重慶輕軌高架車站自振特性分析

張 琴

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，上海 200030)

重慶輕軌高架車站自振特性分析

張 琴

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，上海 200030)

以重慶輕軌高架車站——八公里站為例，采用SAP2000計算軟件，建立了三維模型，通過對車站自振頻率的分析，得出了一些有價值的結(jié)論，指出對高架車站進行自振特性分析具有重要的現(xiàn)實意義。

輕軌，高架車站，自振特性，墩高，舒適度

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，軌道交通由于其運量大、速度快、安全性好、準(zhǔn)時和節(jié)能等優(yōu)點，近年來在我國各大城市得到了迅速發(fā)展。高架線作為一種經(jīng)濟、實用、高效的快速交通模式，其設(shè)計施工技術(shù)難度較小、建設(shè)費用低且建設(shè)周期短，正在受到越來越多的重視和應(yīng)用，高架車站隨之應(yīng)運而生。

目前重慶已建的輕軌高架車站多為“建—橋合一”的結(jié)構(gòu)型式，軌道梁通過設(shè)置支座簡支于車站結(jié)構(gòu)橫梁上，而站臺梁等車站結(jié)構(gòu)構(gòu)件支承于軌道梁橋上形成“建—橋”組合結(jié)構(gòu)體系。風(fēng)荷載、行車、地震等會引起車站的振動，不僅對結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生一定的影響，還會影響周邊建筑和乘客的舒適度。目前高架車站的振動影響日益受到重視，因此，分析車站的自振特性具有重要的科研價值和現(xiàn)實意義。

1 工程背景與有限元建模

以重慶三號線南延伸段工程——八公里站為工程背景，采用SAP2000軟件建立三維有限元模型，分析車站的自振特性。

八公里車站為獨柱式帶長懸臂“橋—建”組合結(jié)構(gòu)體系的車站。主要承重結(jié)構(gòu)為獨柱墩，橫向雙層雙懸臂蓋梁、縱向框架結(jié)構(gòu)體系。站廳層支承于下層蓋梁，站臺層和站臺下夾層支承于上層蓋梁。站臺層，站臺下夾層，站廳層由縱梁，橫梁和樓面板組成，全部采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。橫向獨柱框架，蓋梁的最大懸臂長為10.4 m，縱向七跨框架間距布置為(16+16+18+20+18+16+16) m。墩柱截面為矩形2.2 m×2.8 m，蓋梁根部截面為3.0 m×2.5 m。三層為兩個獨立的單跨空間框架體系，由二層縱梁上起框架柱。

結(jié)構(gòu)計算模型是動力特性的關(guān)鍵，應(yīng)盡量與實際結(jié)構(gòu)相符。為了能真實反映高架車站的實際結(jié)構(gòu)，采用空間有限元法對該車站主體結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析，利用SAP2000計算軟件，建立三維模型，見圖1。

2 計算結(jié)果分析

2.1 車站自振頻率分析

模型僅考慮結(jié)構(gòu)自重，車站前10階振型質(zhì)量參與系數(shù)，及其對應(yīng)的周期和頻率見表1。

表1 前10階振型質(zhì)量參與系數(shù)表

車站第1階～第3階振型圖見圖2～圖4。

車站的自振頻率在很大程度上反映出車站剛度的大小，也就反映出車站的動力特性。表1為高架車站前10階自振頻率的計算結(jié)果和相應(yīng)振型特征。圖2～圖4為車站第1階～第3階的振型圖。從表1和圖2～圖4可以看出：前3階振型主要表現(xiàn)為車站的整體橫向撓曲、反對稱撓曲和縱向撓曲。對應(yīng)于車站結(jié)構(gòu)以橫向撓曲為主的第1階振型，相應(yīng)頻率為1.272 5 Hz；對應(yīng)于車站結(jié)構(gòu)以反對稱撓曲為主的第2階振型，相應(yīng)頻率為1.559 2 Hz；對應(yīng)于車站結(jié)構(gòu)以縱向撓曲為主的第3階振型，相應(yīng)頻率為2.146 Hz。車站橫向振型出現(xiàn)最早，為車站的主要振型，表明高架車站由于受下部結(jié)構(gòu)獨柱大懸臂的影響，車站整體橫向剛度弱于其整體縱向剛度和抗扭剛度。

從頻率的增長趨勢來看，從第1階固有頻率向各高階固有頻率的增長趨勢較為緩慢，沒有明顯的跳躍，且振型的形狀并不復(fù)雜，說明結(jié)構(gòu)的動力性能較好。

車站振型以豎向振動為主(即車站結(jié)構(gòu)整體振動豎向質(zhì)量參與系數(shù)最大)的質(zhì)量參與系數(shù)，及其對應(yīng)的周期和頻率如表2所示。

表2 車站振型質(zhì)量參與系數(shù)及其對應(yīng)的周期和頻率

車站豎向振型出現(xiàn)相對靠后，不是車站的主要振型。車站結(jié)構(gòu)整體振動豎向質(zhì)量參與系數(shù)最大的自振頻率大于10 Hz，滿足GB 50157—2013地鐵設(shè)計規(guī)范10.6.5條規(guī)定。

2.2 不同墩高下的車站自振頻率分析

通過分析車站在5 m，10 m，15 m，20 m共4種墩高下的自振頻率，得到車站前3階自振頻率變化見表3。

表3 不同墩高下的車站自振頻率分析表

分析結(jié)果：不同墩高下，車站橫向和縱向振動出現(xiàn)的階數(shù)相同，車站振型主要為橫向和縱向振動。隨著墩高的增大，橫向和縱向自振頻率降低，說明墩高的增大降低了車站橫向和縱向剛度，減小了車站橫向和縱向自振頻率。車站重心的降低能顯著提高結(jié)構(gòu)的自振頻率，重心越低，頻率越大。

2.3 不同蓋梁高度下的車站自振頻率分析

通過分析車站蓋梁高度2 000 mm,2 500 mm,3 000 mm 3種不同梁高下的自振頻率，得到車站前3階自振頻率變化,見表4。

表4 不同蓋梁高度下的車站自振頻率分析表

分析結(jié)果：隨著蓋梁高度的增大，橫向和縱向自振頻率稍有降低，車站蓋梁高度的變化對車站橫向和縱向自振頻率影響較小。

3 結(jié)語

高架車站由于其獨柱大懸臂蓋梁結(jié)構(gòu)的特點，對車站整體結(jié)構(gòu)的動力特性有較大影響。車站墩高的增大會降低車站橫向和縱向剛度，減小車站橫向和縱向自振頻率。車站重心的降低能顯著提高結(jié)構(gòu)的自振頻率，重心越低，頻率越大。建議在條件允許的情況下，應(yīng)盡量減小高架車站的墩高，提高結(jié)構(gòu)的自振頻率，保證車站的安全和舒適度。車站蓋梁高度的變化對車站橫向和縱向自振頻率影響較小。

車站剛度的大小直接影響行人的安全感和舒適感。高架車站整體結(jié)構(gòu)對行人舒適度影響的評價，目前國內(nèi)尚無統(tǒng)一、完善的評定標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)規(guī)范在評定高架車站行人舒適度上，有一定的局限性，這個問題還有待進一步的深入研究。

[1] 單德山，李 喬.重慶輕軌大溪溝車站橋動力性能分析[J].橋梁建設(shè)，2006(6)：65-66.

[2] 顧戌華，夏 禾，郭薇薇.城市軌道交通高架橋自振特性與動力響應(yīng)研究[J].北方交通，2007(11)：149-150.

[3] 陸春華，金偉良，宋志剛.基于振動舒適度要求的混凝土樓板自振頻率分析[J].建筑科學(xué)，2010(7)：38-39.

Natural vibration characteristics analysis of Chongqing elevated light railway station

Zhang Qin

(ShanghaiTunnelEngineering&RailTransitDesignandResearchInstitute，Shanghai200030,China)

Taking Bagongli station, a Chongqing elevated light railway station as an example, established three-dimensionally modeled by calculating software SAP2000, is used as an example to analyze the natural vibration property of station, some valuable conclusions are obtained, it is significant to analyze the natural vibration characteristics of elevated station.

light railway, elevated station, natural vibration characteristics, pier height, serviceability

2014-11-25

張 琴(1982- )，女，工程師

1009-6825(2015)04-0185-03

U291

A