列車風(fēng)激勵(lì)下高速鐵路客站剛架結(jié)構(gòu)雨棚的振動(dòng)響應(yīng)

劉伯奇 馮海龍 王博 胡海天 張勇

中國(guó)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

高速鐵路客站雨棚作為重要的臨線（跨線）結(jié)構(gòu)，為旅客乘降提供了必要的空間。2012年前我國(guó)建設(shè)的高速鐵路客站雨棚主要為無站臺(tái)柱雨棚。結(jié)構(gòu)形式包括鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼桁架結(jié)構(gòu)、剛架結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)等。

當(dāng)高速列車快速通過雨棚區(qū)域時(shí)，車身對(duì)周圍空氣擠壓產(chǎn)生的氣動(dòng)荷載作用于雨棚結(jié)構(gòu)表面，導(dǎo)致雨棚產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。雨棚在長(zhǎng)期受氣動(dòng)荷載作用條件下，易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞和附屬部件脫落，因此需對(duì)雨棚所受氣動(dòng)荷載和振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)［1-4］運(yùn)用數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方法對(duì)高速列車通過車站時(shí)雨棚、天橋等站內(nèi)建筑物表面的風(fēng)壓分布特性和規(guī)律進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［5-7］對(duì)高速列車通過時(shí)客站結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［8］研究了張弦梁結(jié)構(gòu)雨棚在列車氣動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。文獻(xiàn)［9］研究了大跨度分區(qū)框架結(jié)構(gòu)雨棚在高速列車通過時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。

當(dāng)前雨棚振動(dòng)響應(yīng)尚缺乏明確的參考限值，對(duì)剛架結(jié)構(gòu)雨棚振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律的研究較少。本文以一高速鐵路客站剛架結(jié)構(gòu)雨棚為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和仿真分析相結(jié)合的方法，研究雨棚所受氣動(dòng)荷載以及氣動(dòng)荷載激勵(lì)下剛架結(jié)構(gòu)雨棚振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，為高速列車以400 km/h 及更高速度通過時(shí)雨棚的振動(dòng)響應(yīng)提供理論依據(jù)，為研究明確雨棚振動(dòng)響應(yīng)限值提供支撐。

1 工程概況

大跨度剛架結(jié)構(gòu)雨棚主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件為鋼管柱、H 型鋼梁，縱向布置H 型鋼作為檁條。雨棚構(gòu)件參數(shù)見表1。雨棚覆蓋面積21 483 m2，共有104 根雨棚柱，以第12 跨呈軸對(duì)稱。雨棚縱向投影總長(zhǎng)421 m，縱向標(biāo)準(zhǔn)跨為18 m，正中跨（P13、P14 柱間）為21 m。橫向每榀剛架4 根雨棚柱橫向間距分別為21.55、12.60、21.55 m。站臺(tái)高1.43 m，基礎(chǔ)厚度1.50 m。

表1 雨棚構(gòu)件參數(shù)

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 測(cè)試內(nèi)容及方法

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)試內(nèi)容包括：雨棚所受氣動(dòng)荷載、雨棚豎向振動(dòng)速度。

1）氣動(dòng)荷載。氣動(dòng)荷載采用CYG1721 型風(fēng)壓傳感器進(jìn)行測(cè)試。CYG1721 風(fēng)壓傳感器具有較好的時(shí)漂穩(wěn)定性，測(cè)量時(shí)基本不會(huì)影響空氣的流場(chǎng)分布，量程為0 ～ 2.5 kPa，固有頻率不小于200 Hz。

列車氣動(dòng)荷載主要作用于雨棚檐口板和吊頂板，測(cè)試中將風(fēng)壓傳感器布置于雨棚檐口板側(cè)面［圖1（a）］，共布置3個(gè)風(fēng)壓傳感器，位于2 ～4跨。

2）振動(dòng)速度。振動(dòng)速度采用891-2 振動(dòng)傳感器進(jìn)行測(cè)試。891-2 振動(dòng)傳感器適用于低頻的微弱振動(dòng)信號(hào)測(cè)量，靈敏度高且性能穩(wěn)定，頻率范圍為0.5 ～100 Hz。因剛架結(jié)構(gòu)縱向剛度低，檁條振動(dòng)較為顯著，故將振動(dòng)傳感器布置于縱向檁條上端。為測(cè)得檁條的最大振動(dòng)速度，振動(dòng)傳感器均位于檁條跨中［圖1（b）］。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)傳感器測(cè)點(diǎn)布置（單位：m）

2.2 測(cè)試工況

高速列車通過該站時(shí)，通過速度為285 ～350 km/h，動(dòng)車組的主要運(yùn)行速度級(jí)為300、350 km/h。由于不同車型的車體截面不同，產(chǎn)生的氣動(dòng)荷載不同，因此本次測(cè)試僅選擇車體截面相同的復(fù)興號(hào)動(dòng)車組CR400AFBF作為測(cè)試列車。測(cè)試工況見表2。

表2 測(cè)試工況

2.3 測(cè)試結(jié)果

2.3.1 氣動(dòng)荷載及振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線

復(fù)興號(hào)動(dòng)車組CR400AF 以300 km/h 高速通過雨棚時(shí)，風(fēng)壓傳感器記錄的列車氣動(dòng)荷載時(shí)程曲線如圖2 所示?？梢姡瑲鈩?dòng)荷載出現(xiàn)較明顯的頭波、尾波，在車廂連接處通過時(shí)出現(xiàn)較密集的正負(fù)壓交錯(cuò)現(xiàn)象，且頭波、尾波的負(fù)壓絕對(duì)值均大于正壓。動(dòng)車組通過后，氣動(dòng)荷載并未迅速消失，由于在列車后部出現(xiàn)了尾跡流動(dòng)［10］，氣動(dòng)荷載仍在小范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖2 氣動(dòng)荷載時(shí)程曲線

復(fù)興號(hào)動(dòng)車組CR400AF 以300 km/h 高速通過雨棚時(shí)雨棚振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線見圖3?？芍軞鈩?dòng)荷載頭波、尾波作用，雨棚振動(dòng)時(shí)程曲線出現(xiàn)兩次較明顯波峰，頭波到達(dá)時(shí)雨棚振動(dòng)速度峰峰值比尾波時(shí)大。第一跨跨中振動(dòng)速度比第二、三跨振動(dòng)速度顯著增大。

圖3 雨棚振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線

2.3.2 氣動(dòng)荷載分布規(guī)律

當(dāng)高速列車以300、350 km/h 的速度通過雨棚時(shí)，雨棚上測(cè)點(diǎn)F2—F4 風(fēng)壓傳感器測(cè)得的氣動(dòng)荷載極值見圖4。可知：①雨棚各跨測(cè)得氣動(dòng)荷載無顯著差別，同速度級(jí)條件下氣動(dòng)荷載波動(dòng)范圍為-15.11% ～4.49%。②與車速300 km/h 相比，復(fù)興號(hào)動(dòng)車組以350 km/h 高速通過時(shí)，雨棚所受高速列車氣動(dòng)荷載顯著增大，不同位置傳感器測(cè)得氣動(dòng)荷載比300 km/h 通過時(shí)增大26.85%～33.79%。

圖4 雨棚監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)荷載極值

2.3.3 振動(dòng)速度分布規(guī)律

雨棚監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z1—Z23 振動(dòng)速度極值見圖5。可知，①受高速列車快速通過的影響，雨棚在兩邊跨（第一跨及第二十三跨）振動(dòng)響應(yīng)最明顯。原因是該客站雨棚邊跨位置的屋面板為封閉結(jié)構(gòu)，其余跨在線路上方為開敞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致邊跨雨棚受氣動(dòng)荷載面積增大。②中間跨（第十二跨）振動(dòng)速度略大于其他跨（端部?jī)煽绯猓?，主要由于中心跨的跨度比其他跨更大，在相同截面尺寸、相同材料的條件下其剛度較低。③受氣動(dòng)荷載顯著增大的影響，復(fù)興號(hào)動(dòng)車組由300 km/h 提速至350 km/h，雨棚振動(dòng)速度增大48.29%～136.22%，其中邊跨增大約50%。

圖5 雨棚監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度極值

3 雨棚結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)仿真分析

3.1 仿真模型

基于有限體積法，建立三維、非定常、不可壓縮、黏性紊流流動(dòng)計(jì)算模型并結(jié)合k-εRNG 兩方程湍流模型［式（1）—式（2）］，對(duì)動(dòng)車組通過雨棚的非定常氣動(dòng)荷載進(jìn)行計(jì)算。

式中：ρ為密度；k為湍流動(dòng)能；t為時(shí)間；ui是速度；μ為空氣動(dòng)力黏度；μt為渦黏性系數(shù)；Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；ε為湍流耗散率；YM為可壓縮瑞流中波動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)；Sk、Sε為有效速度模型參數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε為湍流模型系數(shù)，為常數(shù)。σk、σε分別是k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)，為常數(shù)。

氣動(dòng)荷載模擬計(jì)算的外流場(chǎng)區(qū)域選擇大于車長(zhǎng)10 倍寬度，總寬度為100 m；兩車距離雨棚長(zhǎng)度大于1個(gè)車長(zhǎng)，總長(zhǎng)度為2 453 m。

雨棚屋面板上設(shè)置280 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)300、350、400、450 km/h 運(yùn)行速度下的氣動(dòng)荷載［11］，其中測(cè)點(diǎn)145、147、149 與圖1 風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)一致。雨棚屋面板上監(jiān)測(cè)點(diǎn)共設(shè)置成7 排，線路中心上方雨棚屋面板中間位置是鏤空狀態(tài)，僅在雨棚屋面板兩端各設(shè)置2 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，線路中心兩側(cè)雨棚屋面板各設(shè)置3排監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每排有46個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

因振動(dòng)響應(yīng)主要由頭波、尾波激勵(lì)產(chǎn)生，為減少仿真計(jì)算量，本次動(dòng)車組模型將僅采用8 節(jié)編組。將氣動(dòng)荷載和輪軌垂向力［11］加載至動(dòng)力響應(yīng)仿真模型，其中基礎(chǔ)底部采用固結(jié)約束，雨棚屋面板和縱梁之間采用TIE連接，采用實(shí)體單元C3D8R，截面及材料參數(shù)與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致。為CR400AF以350 km/h通過時(shí)，雨棚第一跨振動(dòng)速度達(dá)到99.62 mm/s，見圖6。

圖6 雨棚振動(dòng)速度仿真結(jié)果（單位：m/s）

3.2 模型驗(yàn)證

選取CR400AF 復(fù)興號(hào)動(dòng)車組以300 km/h 單車通過時(shí)的實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。為減少仿真計(jì)算量，仿真模型采用8 節(jié)編組與實(shí)測(cè)16 節(jié)編組不同，故車體中部時(shí)程數(shù)據(jù)存在差異。氣動(dòng)荷載的主要作用成分（頭波、尾波）仿真計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合（圖7），說明氣動(dòng)計(jì)算模型能夠較為準(zhǔn)確反映氣動(dòng)荷載作用情況。

圖7 雨棚所受氣動(dòng)荷載仿真計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

選取CR400AF 復(fù)興號(hào)動(dòng)車組以300、350 km/h單車通過時(shí)雨棚第一跨振動(dòng)速度的測(cè)試值分別為 66.08、100.77 mm/s，仿真計(jì)算值分別為 67.19、99.62 mm/s。兩種速度工況下，仿真計(jì)算值分別比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差+1.68%，-1.14%，表明仿真模型較為合理，能夠反映雨棚的真實(shí)受力情況和動(dòng)力響應(yīng)。

3.3 不同速度級(jí)下雨棚振動(dòng)響應(yīng)分析

復(fù)興號(hào)動(dòng)車組以不同速度級(jí)通過時(shí)，雨棚第一跨的振動(dòng)加速度極值見表3。

表3 動(dòng)車組以不同速度級(jí)通過時(shí)第一跨振動(dòng)速度極值

由表3 可知：復(fù)興號(hào)動(dòng)車組以不同速度級(jí)通過雨棚時(shí)，雨棚的振動(dòng)響應(yīng)隨車速的提高而增大。當(dāng)CR400AF、CR400BF 從 350 km/h 提高到 400 km/h，雨棚振動(dòng)速度的增長(zhǎng)率分別為20.36%、22.88%；從400 km/h 提高到450 km/h 時(shí)，雨棚振動(dòng)速度的增長(zhǎng)率分別為29.36%、31.68%。CR400AF、CR400BF通過條件下，每提高50 km/h 速度等級(jí)，雨棚振動(dòng)響應(yīng)增長(zhǎng)率分別增大了9.00%、8.80%。

4 結(jié)論

1）復(fù)興號(hào)動(dòng)車組通過雨棚區(qū)域時(shí)，氣動(dòng)荷載出現(xiàn)較明顯的頭波、尾波，且在車廂連接處通過時(shí)出現(xiàn)較密集的正壓、負(fù)壓交錯(cuò)。頭波、尾波的負(fù)壓絕對(duì)值均大于正壓。氣動(dòng)荷載沿雨棚縱向分布波動(dòng)較小，雨棚各跨測(cè)得氣動(dòng)荷載無顯著差別。

2）受氣動(dòng)荷載頭波、尾波作用，雨棚振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線出現(xiàn)兩次較明顯波峰，頭波到達(dá)時(shí)雨棚振動(dòng)速度峰峰值比尾波作用時(shí)大。

3）受端部（第一跨和第二十三跨）屋面板封閉和中間跨（第十二跨）跨度增大導(dǎo)致的受力面積增大和剛度降低影響，雨棚振動(dòng)響應(yīng)增大。

4）隨著列車通過速度的提高，雨棚所受氣動(dòng)荷載和振動(dòng)響應(yīng)均顯著增大。復(fù)興號(hào)動(dòng)車組由300 km/h提速至350 km/h，雨棚氣動(dòng)荷載增大約30%，邊跨振動(dòng)速度增大約50%。

5）復(fù)興號(hào)動(dòng)車組從 350 km/h 提高到 400 km/h，雨棚振動(dòng)速度仿真計(jì)算值增大約20%，從400 km/h 提速至450 km/h，雨棚振動(dòng)速度增大約30%。