高速列車引起的車站大跨度鋼結(jié)構(gòu)的振動分析

劉元志

(武漢理工大學(xué) 設(shè)計研究院有限公司，武漢430070)

高速列車引起的車站大跨度鋼結(jié)構(gòu)的振動分析

劉元志

(武漢理工大學(xué) 設(shè)計研究院有限公司，武漢430070)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)能為高鐵車站帶來較大的站內(nèi)空間，但在長期高速列車振動荷載作用下，較柔的大跨度焊接鋼結(jié)構(gòu)的振動疲勞問題卻不容忽視。則針對某客運專線“橋建合一”火車站，建立其整體有限元模型，計算分析了大跨度鋼結(jié)構(gòu)主拱V撐、網(wǎng)殼、下弦節(jié)點、柱角鑄鋼點以及主拱的動力響應(yīng)，得到了不同部位最大Mises等效應(yīng)力。計算分析表明：高速列車振動荷載對大跨度鋼結(jié)構(gòu)強度的影響可忽略不計，但長期疲勞問題不容忽視。

振動與波；高速列車；等效應(yīng)力；大跨度鋼結(jié)構(gòu)

某客運專線火車站的站房采用了上部大型建筑與下部橋梁共同組成的“站橋合一”的新型結(jié)構(gòu)型式（圖1），圖2為細(xì)節(jié)示意圖。上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)的重量通過V撐支承于主拱上，而主拱則通過橋墩頂部的預(yù)埋構(gòu)件直接支撐在高架橋的橋墩上，同時，列車引起的振動通過主拱和V撐也直接傳遞給上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)。在長期的列車振動荷載作用下，上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)鍵的焊接節(jié)點處的疲勞問題值得關(guān)注。

圖1 順軌方向剖面圖

圖2 結(jié)構(gòu)細(xì)部示意圖

2 計算模型

武漢站站房上部建筑主要為由拱（主拱和半拱）、V型支撐、網(wǎng)殼等組合而成的空間結(jié)構(gòu)體系。主拱最大跨度達(dá)116 m，高56 m（F軸），拱結(jié)構(gòu)上有樹枝狀的V型支撐，用來支撐整個屋面結(jié)構(gòu)，其下端固定在高架橋橋墩上，圖3為上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)計算模型。

圖3 上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)計算模型

鋼材主要為Q 345級鋼，模型中采用了link 10單元和beam 188單元，其中，拉桿采用link 10單元模擬，其余采用beam 188單元模擬，模型共34 307個單元，14 594個節(jié)點。

阻尼采用瑞利阻尼

對于大多數(shù)的實際工程，α阻尼（或稱作質(zhì)量阻尼）可忽略不計，β阻尼（或稱作剛度阻尼）的系數(shù)β可按下式計算

對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)而言，僅考慮對結(jié)構(gòu)影響最大的1階振型，其阻尼比ξ一般可取為0.035，由模態(tài)分析可知結(jié)構(gòu)的1階自振頻率為0.94 Hz，則可求得β=0.011 9。

3 計算方法

對于“橋建合一”的新型結(jié)構(gòu)型式，本文借用子結(jié)構(gòu)模型的分析方法，即將整體結(jié)構(gòu)劃分為列車荷載—簡支梁模型和橋墩-上部大寬度鋼結(jié)構(gòu)模型，由前者計算得到簡支梁支座處的反力，再將該反力作為后者的輸入荷載。限于篇幅，本文主要針對第二個子模型，對于第一個子模型計算得到支座反力可參考文獻[4]。這里僅給出得到的支座反力時程曲線，即本文的輸入荷載。文獻[5]的研究表明，對于雙線簡支梁，當(dāng)雙線同向同時加載時（兩列列車同時同向駛?cè)牒喼Я荷希樽畈焕奢d模式，因此本文給出雙線加載情況下橋墩處的支座反力時程曲線，如圖4—5所示，單列車通過時支座反力僅是在幅值上有所差異，故未給出，其中y向為豎向方向，x向為順軌方向，z向為垂直軌道方向（未給出）。

圖4 兩列列車同向通過時橋墩豎向反力時程曲線（y向）

圖5 兩列列車同向通過時橋墩順軌反力時程曲線（x向）

4 工況分析

參照圖1、圖2可見，上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)僅在C、F、J軸處與橋墩相連，因此，本文的分析工況主要針對列車在CFJ軸上運行的情況，具體工況如下：

（1）僅在C軸施加橋墩反力；

（2）僅在F軸施加橋墩反力；

（3）在C、F軸施加橋墩反力；

（4）在C、J軸施加橋墩反力；

（5）在C、F、J軸同時施加橋墩反力。

圖7 網(wǎng)殼最大等效應(yīng)力時程曲線

圖8 下弦節(jié)點最大等效應(yīng)力時程曲線

5 計算結(jié)果

中國建筑科學(xué)研究院的趙鵬飛[6]等對武漢火車站的結(jié)構(gòu)體系等進行了研究，研究表明：武漢站中央站房屋面結(jié)構(gòu)豎向荷載的傳力路徑為：網(wǎng)殼—V撐—主拱或半拱（斜立柱）—墩臺—橋墩。受振動影響較大的幾個部位有：主拱上V撐、網(wǎng)殼、下弦節(jié)點、鑄鋼點和主拱等。而其中，下弦節(jié)點和柱角鑄鋼節(jié)點為傳力路徑上兩類關(guān)鍵性的節(jié)點。

圖9 主拱最大等效應(yīng)力時程曲線

利用自編程序?qū)ι鲜雒總€部位所包含的單元在整個動力時程內(nèi)搜索，找出Mises等效應(yīng)力最大的單元編號（具體部位）、出現(xiàn)時間和應(yīng)力值，再利用自編程序提取該單元端節(jié)點處的Mises應(yīng)力時程曲線。

表1為不同工況下V撐等各個部位最大等效應(yīng)力值信息：出現(xiàn)最大值的時間、單元號碼即出現(xiàn)部位以及最大應(yīng)力值。由于各工況下V撐等各個部位等效應(yīng)力相差不大，本文僅給出CFJ軸加載時應(yīng)力最大值處節(jié)點的時程曲線。圖6—圖9分別為最大值出現(xiàn)部位的等效應(yīng)力市城區(qū)線。

6 分析與結(jié)論

由上述表格及時程曲線可得如下結(jié)論：

1）不同工況下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件應(yīng)力最大值出現(xiàn)的部位幾乎一致：均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)縱向中部的F軸上，主要是因為該軸的跨度最大，柔度最大；

2）由于橋墩剛度大，由結(jié)構(gòu)力學(xué)基本原理可知，剛度大分配的力也就大，上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)相對柔很多（1階自振頻率僅0.94 Hz），橋墩吸收了絕大多數(shù)的振動能量，僅小部分的振動能量傳給了上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)，因而，各工況下上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)相差不大；

表1 不同工況下各個部位最大等效應(yīng)力值信息

圖6 V撐最大等效應(yīng)力時程曲線

3）從應(yīng)力時程曲線看，除網(wǎng)殼部分外，其余各構(gòu)件的應(yīng)力峰值出現(xiàn)均出現(xiàn)在最開始的0.1 s左右，隨后由于結(jié)構(gòu)阻尼，衰減較快，最后均在靜力作用時結(jié)構(gòu)應(yīng)力值附近波動；

4）結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的最大應(yīng)力僅86.6 MPa，對于Q 345鋼而言，遠(yuǎn)小于其屈服強度值（345 MPa），即列車振動荷載對結(jié)構(gòu)的強度影響不大，因而，更多的注意應(yīng)放在焊接鋼結(jié)構(gòu)的長期振動疲勞方面。

[1]賀玉龍，向 怡.鄭西高速鐵路渭南北高架車站環(huán)境振動測試分析[J].噪聲與振動控制，2012，（3）：152-155.

[2]鄧世海,郭向榮，王慧慧，等.高速列車對建筑結(jié)構(gòu)的振動影響[J].噪聲與振動控制，2010，（2）：72-76.

[3]顏 鋒，錢基宏，趙鵬飛，等.武漢火車站高速列車對建筑結(jié)構(gòu)的振動影響研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009,39（1）：25-28.

[4]胡小勇，張光輝，謝偉平.高速列車作用下簡支梁的動力響應(yīng)分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010，32（7）：125-128.

[5]張 彌，夏 禾，馮愛軍.輕軌列車和高架橋梁系統(tǒng)的動力響應(yīng)分析[J].北方交通大學(xué)學(xué)報，1994，18（1）：1-8.

[6]趙鵬飛，潘國華，湯榮偉，等.武漢火車站復(fù)雜大型鋼結(jié)構(gòu)體系研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009，39（1）：1-4.

Analysis of High-speed Train Induced Vibration of Large-span Steel Structure of Railway Stations

LIU Yuan-zhi

(Design&Research Institute Co.Ltd.,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

∶Large-span steel structure can provide large internal space for railway station.But the long-term vibration induced fatigue problem cannot be neglected for welded flexible large-span steel structure.In this paper,the finite element model for a passenger-line railway station of large-span steel structure is established.The dynamic responses of the components of the structure,such as V-support,lattice shell,the joint of lower chords,cast steel joint at the corner of column and main arch,are analyzed.The maximum equivalent stress of each component is obtained.The computation results show that the vibration load induced by high speed train has little influence on the strength of large-span steel structure.But the long-term fatigue problem must be considered.

∶vibration and wave;high-speed train;equivalent stress;large-span steel structure

U238< class="emphasis_bold">文獻標(biāo)識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.032

1 工程概況

劉元志（1963-），男，湖北大冶人，高級工程師，研究方向為工程結(jié)構(gòu)的監(jiān)測與檢測。

E-mail∶liucivil@126.com.

1006-1355(2014)06-0144-04

2014-03-24

隨著我國高鐵建設(shè)的快速發(fā)展，“橋建合一”的新型結(jié)構(gòu)形式由于其能提供較大的站內(nèi)空間，以及具有強烈的視覺沖擊效應(yīng)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。如武漢火車站、鄭州火車站、南昌火車站等。但隨之而來的問題是高速列車引起的振動荷載直接傳遞給了上部的大跨度鋼結(jié)構(gòu)，而鋼結(jié)構(gòu)大多是采用焊接的方式連接在一起。因此，焊接鋼結(jié)構(gòu)在長期振動荷載下的疲勞特性及其疲勞壽命值得關(guān)注。

目前關(guān)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載以及地震荷載作用下動力響應(yīng)的研究頗多，也有少量關(guān)于該類結(jié)構(gòu)在簡單豎向動荷載（如周期荷載）下動力響應(yīng)方面的研究，而在高速列車作用下動力響應(yīng)的研究較少[1—3]。本文則針對某客運專線火車站結(jié)構(gòu)，采用大型通用軟件ANSYS建立其整體有限元模型，計算分析大跨度鋼結(jié)構(gòu)各部位在高速列車振動荷載作用下的動力響應(yīng)，為后續(xù)的振動疲勞分析提供基礎(chǔ)。