新建鐵路南京南站站房結(jié)構(gòu)的動力特性分析

趙陽陽，郭薇薇，高芒芒

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;2.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

隨著城市軌道交通的發(fā)展，一種新的結(jié)構(gòu)形式——高架車站應(yīng)運(yùn)而生。高架車站既不是單一的房屋結(jié)構(gòu)，也不是單一的橋梁結(jié)構(gòu)，而是一種橋梁和房建相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。與傳統(tǒng)的地面車站相比，高架車站配合高架線路能顯著地減少占地面積，特別適合于土地資源緊張的城市交通系統(tǒng)，這也是高架車站能在城市軌道交通中得到迅速發(fā)展的原因之一。并且與地下軌道交通系統(tǒng)相比，高架交通的建設(shè)成本較低，施工周期短。

新建鐵路南京南站作為京滬高速鐵路的五大始發(fā)站之一，采用了典型的建、橋合一的高架結(jié)構(gòu)形式。然而，由于其站房結(jié)構(gòu)通過豎向支撐與站臺層聯(lián)系起來，列車通過車站時所引起的振動會通過豎向支撐傳遞到上部結(jié)構(gòu)，就有可能引起車站結(jié)構(gòu)的安全性或旅客的舒適性問題;因此很有必要對站房結(jié)構(gòu)的整體動力特性進(jìn)行研究，以確保結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全性以及乘客的人體舒適性。本文建立了南京南站站房結(jié)構(gòu)的有限元模型，并通過分析其自振特性和列車過站時結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)兩個方面對南京南站的整體動力特性進(jìn)行了考察。

1 工程概況

南京南站位于南京市南部，主城區(qū)和江寧開發(fā)區(qū)、東山新區(qū)之間，由寧溧路、機(jī)場高速、繞城公路、秦淮新河等圍合的區(qū)域，距南京市市中心約10.5 km。車站客運(yùn)用房面積約6萬m2，總設(shè)計規(guī)模15站臺28線。其中高速場到發(fā)線10條，滬漢蓉寧杭場到發(fā)線12條，寧安場6條，基本站臺2座，中間站臺13座，站臺長度均為450 m。南京南站工程建筑總面積64.4萬m2，主要由站房、無站臺柱雨棚、配套市政工程和地鐵組成。其中，主站房面積28.1萬m2;無站臺柱雨棚面積10.6萬m2;配套市政工程面積20.4萬 m2;地鐵面積5.2萬m2。

圖1 南京南站鳥瞰

南京南站整體建筑包括地上三層(含兩個夾層)、地下一層以及局部地下二層(圖1)。主站房地下室采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土樓蓋，按100年設(shè)計使用年限進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。主站房首層采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其中部分框架梁內(nèi)增加鋼骨，鋼筋混凝土樓蓋，利用正線橋及防震縫將本層分為七個部分，其中最大塊為168 m×83.8 m，乘軌部分最大塊為156 m×48.6 m，按100年設(shè)計使用年限進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。候車層采用鋼管混凝土柱與鋼桁架、鋼梁組成的結(jié)構(gòu)體系，樓蓋為閉口式鋼承板與鋼筋混凝土構(gòu)成的組合樓板，采用樓面梁加牛腿及滑動支座方式，將樓面分成三塊，每段之間用鉸接連接，南北向可滑動，東西向不可滑動，其中最大塊為125 m×156 m，按50年設(shè)計使用年限進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。屋蓋采用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屋面板采用輕質(zhì)鍍鋅鋼板夾芯板，平面尺寸為216 m×458 m?？紤]到溫度應(yīng)力的影響，屋面與柱頂連接采用可變位的滑動支座，按50年設(shè)計使用年限進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 有限元模型的建立

圖2 結(jié)構(gòu)整體計算模型

圖3 乘軌層局部放大

本文應(yīng)用有限元軟件 Midas/Civil建立了南京南站站房結(jié)構(gòu)的三維整體模型(圖2)，其中P、J、D三條線分別代表京滬場正線橋、滬漢蓉場正線橋、寧安城際場正線橋。地下室部分，柱和框架結(jié)構(gòu)采用梁單元、樓板和剪力墻結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，地下室頂板在正線橋附近預(yù)留部分0.6 m的結(jié)構(gòu)縫，但整個樓板在地鐵區(qū)域完全聯(lián)通。主站房首層(乘軌層)，鋼筋混凝土柱與框架結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬(圖3)，其中部分框架梁和直接承托列車荷載的軌道梁采用組合材料的梁單元。正線橋的梁部和鋼臂墩采用板單元，活動墩采用梁單元模擬，梁部橫截面的截面形式根據(jù)板單元的厚度變化來模擬，并計入了由二期恒載換算成的重度(130 kN/m3)。候車層桁架結(jié)構(gòu)采用桁架單元，柱和鋼梁部分采用梁單元模擬(圖4)，柱與桁架剛接，鋼梁與桁架的連接處釋放梁端約束，同樣通過釋放梁端約束的方式將分開的三部分樓面進(jìn)行鉸接。夾層部分，框架結(jié)構(gòu)采用梁單元，樓板采用板單元模擬。頂層部分，柱和屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬(圖5)，網(wǎng)架與柱連接處進(jìn)行鉸接，網(wǎng)架梁單元之間進(jìn)行鉸接。材料均假設(shè)為彈性，鋼材和混凝土的密度、重量以及強(qiáng)度均按照規(guī)范選取，各部分構(gòu)件的材料特性見表1。

圖4 候車層鋼桁架局部放大

圖5 屋蓋結(jié)構(gòu)局部放大

表1 模型構(gòu)件的材料特性

另外，在工程實際設(shè)計與施工中，由于乘軌層頂板梁需要滿足鐵路客運(yùn)列車到、發(fā)站使用功能的要求和軌道平順度及穩(wěn)定性要求，三條正線橋與到、發(fā)線是完全脫開的。但是在實際的檢測過程中發(fā)現(xiàn)，正線橋發(fā)生振動(比如列車過橋)時對乘軌層還是有一定的影響，這說明正線橋與到、發(fā)線之間沒有完全脫開?？紤]到正線橋與到、發(fā)線之間的間隙非常小，究其原因可能有兩個:一是施工誤差導(dǎo)致兩者之間有接觸;二是有雜物落入兩者之間的空隙中使之產(chǎn)生連接效應(yīng)。為模擬這種狀況，模型中將正線橋橋面板與乘軌層框架梁之間用多個剛臂進(jìn)行連接，見圖6。

圖6 乘軌層與正線橋連接局部放大

3 自振特性分析

由于車站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，桿件數(shù)量龐大，為充分考察結(jié)構(gòu)各部分的振動狀態(tài)，利用建立的有限元模型，對結(jié)構(gòu)前500階振型進(jìn)行計算分析，部分見表2。

表2 屋蓋、候車層、乘軌層結(jié)構(gòu)前3階振型

計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的自振多為局部振動，只有極少數(shù)的整體振型，自振頻率范圍從第1階的0.612 Hz到第500階的6.892 Hz。結(jié)構(gòu)第1階振動為屋蓋邊緣的振動，X向質(zhì)量參與系數(shù)為0.08%，Z向質(zhì)量參與系數(shù)為0.01%;前13階主要是頂層屋蓋和柱的振動，直到第14階，部分候車層樓板、乘軌層框架梁以及 D線正線橋才出現(xiàn) X向(順軌向)的振動，振動頻率為1.147 Hz，X向質(zhì)量參與系數(shù)為16.61%;到第18階，出現(xiàn)了以候車層樓板和正線橋為主的振動，振動在J線正線橋附近達(dá)到最大值，全部為X向，振動頻率為1.291 Hz，X向質(zhì)量參與系數(shù)為15.27%;第21階出現(xiàn)了以乘軌層框架梁和正線橋為主的振動，振動頻率為1.358 Hz，X向質(zhì)量參與系數(shù)為0.46%;第40階出現(xiàn)了以候車層樓板為主的振動，振動分布比較均勻，全部為Y向(橫軌向)，振動頻率為1.999 Hz，Y向質(zhì)量參與系數(shù)為35.55%;在其它階的振型中，候車層和乘軌層偶爾會出現(xiàn)局部的振動，并且參與系數(shù)都非常低，所以不再一一闡述。

4 列車過站時的動力響應(yīng)分析

南京南站通行線路共包括11條到發(fā)線和3條正線(圖2)。本文對列車通過正線橋時結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進(jìn)行了時程分析。

結(jié)構(gòu)的動力平衡方程為

式中，［M］，［C］，［K］分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。

將實際結(jié)構(gòu)的阻尼簡化為結(jié)構(gòu)總剛度陣和質(zhì)量陣的線性組合，即

式中，阻尼矩陣C中的質(zhì)量阻尼系數(shù)α和剛度阻尼系數(shù)β由結(jié)構(gòu)的一階、二階自振頻率ω1，ω2與相應(yīng)的阻尼比ξ1，ξ2確定。本文采用站房結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)和第二階模態(tài)對應(yīng)的頻率和阻尼比進(jìn)行計算，求得結(jié)構(gòu)的系數(shù) α和系數(shù) β分別為0.079 5和0.005 029;列車荷載選擇國產(chǎn)CRH2列車進(jìn)行模擬，將每個輪對簡化成實際軸重大小的豎向荷載，對正線橋橋面板相應(yīng)節(jié)點輸入列車荷載對各節(jié)點的激勵時程;計算車速取為60 km/h，80 km/h。

圖7～圖9為列車以80 km/h分別通過三條正線橋時，候車層樓板的最大豎向加速度時程曲線。

圖7 列車通過P線正線橋時候車層樓板最大豎向加速度時程

圖8 列車通過J線正線橋時候車層樓板最大豎向加速度時程

圖9 列車通過D線正線橋時候車層樓板最大豎向加速度時程

由于三條正線橋 P，J，D位于車站不同的位置，所以列車過站時引起的振動對候車層的影響會有所不同。當(dāng)列車以60 km/h，80 km/h的速度分別通過三條正線橋時引起的候車層的最大位移響應(yīng)和最大加速度響應(yīng)見表3，表4所示。從表中可以看出:列車通過D線時引起的候車層結(jié)構(gòu)在三個方向的位移響應(yīng)值最大，其中順軌向響應(yīng)最為明顯，這是由于D線正線橋只有一邊與乘軌層框架梁有剛臂連接;而列車通過D線時引起的候車層結(jié)構(gòu)豎向和順軌向加速度響應(yīng)最大，通過P線時引起的橫軌向加速度響應(yīng)最大;隨著車速從60 km/h到80 km/h的增大，列車單線通過P線正線橋時，候車層的最大豎向位移和最大橫軌向加速度變小，其它各項最大響應(yīng)值則增大;列車單線通過J線時候車層的各項最大響應(yīng)值都增大;列車單線通過D線正線橋時，候車層最大豎向位移變小，而其它各項最大響應(yīng)值則都增大。

表3 列車通過正線橋引起的候車層最大位移響應(yīng)

通過上述比較分析可以看出，對于列車單線通過正線橋時引起的候車層的響應(yīng)，線路和車速都是比較重要的影響因素。一般來說，除了個別響應(yīng)值外，列車通過D線時候車層的最大響應(yīng)值要比列車通過其它兩條線路時的響應(yīng)值大，列車以80 km/h過站時引起的候車層最大響應(yīng)要比以60 km/h過站引起的候車層最大響應(yīng)值大。當(dāng)列車以80 km/h通過D線時，候車層樓板的最大豎向位移僅為0.059 mm，最大豎向加速度為20.763 mm/s2，折合0.002 g。根據(jù)美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《人類活動引起的樓面振動》(AISC-11)，火車站候車大廳等區(qū)域在4～8 Hz頻率范圍內(nèi)的豎向振動加速度限值為0.015 g，而本文的計算結(jié)果遠(yuǎn)小于該值。同樣，在其它幾種行車工況下候車層的最大響應(yīng)也沒有超出舒適度的最大限值，表明由正線運(yùn)行列車引起的候車層樓板的振動響應(yīng)，都不會造成旅客的不舒適感，從而說明新南京南站具有較好的動力性能。

表4 列車通過正線橋引起的結(jié)構(gòu)最大加速度響應(yīng)

5 結(jié)論

1)南京南站站房結(jié)構(gòu)的自振多為局部振動，只有少數(shù)的整體振型，而且由于下部結(jié)構(gòu)剛度較候車層以上大很多，前500階的振動主要是頂層屋蓋的振動;整體振動主要是頂層屋蓋、候車層樓板和乘軌層在X，Y兩個方向的平動。

2)除個別響應(yīng)值外，相同速度前提下，列車通過寧安城際場正線橋 (D線)引起的候車層的響應(yīng)要比通過其它線路時的響應(yīng)大。

3)除個別響應(yīng)值外，列車以80 km/h過站時引起的候車層最大響應(yīng)要比以60 km/h過站引起的候車層最大響應(yīng)值大。

4)列車單線通過正線橋時，候車層樓板的位移響應(yīng)較小，雖有一定的豎向加速度響應(yīng)，但都沒有超出規(guī)范規(guī)定的限值，所以不會引起候車層旅客的不舒適，說明新南京南站具有較好的動力性能。

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