高速列車(chē)引起的車(chē)站天橋振動(dòng)分析

欒濤

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100040)

高速列車(chē)引起的車(chē)站天橋振動(dòng)分析

欒濤

(中鐵建設(shè)集團(tuán)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(chē)高速通過(guò)鐵路正線時(shí)產(chǎn)生的列車(chē)風(fēng)和振動(dòng)給車(chē)站天橋結(jié)構(gòu)帶來(lái)了振動(dòng)激勵(lì)，其對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響有必要加以研究。本文以一高鐵車(chē)站旅客天橋?yàn)槔?，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析對(duì)天橋振動(dòng)進(jìn)行了研究，確定了引起天橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)的原因是列車(chē)風(fēng)，并提出了高鐵車(chē)站天橋設(shè)計(jì)改進(jìn)建議。

高速鐵路 跨線天橋 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè) 振動(dòng)

高鐵客站設(shè)計(jì)須充分考慮每天數(shù)百次350 km/h高鐵列車(chē)通過(guò)時(shí)帶來(lái)的振動(dòng)和列車(chē)風(fēng)［1-2］對(duì)跨線天橋結(jié)構(gòu)和建筑裝飾物的影響。高速列車(chē)對(duì)跨線天橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響有別于對(duì)公路和鐵路既有線天橋的影響。楊亦軍等［3］對(duì)列車(chē)通過(guò)時(shí)東海道新干線跨線鋼板梁橋的風(fēng)壓分布以及振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析，結(jié)果表明跨線天橋振動(dòng)是由列車(chē)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(chē)通過(guò)時(shí)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(guò)實(shí)測(cè)數(shù)值和小波分析研究了高速列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)跨線天橋表面風(fēng)壓情況。本文采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析等方式研究高鐵正線列車(chē)通過(guò)時(shí)一天橋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，分析引起天橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)的原因并提出了天橋設(shè)計(jì)建議。

1 工程概況

一高速鐵路中間站為線側(cè)平車(chē)站，坐東朝西，面向城市，設(shè)5臺(tái)11線(基本站臺(tái)1座，中間站臺(tái)4座)。無(wú)站臺(tái)柱雨棚在站房?jī)蓚?cè)對(duì)稱(chēng)布置，雨棚長(zhǎng)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(gè)站臺(tái)，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(jìn)站天橋長(zhǎng)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(chē)站剖面圖。

圖1 車(chē)站剖面示意(尺寸單位:mm;高程單位:m)

2 客站天橋振動(dòng)現(xiàn)象

圖2為天橋照片。高鐵列車(chē)通過(guò)時(shí)，在天橋結(jié)構(gòu)跨中能明顯感覺(jué)到上下振動(dòng)，振動(dòng)幅值在列車(chē)尾部離開(kāi)天橋時(shí)達(dá)到最大，在列車(chē)離開(kāi)天橋后近1 min逐漸衰減、停止。為確保高鐵行車(chē)安全，設(shè)計(jì)單位組織專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)、分析評(píng)估和設(shè)計(jì)方案研究。

圖2 天橋側(cè)立面

2.1 振動(dòng)位移測(cè)試

天橋振動(dòng)位移測(cè)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(lèi)型正線列車(chē)通過(guò)天橋時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的豎向位移。采用INV9500系列無(wú)線數(shù)據(jù)采集器、高清數(shù)碼相機(jī)與拾振器相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)量。重點(diǎn)在客站天橋跨中(A點(diǎn))、鋼柱頂(B點(diǎn))、跨中外側(cè)(C點(diǎn))、鋼柱底部(D點(diǎn))布置測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。對(duì)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(chē)正線以300～305 km/h過(guò)站時(shí)引發(fā)的振動(dòng)位移情況進(jìn)行測(cè)試。以下以大編組高鐵列車(chē)正線以305 km/h高速通過(guò)時(shí)的測(cè)試為例進(jìn)行分析。

圖3 天橋振動(dòng)位移測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

2.1.1 加速度測(cè)試

在客站天橋跨中、柱頂、跨中外側(cè)、柱底布置測(cè)點(diǎn)后，進(jìn)行豎向加速度測(cè)試。

1)天橋跨中、柱頂、跨中外側(cè)、柱底測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)的加速度時(shí)程以零點(diǎn)為中心在兩側(cè)對(duì)稱(chēng)振蕩，跨中、柱頂、柱底測(cè)點(diǎn)加速度幅值分別為0.534，0.096，0.148，0.019 m/s2。振動(dòng)從第10.5 s開(kāi)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(lái)的1.5 s內(nèi)振動(dòng)略有減小，1.5 s后振動(dòng)又略有增大，振動(dòng)開(kāi)始后第5 s達(dá)到第2個(gè)峰值，比第1個(gè)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(shí)間約為15 s。列車(chē)對(duì)天橋跨中豎向產(chǎn)生了兩次激振影響，時(shí)間間隔約為5 s(如圖4(a))。②柱頂、跨中外側(cè)、柱底測(cè)點(diǎn)振動(dòng)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(shuō)明大編組列車(chē)通過(guò)時(shí)對(duì)柱頂、柱底測(cè)點(diǎn)豎向的影響持續(xù)時(shí)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(shí)間約為13 s。

2)天橋柱底測(cè)點(diǎn)水平向振動(dòng)的加速度時(shí)程以零點(diǎn)為中心在兩側(cè)對(duì)稱(chēng)振蕩，加速度幅值為0.021 m/s2。振動(dòng)從第10.5 s開(kāi)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(shuō)明大編組列車(chē)通過(guò)時(shí)對(duì)柱底水平向的影響持續(xù)時(shí)間約5 s，見(jiàn)圖5。

3)加速度最大值

各工況加速度最大值見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，最大豎向加速度為0.635 3 m/s2，小編組與大編組列車(chē)對(duì)振動(dòng)幅值影響的規(guī)律性不明顯，說(shuō)明列車(chē)長(zhǎng)度不是決定豎向振動(dòng)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(chē)在正線高速通過(guò)時(shí)，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(jiàn)表2。

2.2 振動(dòng)頻率測(cè)試

在天橋結(jié)構(gòu)上布置加速度傳感器，分別獲得列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)天橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)，經(jīng)處理獲得其頻譜。由于振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)較多，下面只選擇典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。天橋跨中、主梁跨中外側(cè)、柱底測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜分布分別見(jiàn)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(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)加速度的最大頻率分量為4.6及5.8 Hz。柱底測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)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(cè)點(diǎn))

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(jì)mm

3 天橋振動(dòng)分析

3.1 振動(dòng)原因

天橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)可能的原因有兩種［6-7］:①列車(chē)通過(guò)時(shí)軌道振動(dòng)由大地通過(guò)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(dòng);②列車(chē)高速通過(guò)天橋時(shí)造成的氣壓變化對(duì)結(jié)構(gòu)形成激勵(lì)，引起振動(dòng)。為確定天橋振動(dòng)的原因，進(jìn)行了軌道層振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。結(jié)果表明，正線列車(chē)所產(chǎn)生的振動(dòng)波的傳播路徑為:振動(dòng)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(chǎng)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(dòng)波隨著傳播路徑逐漸衰減。通過(guò)大地傳遞給天橋柱底部的激勵(lì)主要集中在40～60 Hz頻率段，與天橋振動(dòng)頻率頻段不同。車(chē)速對(duì)所有監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)部位的主要振動(dòng)頻率的影響不大。故可以判定天橋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)并非由列車(chē)和軌道振動(dòng)所致，而是由列車(chē)通過(guò)時(shí)造成的氣壓變化引起的。

圖6 天橋跨中結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻譜分布

圖7 天橋主梁跨中外側(cè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜分布

圖8 天橋柱底測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻譜分布

對(duì)天橋兩端玻璃欄板進(jìn)行測(cè)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(dòng)激發(fā)了玻璃欄板很大一部分水平振動(dòng)，直接導(dǎo)致欄板玻璃水平振動(dòng)響應(yīng)較大，說(shuō)明欄板玻璃自振頻率應(yīng)盡量遠(yuǎn)離天橋豎向自振頻率。

3.2 列車(chē)風(fēng)實(shí)測(cè)與分析

天橋受到列車(chē)風(fēng)和自然風(fēng)的共同影響，二者相互交織、干擾，使列車(chē)周?chē)目臻g流場(chǎng)極為復(fù)雜?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)比結(jié)構(gòu)的自振頻率與風(fēng)致振動(dòng)的頻率來(lái)確定振動(dòng)的類(lèi)型，以便有針對(duì)性地制定振動(dòng)控制方案。通過(guò)試驗(yàn)分析得知，列車(chē)速度對(duì)空氣動(dòng)力影響大，空氣動(dòng)力與列車(chē)速度的平方成正比;與列車(chē)距離越近，空氣動(dòng)力越大;此外，車(chē)頭造形對(duì)列車(chē)頭部空氣動(dòng)力有重要影響。

要準(zhǔn)確測(cè)量天橋風(fēng)速，必須考慮自然風(fēng)的影響。將列車(chē)過(guò)站進(jìn)入測(cè)量范圍之前的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析處理后作為自然風(fēng)風(fēng)速的測(cè)量結(jié)果，以此對(duì)列車(chē)風(fēng)風(fēng)速加以修正。經(jīng)實(shí)測(cè)，16:02當(dāng)兩列小編組相連的車(chē)體通過(guò)時(shí)，車(chē)站風(fēng)速的測(cè)量結(jié)果較大，最大值達(dá)到6.22 m/s，如表3所示。

表3 車(chē)站最大風(fēng)速連續(xù)測(cè)量結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，列車(chē)引起的大地振動(dòng)傳遞到跨中振動(dòng)加速度為34 mm/s2，加列車(chē)風(fēng)荷載跨中振動(dòng)加速度為569 mm/s2。環(huán)境風(fēng)作用下天橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9，最大振動(dòng)加速度為509 mm/s2。計(jì)算得到的風(fēng)速與實(shí)測(cè)值很接近，振動(dòng)波形也相似。

圖9 環(huán)境風(fēng)下天橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)計(jì)算結(jié)果

3.3 計(jì)算分析結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可以判定天橋振動(dòng)主要由列車(chē)環(huán)境風(fēng)引起。列車(chē)環(huán)境風(fēng)引發(fā)的天橋振動(dòng)比列車(chē)通過(guò)大地傳遞到天橋基礎(chǔ)引發(fā)的振動(dòng)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。該振動(dòng)為受迫振動(dòng)而非自由振動(dòng)。對(duì)天橋結(jié)構(gòu)建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，檢算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的原設(shè)計(jì)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(dòng)很大一部分是由天橋振動(dòng)激發(fā)的，直接導(dǎo)致天橋玻璃欄板水平振動(dòng)響應(yīng)較大，應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)。經(jīng)過(guò)專(zhuān)家論證會(huì)深入討論，設(shè)計(jì)單位改進(jìn)了天橋欄板的設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖10。

圖10 天橋鋼制欄板示意

4 結(jié)論與建議

客站設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮高速鐵路列車(chē)風(fēng)對(duì)站臺(tái)、天橋、雨棚結(jié)構(gòu)造成的影響，應(yīng)細(xì)化專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。本文通過(guò)一高鐵車(chē)站天橋結(jié)構(gòu)在高速列車(chē)作用下結(jié)構(gòu)振動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)例分析得出，天橋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是高速列車(chē)通過(guò)時(shí)列車(chē)風(fēng)帶來(lái)的氣壓變化引起的結(jié)構(gòu)受迫可視振動(dòng)，經(jīng)過(guò)疲勞驗(yàn)算，其對(duì)主體結(jié)構(gòu)的安全沒(méi)有影響。

對(duì)高速鐵路客站天橋設(shè)計(jì)提出如下建議:

1)高速列車(chē)經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的列車(chē)風(fēng)可能造成天橋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中需考慮動(dòng)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(jì)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。

［1］賀德馨.風(fēng)工程和工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

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［3］楊亦軍，王慶云，林志興.高速列車(chē)通過(guò)時(shí)跨線鋼板梁橋的風(fēng)致振動(dòng)及其對(duì)策研究［J］.世界橋梁，2005(1):46-49.

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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(yáng)人，高級(jí)工程師，碩士。