高速列車脈動(dòng)風(fēng)作用下車站人行天橋動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

劉鵬輝，韓自力，趙健業(yè)，尹 京

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(chǎng)、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(shí)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(nèi)人行天橋跨越股道連接各站臺(tái)，其主要職能與城市交通中的人行天橋類似，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮人行荷載激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)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(dāng)動(dòng)車組高速通過正線時(shí)，列車將產(chǎn)生較大的氣動(dòng)力，會(huì)對(duì)跨越正線上方的人行天橋產(chǎn)生瞬間的推力和吸力，引起人行天橋的振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)過大時(shí)，這些振動(dòng)雖不足以使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全性問題，但會(huì)給行人帶來不適感，可能使行人或乘客在行走過程中出現(xiàn)緊張甚至恐慌心理，導(dǎo)致人行天橋結(jié)構(gòu)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(xù)鋼板梁橋進(jìn)行了新干線列車通過時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該橋最大豎向振幅達(dá)到了3mm，最后在人行天橋安裝調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)進(jìn)行減振[1]。我國京滬高速鐵路徐州東站在正線動(dòng)車組速度達(dá)到300km/h 以上時(shí)，旅客在人行天橋上能明顯感受到振動(dòng)，而列車脈動(dòng)風(fēng)是引發(fā)天橋振動(dòng)的主要因素[2]。高速鐵路通過人行天橋時(shí)，列車氣動(dòng)力在車頭和車尾出現(xiàn)峰值，作用時(shí)間很短，且列車速度越高氣動(dòng)效應(yīng)越明顯，與人行荷載作用下人行天橋的振動(dòng)完全不同，因此列車高速通過時(shí)氣動(dòng)力引起的人行天橋振動(dòng)舒適度問題應(yīng)成為高速鐵路車站內(nèi)人行天橋設(shè)計(jì)時(shí)須考慮的主要問題之一。

本文通過對(duì)京沈高速鐵路阜新站內(nèi)跨線人行天橋的自振特性和動(dòng)車組列車以不同速度通過時(shí)人行天橋動(dòng)力性能進(jìn)行分析，研究人行天橋在脈動(dòng)風(fēng)激勵(lì)作用下的振動(dòng)特點(diǎn)、振動(dòng)水平和振動(dòng)分布規(guī)律，為我國高速鐵路人行天橋的振動(dòng)舒適度限值制訂提供技術(shù)支持。

1 人行天橋振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

人行荷載與列車荷載不同，人行進(jìn)過程中兩下肢交替運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)身體前進(jìn)，人行荷載具有周期性、窄帶隨機(jī)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(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)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(fā)生共振[3]。國外發(fā)布人行天橋振動(dòng)規(guī)范的主要目的是為了避免行人(單人行走或人群結(jié)伴行走)與天橋發(fā)生共振而導(dǎo)致過大的振動(dòng)響應(yīng)，一般包括人行天橋自振頻率和振動(dòng)響應(yīng)2類。

1.1 我國人行天橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

我國城市人行天橋設(shè)計(jì)主要依據(jù)CJJ 69—95《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》[4]，為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3.0 Hz。目前該規(guī)范正在修訂，其修訂版征求意見稿規(guī)定：當(dāng)人行天橋采用梁式結(jié)構(gòu)或采用鋁合金結(jié)構(gòu)時(shí)，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(dāng)采用其他結(jié)構(gòu)時(shí)，天橋結(jié)構(gòu)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(jìn)行人致振動(dòng)舒適度驗(yàn)算；天橋結(jié)構(gòu)豎向固有頻率小于 3.0 Hz，橫向固有頻率小于1.2 Hz，應(yīng)進(jìn)行人致振動(dòng)舒適度驗(yàn)算；對(duì)于豎向舒適度，應(yīng)分別驗(yàn)算頻率處于1.25～3.0 Hz的豎向模態(tài)；對(duì)于橫向舒適度，應(yīng)分別驗(yàn)算頻率處于0.5～1.2 Hz的橫向模態(tài)。

1.2 國外人行天橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 自振頻率

表1給出了一些國家關(guān)于人行天橋振動(dòng)頻率限值的規(guī)定和建議[5]。為避免人行天橋在人行荷載下發(fā)生共振，規(guī)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(dòng)頻率限值

1.2.2 振動(dòng)響應(yīng)

人對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)與振動(dòng)的大小、頻率特性和持續(xù)時(shí)間以及人所處的環(huán)境、人自身的活動(dòng)狀態(tài)、人的心理反應(yīng)等都有關(guān)系。而人行天橋引起人體不舒適感的主要原因是由于振動(dòng)響應(yīng)過大，并超出人們所能容忍的范圍。一般來說人在行進(jìn)中對(duì)振動(dòng)的耐受力要比在建筑物內(nèi)高一些。有關(guān)人行天橋振動(dòng)對(duì)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(guān)規(guī)范對(duì)人行天橋振動(dòng)舒適度指標(biāo)的規(guī)定較多。研究表明，在振動(dòng)的位移、速度和加速度這3個(gè)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(guī)范中行人過橋的舒適度指標(biāo)普遍采用橋梁最大振動(dòng)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(guān)于人行天橋振動(dòng)加速度限值的規(guī)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(bào)告EN 03:2008《人行橋設(shè)計(jì)指南》中對(duì)人行荷載作用下人行天橋舒適度等級(jí)和相應(yīng)峰值加速度限值進(jìn)行了規(guī)定，見表4。

德國工程師協(xié)會(huì)VDI 2038-2:2013《在動(dòng)力荷載作用下結(jié)構(gòu)舒適度分析和評(píng)估——診斷、評(píng)估、控制措施》對(duì)人行荷載作用下橋梁振動(dòng)的人體舒適度準(zhǔn)則及其對(duì)應(yīng)的橋梁設(shè)計(jì)情景進(jìn)行了規(guī)定，見表5。

列車脈動(dòng)風(fēng)作用下引起的人行天橋振動(dòng)屬于瞬時(shí)振動(dòng)，作用時(shí)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(fā)生振動(dòng)，行人會(huì)自動(dòng)調(diào)整步頻和相位，以適應(yīng)橋梁的振動(dòng)，改善自身行走特性[3]。綜合以上國外人行激勵(lì)天橋振動(dòng)舒適性標(biāo)準(zhǔn)，高速鐵路跨線天橋振動(dòng)舒適度豎向振動(dòng)加速度參考限值定為1.0 m/s2，橫向振動(dòng)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(dòng)的舒適度

2 京沈高速鐵路阜新站人行天橋試驗(yàn)研究

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

京沈高速鐵路阜新站設(shè)2臺(tái)6線，進(jìn)站天橋跨越正線，最大跨度為27.1 m，橋面寬12 m。天橋結(jié)構(gòu)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(xiàn)場(chǎng)照片如圖1。

圖1 阜新站人行天橋遠(yuǎn)景

阜新站天橋振動(dòng)測(cè)點(diǎn)共計(jì)24個(gè)，采用陣列分布，兼顧振動(dòng)最大區(qū)域和傳遞規(guī)律研究。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。儀器采用891型拾振器和INV9500系列無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率為512 Hz。

圖2 人行天橋測(cè)點(diǎn)布置

2.2 測(cè)試結(jié)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(dòng)法和自由振動(dòng)衰減法測(cè)試。圖3為人行天橋自由振動(dòng)衰減時(shí)程曲線，可以看出，振動(dòng)衰減時(shí)間約為10 s，梁體1階豎向自振頻率為4.96 Hz，豎向振動(dòng)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(shí)測(cè)值。可以看出，人行天橋豎向自振頻率遠(yuǎn)大于行走步頻(1.5～2.5 Hz)且大于規(guī)范規(guī)定的3.0 Hz，橫向自振頻率大于規(guī)范規(guī)定的1.5 Hz，因此旅客行走激勵(lì)不會(huì)使人行天橋產(chǎn)生共振而導(dǎo)致振動(dòng)舒適度的問題。

表6 高速鐵路人行天橋?qū)崪y(cè)自振特性

2.2.2 橫向振動(dòng)加速度

實(shí)測(cè)列車通過時(shí)人行天橋跨中橋面橫向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線見圖4。實(shí)測(cè)列車以不同速度通過時(shí)天橋跨中橋面橫向振動(dòng)加速度最大值見圖5和表7?？梢钥闯觯涸趧?dòng)車組速度小于250 km/h時(shí)，隨著行車速度的增大人行天橋橫向加速度增長(zhǎng)緩慢；動(dòng)車組速度超過250 km/h時(shí)，隨著列車行車速度的增大橫向加速度增長(zhǎng)加快；不同動(dòng)車組高速通過時(shí)，天橋跨中橋面橫向振動(dòng)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(dòng)加速度時(shí)程曲線

圖5 不同車型通過時(shí)橋面中心橫向振動(dòng)加速度與列車速度的關(guān)系

測(cè)試車型速度/(km·h-1)跨中橋面橫向振動(dòng)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(jié)長(zhǎng)編組)3000.063100.063300.093400.06

2.2.3 豎向振動(dòng)加速度

列車通過時(shí)天橋跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度典型時(shí)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(dòng)加速度典型時(shí)程曲線

表8 天橋跨中橋面豎向振動(dòng)加速度最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

天橋跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度與列車速度的關(guān)系見圖7，天橋跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度三維譜見圖8?？梢钥闯觯毫熊囁俣刃∮?00 km/h時(shí)立柱處豎向振動(dòng)加速度很小，且隨速度的提高增長(zhǎng)不明顯，天橋振動(dòng)是以輪軌振動(dòng)經(jīng)過天橋墩柱傳遞到橋面的振動(dòng)和列車脈動(dòng)風(fēng)致振動(dòng)疊加的結(jié)果；當(dāng)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(dòng)力明顯增大且作用時(shí)間很短，天橋振動(dòng)響應(yīng)表現(xiàn)為以天橋豎向自振頻率為主的自由衰減振動(dòng)且衰減時(shí)間較慢。行車速度大于300 km/h時(shí)天橋跨中橋面中心區(qū)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(dòng)加速度與列車速度關(guān)系

圖8 天橋跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度三維譜

2.2.4 天橋橋面不同位置振動(dòng)響應(yīng)分布規(guī)律

根據(jù)測(cè)得的人行天橋各位置處在列車通過時(shí)的豎向振動(dòng)加速度,繪制人行天橋豎向振動(dòng)加速度分布云圖，見圖9。

(a)CRH380BJ,350 km/h

(b)CR400AF,350 km/h

(c)CR400BF長(zhǎng)編組,340 km/h圖9 人行天橋豎向振動(dòng)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(dòng)加速度最大，然后向1/4跨和立柱斷面逐漸減??；在人行天橋橫向上，橋面中心區(qū)域豎向振動(dòng)加速度最大，然后向兩側(cè)的邊緣逐漸減小;整個(gè)橋面豎向加速度最大值位于跨中的中心處。

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

圖10 CRH380BJ通過時(shí)跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度頻率速度關(guān)系

3 結(jié)論

1)列車脈動(dòng)風(fēng)作用引起的人行天橋振動(dòng)屬于瞬時(shí)振動(dòng)，作用時(shí)間較短且具有一定的偶然性，參考國內(nèi)外步行激勵(lì)人行天橋振動(dòng)舒適性標(biāo)準(zhǔn)，高速鐵路人行天橋振動(dòng)舒適度豎向最大振動(dòng)加速度參考限值為1.0 m/s2，橫向最大振動(dòng)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(yuǎn)大于行走步頻1.5～2.5 Hz，大于規(guī)范規(guī)定的3.0 Hz的要求，橫向自振頻率大于規(guī)范規(guī)定的1.5 Hz要求，旅客行走激勵(lì)不會(huì)使人行天橋產(chǎn)生共振而導(dǎo)致振動(dòng)舒適度的問題。

3)列車速度小于300 km/h時(shí)，天橋振動(dòng)主要是經(jīng)過天橋墩柱傳遞到橋面的輪軌振動(dòng)疊加列車脈動(dòng)風(fēng)致振動(dòng)的結(jié)果；當(dāng)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(dòng)力明顯增大，且作用時(shí)間很短，天橋振動(dòng)響應(yīng)表現(xiàn)為以天橋豎向自振頻率為主的自由衰減振動(dòng)，且衰減時(shí)間較慢。列車行車速度大于300 km/h時(shí)，天橋跨中橋面中心區(qū)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(shè)計(jì)應(yīng)考慮列車風(fēng)對(duì)天橋動(dòng)力響應(yīng)的影響。建議對(duì)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(shí)天橋的豎向振動(dòng)，并采取有效措施如優(yōu)化天橋外形、增大天橋高度等減小脈動(dòng)風(fēng)的影響。