站橋合一高架車站振動舒適度分析

李文斌

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

站橋合一高架車站振動舒適度分析

李文斌

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

針對站橋合一高架車站的振動舒適度問題，建立高架車站結(jié)構(gòu)的有限元模型，輸入高鐵列車的行駛荷載，計(jì)算結(jié)構(gòu)振動在時域內(nèi)的動力響應(yīng)?；谀壳俺Ｓ玫膰H標(biāo)準(zhǔn)，評價各樓層的舒適度。

高架車站；振動舒適度；評價標(biāo)準(zhǔn)

0　引言

城市軌道交通建設(shè)中高架線路的敷設(shè)方式，實(shí)現(xiàn)了“節(jié)約用地、減少地塊分割”的目的，在車站結(jié)構(gòu)將區(qū)間結(jié)構(gòu)和車站結(jié)構(gòu)融合，將區(qū)間橋梁“植入”車站建筑內(nèi)，派生出“站橋分離”、“站橋組合”、“站橋合一”等多種車站結(jié)構(gòu)形式，使得“建筑里面跑火車”的結(jié)構(gòu)形式得到多樣的發(fā)展。

“站橋合一”[1]車站結(jié)構(gòu)則是突破“列車動載由橋梁結(jié)構(gòu)承受”的傳統(tǒng)理念，完全用建筑構(gòu)件取代橋梁構(gòu)件來直接承受列車荷載的作用即與結(jié)構(gòu)框架主梁完全剛結(jié)的框架縱梁——軌道梁，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上“車站與區(qū)間有機(jī)融合與高度統(tǒng)一的”的設(shè)計(jì)理念，是突破行業(yè)限制、取得總體最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。

雖然該類車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，但由于具有能統(tǒng)籌建筑總體布置、優(yōu)化車站功能、降低結(jié)構(gòu)高度、提高結(jié)構(gòu)整體性的明顯優(yōu)勢，已經(jīng)成為越來越多采用的車站形式，并有成為主流站型的趨勢。

但是相對“建橋分離”、“建橋組合”兩種結(jié)構(gòu)形式，站橋合一結(jié)構(gòu)形式也有其缺點(diǎn)，因?yàn)檐壍懒簞偨?，無橡膠支座，站橋合一高架車站的車致振動問題比較嚴(yán)重。因此振動控制成為“站橋合一”車結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。

振動不僅對建筑結(jié)構(gòu)的安全有影響，隨著人們對生活品質(zhì)要求的不斷提高，振動對沿線建筑使用者的感官舒適度的影響也日漸受到人們的重視。

對于振動舒適度[2]的相關(guān)控制，本文采用有限元軟件MIDAS來對高架車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力時程分析，并將列車運(yùn)行時站房結(jié)構(gòu)所受到的荷載按照所需計(jì)算工況輸入有限元模型當(dāng)中作為時程激勵進(jìn)行相應(yīng)的時程分析。再將分析結(jié)果對照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631關(guān)于建筑物內(nèi)振動限值進(jìn)行對比。

1　地鐵列車荷載人工波

根據(jù)英國鐵路技術(shù)中心提出的公式[3]，單對車輪的激勵力可表示為

式中：k1為考慮列車荷載的分離與疊加組合系數(shù)，取1.538；k2為考慮鋼軌、軌枕對列車荷載的傳遞和分散作用的分散系數(shù)，取0.7；P0為車輪靜載，取144 kN；M為列車簧下質(zhì)量，取750 kg；Li、αi分別為某一頻率下的幾何不平順的波長和失高，取L1=10 m、α1=3.5 mm；L2=2 m、α2=0.4 mm；L3=0.5 m、α3=0.08 mm；v為列車的運(yùn)行速度，取22.22 m/s。則地鐵列車單對車輪激振力為（取0.3 s）

按照圖1所示，將車輪激振力轉(zhuǎn)化為高架車站對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)動力荷載輸入，以分析車站在此荷載下的動力時程。單列車駛過和雙列車駛過兩種情況，并考慮后者中兩列車入站的各種時差。在輸入節(jié)點(diǎn)荷載時，根據(jù)列車駛?cè)脒^程中各車輪對結(jié)構(gòu)作用的先后次序，分別定義節(jié)點(diǎn)動力荷載的開始作用時間。

2　列車振動下車站的響應(yīng)

本文選取的是某擬建高架車站作為研究對象，運(yùn)用MIDAS工程軟件進(jìn)行建模分析，提取各樓層的加速度時程曲線進(jìn)行頻域分析，再將分析結(jié)果對照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631關(guān)于建筑物內(nèi)振動限值進(jìn)行對比。

圖1　地鐵列車單對車輪激勵力

某擬建高架車站為路中三層島式車站，車站主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架式建橋合一結(jié)構(gòu)型式；橫向?yàn)殡p柱單跨雙懸臂結(jié)構(gòu)，在站廳層通過橫梁裝換為四柱三跨結(jié)構(gòu)；縱向柱距12 m；基礎(chǔ)型式為鉆孔灌注樁（嵌巖樁）；除直接或間接承受列車荷載的剛接式軌道梁、站臺下層橫梁和立柱混凝土強(qiáng)度為C50外，其余梁板混凝土強(qiáng)度為C35，見

圖2　某擬建高架車站橫剖面圖（單位：mm）

下面為單列車以及雙列車間隔0.2 s這兩種情況下，站臺層板單元受列車振動影響的最大應(yīng)力云圖。

（1）單列車（見圖3）

（2）雙列車間隔0.2 s（見圖4）

3　舒適度評估

按ISO2631-1[4]：1997規(guī)定的全身振動不同頻率計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動加速度級，記為VL。VL的計(jì)算公式如下

圖3　單列車情況站臺層樓板最大應(yīng)力云圖

圖4　雙列車間隔0.3 s的情況站臺層樓板最大應(yīng)力云圖

式中：α0為基準(zhǔn)加速度值，取10-6m/s2；αfrms為頻率為f的振動加速度有效值；cf為為振動加速度的感覺修正值。由于人對Z向（豎向)振動最敏感,所以這個標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了城市各類區(qū)域垂向Z振級VLz標(biāo)準(zhǔn)值。在舒適度分析中也僅針對所選節(jié)點(diǎn)的豎向加速度。

分別在站廳層和站臺層樓板處布置檢測點(diǎn)，下面僅列出一種高架車站兩種情況所對應(yīng)的各種工況中振級最大的點(diǎn)振動信息，分別包括節(jié)點(diǎn)豎向加速度的時程、該時程的頻域形式、功率密度譜和振級VLz。

3.1單列車

（1）站臺層，由式（5）得到VLz=75.8，見圖5。

（2）站廳層，由式（5）得到VLz=77.5，見圖6。

3.2雙列車

（1）站臺層，由式（5）得到VLz=81.3，見圖7。

（2）站廳層，由式（5）得到VLz=82.0，見圖8。

ISO2631關(guān)于建筑物內(nèi)振動限值的建議見表1。

圖5　站臺層最大振級點(diǎn)的豎向加速度信息

圖6　站廳層最大振級點(diǎn)的豎向加速度信息

圖7　站臺層最大振級點(diǎn)的豎向加速度信息

圖8　站廳層最大振級點(diǎn)的豎向加速度信息

表1　建筑物內(nèi)振動限值建議表

以“辦公室”的情況考慮，車站工作人員所受振動極限值VLz為86，一般乘客限值VLz為116，可以得到該車站在地鐵列車振動下的舒適度指標(biāo)是合理的。

分析過程中還可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.考慮列車駛過過程中對高架站臺的影響，則不論是單列車還是雙列車，一般來說最大振級點(diǎn)均在車站端部；

b.兩種工況比較可得雙列車工況所所產(chǎn)生的最大振級可以比單列車大，也可以比單列車小，這是因?yàn)殡p列車工況對車站的影響可視為兩個單列車工況所產(chǎn)生的波的疊加，在一定的相位差下，兩波可能產(chǎn)生振幅的正負(fù)疊加或相消情況；

c.同種工況下比較可得站廳層和站臺層都需要考慮人體舒適度，站廳層的懸挑梁結(jié)構(gòu)對于振動來說是不利的，其受列車作用會產(chǎn)生較大的振級。

4　結(jié)　語

本文將列車荷載作為激勵輸入結(jié)構(gòu)模型，對高架車站的震動反應(yīng)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明各樓層的計(jì)權(quán)加速度均方根值并為超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（ISO2631）的范圍，滿足舒適度要求。本文研究方法和研究成果對國內(nèi)類似工程的設(shè)計(jì)、舒適度評價等具有參考價值。但仍然需要對不同車速、不同列車類型、不同人群等做更多相關(guān)研究，從而完善舒適度的評價標(biāo)準(zhǔn)。

[1]孫俊嶺.城市輕軌站橋合一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個問題[J].建筑結(jié)構(gòu),2006,33(10):62-65.

[2]彭濤.鄭州東站候車廳列車致振動力及振動舒適度分析[D].湖北武漢:武漢理工大學(xué),2010.

[3]梁波,羅紅,孫常新.高速鐵路振動荷載的模擬研究[J].鐵道學(xué)報, 2006,28(4):89-94.

[4]IS02631,Guide for the Evaluation of Hunmn Exposure to Whole-body vibration[S].2003.

U441+.3

A

1009-7716（2016）03-0162-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.047

2015-11-04

李文斌（1983-），男，湖南郴州人，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。