軌道交通“橋—建”合一高架車站動力特性分析

胡京濤，毛學(xué)鋒

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

采用城市軌道交通系統(tǒng)作為城市公共交通的骨干網(wǎng)絡(luò)，能有效地解決大城市的交通問題［1］。為獲取空間綜合利用效率，降低工程運(yùn)營費(fèi)用，“橋—建”合一結(jié)構(gòu)形式逐漸被采用。軌道與房建結(jié)構(gòu)整體澆筑，在動載作用下因荷載沖擊和反復(fù)作用而產(chǎn)生振動和變形，容易對車站乘客舒適度和設(shè)備用房造成影響，甚至可能產(chǎn)生共振引起結(jié)構(gòu)破壞。因此，設(shè)計(jì)時如果對高架車站動力行為考慮不足，將使車站乘客舒適度和結(jié)構(gòu)安全性能下降。本文以深圳地鐵3號線標(biāo)準(zhǔn)高架車站為例，對此類結(jié)構(gòu)的動力特性設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 工程概況

高架車站為典型“橋—建”合一島式車站結(jié)構(gòu)。站廳、站臺采用懸挑結(jié)構(gòu)，橋梁的蓋梁、墩柱、基礎(chǔ)為橋梁結(jié)構(gòu)和站房結(jié)構(gòu)共用，每榀橫向框架通過縱向軌道梁、站房結(jié)構(gòu)梁板整體形成空間框架體系。車站采用三層:地面一層為供電系統(tǒng)設(shè)備用房，地上二層為站廳層，地上三層為行車道層。車站總長120 m，寬16.7 m?？蚣軝M向跨度8 m(雙懸挑)，縱向柱距12 m，柱縱向尺寸1.2 m，橫向尺寸1.5～2.7 m，電纜夾層底板厚400 mm，設(shè)備層底板厚200 mm，站廳層框架橫梁縱向1.9 m，橫向2.0 m，懸挑段由2.0 m漸變?yōu)?.5 m，縱向框架梁0.8 m×1.4 m，板厚200 mm;行車道層框架橫梁1.5 m×1.5 m，軌下對中設(shè)置軌道梁0.6 m×0.9 m，縱向框架梁0.65 m×1.20 m，板厚200 mm;站臺層下設(shè)200 mm厚混凝土墻，站臺板厚200 mm。橋梁墩柱和軌道梁采用C50混凝土。該橋設(shè)計(jì)荷載:地鐵B型車，按6輛車編組，單軸重140 kN，設(shè)計(jì)最大行車速度為100 km/h。

2 結(jié)構(gòu)動力分析方法及原理

高架車站結(jié)構(gòu)動力特性是評價高架車站結(jié)構(gòu)運(yùn)營狀態(tài)和承載能力的重要指標(biāo)，振動特性主要取決于它的各階自振頻率和主振型等。自振頻率首先是表征高架車站結(jié)構(gòu)剛性的指標(biāo)，同時也是判斷高架車站結(jié)構(gòu)在動力作用下是否會發(fā)生車橋共振的依據(jù)。高架車站結(jié)構(gòu)的固有自振特性和受迫振動響應(yīng)，是動力分析的主要內(nèi)容。

高架車站結(jié)構(gòu)的動力方程［2］可寫為

式中，［M］、［C］、［K］分別為高架車站結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣¨、和δ分別為高架車站結(jié)構(gòu)的加速度、速度和位移向量;F為作用于高架車站結(jié)構(gòu)空間梁單元的力向量，不計(jì)作用于高架車站結(jié)構(gòu)單元的外力(風(fēng)力)，由高架車站結(jié)構(gòu)上運(yùn)行列車通過軌道結(jié)構(gòu)傳來的輪對力FW決定，即:F=FW。

求橋梁自振特性時，一般不考慮阻尼的影響。令［C］=0，［F］=0，則得到其無阻尼自振方程

式(2)具有非零解的條件為

也就是式(2)的特征方程(頻率方程)為

3 計(jì)算模型建立

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用MIDAS軟件建立空間計(jì)算模型，本車站動力有限元模型中桿件結(jié)構(gòu)均采用變截面的三維空間梁單元進(jìn)行模擬，樓板按實(shí)際厚度采用對應(yīng)板單元模擬，模型中梁、板單元的剛度即為結(jié)構(gòu)本身的剛度。結(jié)構(gòu)質(zhì)量除結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量外，各層樓面板裝修層和設(shè)備荷載作為均布質(zhì)量分配于各結(jié)構(gòu)單元中，而不改變主梁梁單元的其他性質(zhì)。高架車站模型中將各梁桿件處理為剛性連接，墩底設(shè)豎向約束，對水平方向采用彈性約束計(jì)入基礎(chǔ)剛度。結(jié)構(gòu)空間動力計(jì)算具體模型如圖1所示。

圖1 高架車站有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 模態(tài)分析

通過對結(jié)構(gòu)自振特性的分析，對結(jié)構(gòu)整體動力性能進(jìn)行一個初步的評定，圖2和表1列出了本高架車站前9階振型圖和前11階模態(tài)自振頻率。

圖2 高架車站(半幅)前9階振型

表1 高架車站(半幅)前11階的自振特性

通過以上計(jì)算結(jié)果，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)第1階振型是以橋墩為主的縱向面內(nèi)振動，與Π型門架墩振動同向，站房縱漂無變形，反映了Π型門架墩對高架車站的動力特性有較大的影響。由于高架車站結(jié)構(gòu)采用空間框架結(jié)構(gòu)，縱橋向保持一定的柔性對改善車站結(jié)構(gòu)縱向次內(nèi)力，特別是溫度作用下是有利的。振動的第1階為縱橋向，與設(shè)計(jì)初衷吻合。

2)振動的第2階、第3階、第4階出現(xiàn)站房橫橋向彎曲和主墩的側(cè)彎，但其橫向偏心值不大，受益于該結(jié)構(gòu)采用Π型門架墩，橫向剛度較大，相應(yīng)變形也較易滿足要求。

3)該橋在第5階出現(xiàn)了站房扭轉(zhuǎn)模態(tài)，說明該高架車站結(jié)構(gòu)的抗扭剛度強(qiáng)于其縱向和橫向剛度，這與站房每墩布置4根站廳立柱加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度相吻合，表明站房結(jié)構(gòu)的整體性和抗扭性較強(qiáng)。

4)第6階站廳層與站臺層出現(xiàn)了縱橋向的反向漂移，表明通過站廳立柱連接的站廳層與站臺層雖然連接剛度較強(qiáng)，但在振型后期也還是發(fā)生了比較明顯的剪切作用，這在設(shè)計(jì)時應(yīng)注意加強(qiáng)站廳立柱的剛度和節(jié)點(diǎn)連接措施。

5)第8階出現(xiàn)了站房豎彎，表明站廳和站房雙層固結(jié)結(jié)構(gòu)的豎向剛度較大，利于站房內(nèi)行車的平順性，這與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論是吻合的。

6)第11階站廳層、站臺層出現(xiàn)了站房和橋墩的中心面外的強(qiáng)耦合振動。主梁不僅有豎向撓曲變形，還有橫向彎曲變形，同時橋墩和站廳立柱伴有側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)變形，特別是1、6軸角點(diǎn)站廳立柱，其側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，但幅度不大。

4.2 耦合動力分析

設(shè)計(jì)采用MSC仿真分析程序?qū)Α败嚒獦颉ā闭w模型進(jìn)行耦合動力分析，通過對“車—軌道—結(jié)構(gòu)”進(jìn)行整體計(jì)算并獲得設(shè)計(jì)關(guān)注部分結(jié)構(gòu)點(diǎn)的加速度值用以評價乘客舒適度，最終確認(rèn)車站結(jié)構(gòu)的安全性、合理性和舒適性。圖3為車站結(jié)構(gòu)和橋墩測點(diǎn)(計(jì)算點(diǎn))布置示意圖，表2、表3、表4分別為站臺加速度﹑站廳加速度和車輛響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。

圖3 車站結(jié)構(gòu)和橋墩測點(diǎn)布置示意

表2 站臺加速度響應(yīng)計(jì)算結(jié)果m/s2

表3 站廳加速度響應(yīng)計(jì)算結(jié)果m/s2

表4 車輛響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

由表2、表3、表4計(jì)算結(jié)果可知:

1)深圳地鐵3號線高架車站的站臺和站廳振動加速度滿足垂向不大于0.35 g，橫向不大于0.14 g的要求，滿足乘客舒適度和行車安全要求;

2)采用美國五級譜轉(zhuǎn)換的時域不平順作為激勵源，地鐵列車以40～60 km/h速度通過時，動車和拖車各向舒適度均為優(yōu)，車體加速度合格。

5 結(jié)束語

城市軌道交通“橋—建”合一車站整體動力特性關(guān)系到乘客、站內(nèi)工作人員的舒適度及設(shè)備的正常運(yùn)營，對結(jié)構(gòu)整體動力分析是十分必要的。通過對結(jié)構(gòu)自振特性的分析及控制，采用“車—橋—建”耦合模擬分析，能夠達(dá)到控制結(jié)構(gòu)布局、設(shè)計(jì)尺寸等目的，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和幫助。

［1］袁鳳薇.城市軌道交通項(xiàng)目合同體系研究［J］.經(jīng)濟(jì)研究導(dǎo)刊，2010(8):172-174.

［2］李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.