“房橋合一”結構車致振動研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

徐永波 （安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

隨著鐵路的快速發(fā)展及人民生活水平的提高，鐵路客站的功能與空間布局也不斷發(fā)生變化，旅客要求鐵路客站具備換乘便捷、零距離換乘等特點，于是車站結構體系逐漸從“房橋分離”體系變化為“房橋合一”結構體系。“房橋合一”鐵路綜合樞紐包含軌道層、高架候車層與屋頂層，同時具有房屋和橋梁的結構特征。“房橋合一”結構體系能滿足零換乘、多模式交通轉換和交通流的立體化，實現(xiàn)足夠的轉換空間和多種交通方式銜接[1]。國內(nèi)外有許多“房橋合一”結構的綜合樞紐站，如北京南站、天津西站、武漢站、鄭州東站、濟南西站、柏林中央火車站等[2]。如見圖1所示。

圖1 “房橋合一”鐵路客站

與傳統(tǒng)的“房橋分離”鐵路客站相比，“房橋合一”結構體系的軌道層結構是站房整體結構的一部分，主要有空間框架結構體系和橋梁結構體系，如圖2所示。

圖2 “房橋合一”結構體系

“房橋合一”結構是一種建筑與橋梁之間既相互獨立又密切相關的結構，軌道層作為結構體系的一部分，而列車動荷載是軌道層結構的常態(tài)荷載，列車通過軌道層引起的振動必然會通過橋梁和豎向支撐傳遞至站房結構，導致整個站房的振動響應，影響旅客候車和換乘的舒適性，并對站房結構本身產(chǎn)生不利影響[3，4]。因此，研究車致振動響應及其控制措施對“房橋合一”鐵路綜合樞紐站的設計具有重要意義。

2 “房橋合一”結構特點

“房橋合一”結構體系中的橋梁結構體系適用于用地范圍小、客流少、車站體量小的地段，橋梁結構體系由基礎、墩臺、梁等構件，先形成橋梁結構，然后在橋上建造站臺，結構型式簡單，占地小，由于整體結構屬于“上大下小”型，結構重心位于整個結構的上部，抗震能力較差，對結構剛度和穩(wěn)定性要求較高。

空間框架結構體系適用于用地面積大、客流大的地方，整個車站先形成空間框架結構，再在框架結構上布置板梁。空間框架結構體系整體性和穩(wěn)定性好，剛度較大，抗振能力強，但由于框架體系大，框架結構容易出現(xiàn)受載不均勻，一旦基礎出現(xiàn)不均勻沉降，將損壞結構。

“房橋合一”結構體系與傳統(tǒng)的房建結構和橋梁結構相比，具有如下特點：

2.1 結構體系新，設計復雜

“房橋合一”結構是建筑結構與橋梁結構相結合的新型結構體系，結構的破壞機理和設計方法既不同于建筑結構，也與橋梁結構存在很大差異，設計時必須采用不同規(guī)范對不同型式的構件進行設計驗算，計算過程復雜[5]。

2.2 車站結構振動時常發(fā)生

由于支承列車運行的軌道結構位于“房橋合一”結構體系的軌道層，列車通過結構時常發(fā)生，而列車通過車站時產(chǎn)生的振動必然傳遞給車站的所有構件，引起車站的振動，影響旅客的舒適度、站房結構的安全性[6]，同時站房結構的振動又反過來影響列車通過車站的安全性和平穩(wěn)性。

2.3 存在人致振動的可能性

隨著綜合樞紐站的跨度增大，豎向自振頻率降低，若與人行頻率較為接近，可能產(chǎn)生人致振動，結構振動進而影響旅客的舒適度。

由于引起“房橋合一”結構振動的因素很多，如圖3所示，頻繁的振動也將影響結構的使用和安全[7]。從引起站房振動的影響因素來看，列車通過引起的振動頻次更高，因此國內(nèi)外學者目前主要集中于“房橋合一”結構車致振動問題，本文也主要分析“房橋合一”車致振動研究現(xiàn)狀及控制措施，從而為“房橋合一”結構體系設計提供參考。

圖3 影響車站振動的因素

3 “房橋合一”結構車致振動研究現(xiàn)狀

隨著交通運輸?shù)陌l(fā)展及越來越多的“房橋合一”結構的建設，“房橋合一”的車致振動問題逐漸引起國內(nèi)外學者的關注，并對該問題進行了大量的理論研究與實測驗證。

針對德國柏林的中央火車站，F(xiàn)eldmann 等[8，9]建立了柏林中央火車站站房及上部網(wǎng)殼結構的計算模型，研究了列車通過時橋梁和網(wǎng)殼結構的振動響應。2000年～2005年，北京交通大學的溫宇平和高日等[10-13]通過將車橋耦合模型計算得到的列車荷載時程曲線施加于框架模型，從而對框架式高架車站的車致振動響應進行了研究，并對設計參數(shù)的選擇進行了探討，然而計算中未考慮橋梁與框架之間的耦合作用。2004年～2006年，西南交通大學的單德山和楊興旺等[14，15]通過列車荷載模擬為列車勻速通過的荷載對橋梁式高架車站的車致振動進行了計算與分析。結合武廣客運專線的建設，武漢理工大學的王國平、徐薇、于艷麗等[16-18]對武漢站的車致振動引起的上部大跨結構的振動加速度和內(nèi)力進行了計算，并對武漢站樓板的舒適度進行了評價。2013年～2015年，劉海鑫、康軍立等[19，20]采用 ZK活載及秦沈客專綜合試驗列車的激勵數(shù)據(jù)對某“房橋合一”的鐵路高架車站的車致振動進行了分析，但沒有進行現(xiàn)場實測。2013年～2016年，楊娜等[21-23]采用現(xiàn)場實測和數(shù)值仿真相結合的方法，研究了天津西站、北京南站的車致振動響應規(guī)律，并對舒適性進行評價。中南大學的朱志輝、方聯(lián)民等[24，25]以天津西站為研究對象，建立了軌道-客運站整體三維模型，對客運站的模態(tài)及車致振動響應進行了分析，認為天津西站的結構設計安全，具有較高的安全儲備。李正川、冉汶民、李小珍等[26，27]以重慶沙坪壩綜合交通樞紐為研究對象，采用頻域加載分析方法，研究了站臺和站房的振動響應規(guī)律。張凌、崔聰聰、雷曉燕等[28-30]以南昌西站為研究對象，對南昌西站車站站房的車致振動響應進行了理論仿真及實測，研究了列車高速過站時站房的動力響應及傳播衰減規(guī)律。

近年來，國內(nèi)外學者通過大量的理論和現(xiàn)場測試對“房橋合一”車致振動及傳播規(guī)律進行了探索，并取得了一定的成果。然而“房橋合一”結構體系的振動的評價標準暫無合適的標準，同時受仿真手段及測試手段和數(shù)據(jù)的限制，對“房橋合一”車致振動的普遍規(guī)律還應進行更進一步的分析。另外，多振源作用下“房橋合一”結構體系振動也是今后的研究方向。同時為了滿足“房橋合一”結構的安全性和適用性，還應研究相應的設計方法及養(yǎng)護維修措施。

4 “房橋合一”結構車致振動減隔振措施

由于結構體系的固有特征，“房橋合一”結構的車致振動問題不可避免，但車致振動過大將影響站房結構的使用安全與旅客的舒適度，需要采取響應的減隔振措施來控制“房橋合一”結構的車致振動問題。從“房橋合一”的結構組成來看，主要可以從軌道結構、橋梁結構及站房結構三個方面進行振動控制[31-33]。

4.1 軌道結構減振措施

目前軌道結構減振措施主要有保持軌道的平順性、采用減振鋼軌、減振型扣件、減振型軌道結構等措施。

4.2 橋梁減振措施

目前橋梁減振措施主要有增大橋梁剛度、采用減振支座、在橋梁上安裝動力吸振器、多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等。

4.3 站房結構減振措施

對于建筑結構，常用的減振措施有在樓板上安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器或在站房柱子底部安裝減振支座等。

不論是采用何種減隔振措施，會產(chǎn)生新的問題，如采用軌道減振，對軌道結構本身的變形及受力不利。因此，“房橋合一”結構體系振動控制措施還需進一步研究與驗證。

5 結論

為滿足零換乘和交通流線的立體化，現(xiàn)代大型鐵路客站普遍采用“房橋合一”結構體系，伴隨“房橋合一”結構體系出現(xiàn)的車致振動問題不可避免。本文通過介紹“房橋合一”結構體系的特征、車致振動研究現(xiàn)狀及減隔振控制措施，對房橋合一車致振動研究趨勢提出了展望。

基于未來“房橋合一”結構體系會更加廣泛的應用，并成為城市的標志性建筑，國內(nèi)外學者應對“房橋合一”結構體系設計方法、車致振動的普遍規(guī)律、評價標準、減隔振措施及多振源下的振動響應與控制進行研究，使“房橋合一”結構體系更加完善。