的結果；當列車速度超過300 km/h后，隨著列車速度的提高，在車頭和車尾的氣動力明顯增大，且作用時間很短，天橋振動響應表現為以天橋豎向自振頻率為主的自由衰減振動，且衰減時間較慢。列車行車速度大于300 km/h時，天橋跨中橋面中心區域的豎向加速度超過人體舒適度參考限值(1.0 m/s2)。

4)人行天橋設計應考慮列車風對天橋動力響應的影響。建議對于列車速度大于300 km/h的高速鐵路跨線人行天橋通過增加天橋豎向剛度、增大阻尼等方法減小列車通過時天橋的豎向振動，并采取有效措施如優化天橋外形、增大天橋高度等減小脈動風的影響。