南昌地鐵4號線列車運(yùn)行對南昌西站站房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響*

崔聰聰 雷曉燕張 凌

（1.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，330052，南昌；2.華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部工程研究中心，330013，南昌∥第一作者，助理工程師）

大型綜合交通樞紐車站大多由高架層、高架夾層、站臺(tái)層與地下層等組成。我國近年才開始建設(shè)這種現(xiàn)代化的大型綜合交通樞紐，國外亦少見。樞紐車站的地下層同時(shí)穿過多條地鐵線，使車站建筑處于非常復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境中。目前，地鐵列車引起地面建筑環(huán)境振動(dòng)的研究已經(jīng)取得一定成果，但是地鐵列車對綜合交通樞紐車站的振動(dòng)特性研究仍十分匱乏。國內(nèi)外對地鐵列車運(yùn)行所引起的環(huán)境振動(dòng)研究大多采用數(shù)值模擬的方法［1-3］和現(xiàn)場試驗(yàn)法［4］。文獻(xiàn)［5-6］通過現(xiàn)場實(shí)測的方法分析了地鐵列車運(yùn)行對與地鐵合建的建筑結(jié)構(gòu)環(huán)境振動(dòng)特性的影響。文獻(xiàn)［7］對大跨度車站結(jié)構(gòu)精細(xì)化模型進(jìn)行了研究。

南昌西站是南昌市的大型綜合交通樞紐，主體由下到上依次為地下層、軌道層、高架層、高架夾層。鐵路南昌西站候車廳位于地上二層，地鐵2號線、4號線從地下層下方穿越。為研究在地鐵4號線列車行駛激勵(lì)下樞紐車站的振動(dòng)響應(yīng)，應(yīng)用有限元軟件Ansys，建立了南昌西站模型。通過分析在不同隧道埋深、不同列車行駛速度下南昌西站站房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，得到地鐵列車行駛激勵(lì)下站房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而評測地鐵列車運(yùn)行對站房結(jié)構(gòu)的影響。

1 綜合樞紐車站——南昌西站的計(jì)算模型

鐵路南昌西站候車廳層位于整個(gè)站房結(jié)構(gòu)地上二層，標(biāo)高約8.5 m。南昌西站東西方向的柱網(wǎng)間距為 18.0 m，18.0 m，18.0 m，25.0 m，18.0 m，18.0 m，18.0 m；南北方向的柱網(wǎng)間距為22.0 m，30.0 m，51.5 m，53.0 m，42.0 m，42.0 m，53.0 m，51.5 m，30.0 m，22.0 m。地鐵2號線隧道埋深14 m，以南北方向運(yùn)行通過南昌西站；地鐵4號線隧道埋深19.3 m，以東西方向通過南昌西站。線路布置圖見圖1。

圖1 南昌西站線路布置示意圖

南昌西站是新型客運(yùn)樞紐站，設(shè)有鐵路南昌西站，同時(shí)通行2條地鐵線路。利用ANSYS軟件建立南昌西站土體-地鐵隧道-站房結(jié)構(gòu)整體模型。利用無砟軌道雙層梁模型［8］對地鐵4號線輪軌力進(jìn)行數(shù)值模擬，對整體模型施加地鐵列車行駛激勵(lì)，計(jì)算分析地鐵列車以120 km/h的速度通過南昌西站時(shí)，距離地鐵軌道中心不同地面點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)。振動(dòng)響應(yīng)峰值加速度見表1。通過距離地鐵軌道中心線不同地面點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)可以看出列車通過時(shí)振動(dòng)加速度的變化情況：隧道壁的振動(dòng)加速度幅值大于地面；地面振動(dòng)加速度值隨著與地鐵線路中心線距離的增加而減少；如果以峰值加速度作為考量，距離地鐵軌道中心線24～36 m、60～72 m的地面區(qū)域呈現(xiàn)振動(dòng)放大。

選取隧道壁、距離隧道軌道中心線0 m的地面響應(yīng)點(diǎn)，以及距離隧道軌道中心線24 m的地面關(guān)鍵點(diǎn)，對這3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行頻譜曲線分析（見圖2）。

從隧道壁關(guān)鍵點(diǎn)到距離軌道中心線24 m處的地面點(diǎn)，振動(dòng)加速度主頻逐漸向20 Hz移動(dòng)，說明高頻振動(dòng)會(huì)隨著距離增加而逐漸衰減，而低頻振動(dòng)衰減緩慢。數(shù)值模擬的振動(dòng)變化規(guī)律與實(shí)測情況相符，可以確認(rèn)此加載方法的正確性。

表1 120 km/h速度下不同觀測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)

圖2 不同響應(yīng)點(diǎn)的頻譜曲線

2 時(shí)域與峰值加速度分析

2.1 隧道埋深相同、列車速度不同時(shí)站房結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)

南昌地鐵4號線隧道埋深19.3 m。分別計(jì)算南昌西站站房結(jié)構(gòu)在列車以60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h不同速度下的振動(dòng)響應(yīng)。

2.1.1 關(guān)鍵點(diǎn)的布設(shè)

（1）樓板層關(guān)鍵點(diǎn)：選取18 m長的樓板跨中位置，距離軌道中心線 0 m、12 m、24 m、36 m、48 m 的關(guān)鍵響應(yīng)點(diǎn)，標(biāo)為L1、L2、L3、L4、L5（見圖3 b））；

（2）商業(yè)夾層關(guān)鍵點(diǎn)：選取上述樓板關(guān)鍵點(diǎn)正上方對應(yīng)的點(diǎn),作為商業(yè)夾層關(guān)鍵點(diǎn)，標(biāo)為 S1、S2、S3、S4、S5（見圖3 c））。

2.1.2 關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)

地鐵4號線列車以不同的速度通過南昌西站時(shí)，不同結(jié)構(gòu)層的峰值加速度見表2。

通過相應(yīng)的時(shí)域響應(yīng)曲線可知：不同結(jié)點(diǎn)加速度隨時(shí)間先增大再變小，并在較低的水平逐漸趨于平穩(wěn)，反映了振動(dòng)的衰減趨勢；在相同的速度下，不同結(jié)構(gòu)層的時(shí)域響應(yīng)曲線總體趨勢較為一致；同一結(jié)構(gòu)層的時(shí)域響應(yīng)曲線在不同速度下的變化趨勢較為一致，速度越大，越早出現(xiàn)振動(dòng)峰值。由于4號線的軌道中心線距離南昌西站站層關(guān)鍵點(diǎn)水平距離有35 m，所以對上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)較小。隨著與軌道中心線間距離的增大，樓板關(guān)鍵點(diǎn)的峰值振動(dòng)加速度迅速減少。

2.2 隧道埋深不同、列車速度相同時(shí)站房結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)

2.2.1 關(guān)鍵點(diǎn)的布設(shè)

選取不同結(jié)構(gòu)層的關(guān)鍵點(diǎn)分析振動(dòng)響應(yīng)：關(guān)鍵點(diǎn)V1位于南部樓板25 m跨中處，與軌道4號線垂直距離72 m；關(guān)鍵點(diǎn)V2位于距離軌道中心線0 m、樓板跨度為25 m的跨中處；關(guān)鍵點(diǎn)V3位于大跨度商業(yè)夾層距離軌道中心線0 m、樓板跨度為25 m的跨中處；關(guān)鍵點(diǎn)V4位于軌道層，距離軌道中心線0 m。關(guān)鍵點(diǎn)布設(shè)見圖3，關(guān)鍵點(diǎn)V2、V3、V4僅在高度上有差異。

2.2.2 關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)

4號線列車以120 km/h通過時(shí)，4號線在14.0 m、16.0 m和實(shí)際的19.3 m等3種不同埋深下，不同結(jié)構(gòu)層關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)見表3。由表3可知，通過計(jì)算南昌西站不同結(jié)構(gòu)層關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)峰值加速度，4號線采用不同的埋深，上部結(jié)構(gòu)層的振動(dòng)響應(yīng)較小，主要是因?yàn)橥馏w差異和距離關(guān)鍵點(diǎn)不同的影響。

圖3 樓板層關(guān)鍵點(diǎn)的布設(shè)

表2 同一埋深、不同列車速度下各關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)m/s2

表3 120 km/h速度下隧道不同埋深關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)m/s2

當(dāng)4號線隧道埋深19.3 m、以120 km/h速度通過南昌西站時(shí)：① 分析 V1、V2、V3、V4不同方向的加速度見表4，可以看出豎向峰值加速度與橫向、縱向的峰值加速度相差一個(gè)量級，說明土體對橫向、縱向的加速度影響較大。②對于不同結(jié)構(gòu)層的框架柱關(guān)鍵點(diǎn) A、B、C、D、E（具體位置見圖 3 b）），分析其豎向峰值加速度見表5，可以看出：地鐵層的振動(dòng)通過框架柱向上傳遞至高架層；隨著距軌道中心線距離的增大，振動(dòng)響應(yīng)迅速減少。

表4 各關(guān)鍵點(diǎn)不同方向的振動(dòng)響應(yīng)m/s2

3 站房結(jié)構(gòu)頻域分析

地鐵4號線以隧道實(shí)際埋深19.3 m通過樞紐站房時(shí)，在地鐵行駛激勵(lì)下可對站房結(jié)構(gòu)不同節(jié)點(diǎn)的加速度時(shí)程進(jìn)行快速傅里葉（FFT）變換，得到不同結(jié)點(diǎn)的加速度功率譜。

由加速度功率譜可知，地鐵引起的結(jié)構(gòu)層振動(dòng)主頻在0～60 Hz范圍內(nèi)，同一關(guān)鍵點(diǎn)在不同速度、不同隧道埋深下的頻譜特性較為一致。其中：0～40 Hz附近的振動(dòng)隨距離衰減最慢，合建建筑結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率分布特性基本上一致，樓板層的頻率分布主要集中在0～60 Hz范圍內(nèi)；商業(yè)夾層的頻率分布主要集中在0～40 Hz范圍內(nèi)。這說明隨著高度的增大，結(jié)構(gòu)層的高頻成分衰減較快。

通過樓板關(guān)鍵點(diǎn)在不同埋深處的頻譜曲線可以看出，隨著距隧道振源距離的增大，樓板的振動(dòng)主頻向低頻移動(dòng)。通過關(guān)鍵點(diǎn)在不同方向的頻譜幅值可以看出，豎向振動(dòng)響應(yīng)幅值大于橫向、縱向的振動(dòng)響應(yīng)幅值，3個(gè)方向的振動(dòng)主頻較為一致。

表5 不同結(jié)構(gòu)層框架柱關(guān)鍵點(diǎn)的峰值加速度 m/s2

4 振動(dòng)水平評價(jià)

4號線以120 km/h的速度通過南昌西站時(shí)，各關(guān)鍵點(diǎn)在不同隧道埋深下的豎向最大Z振級見表6。由表6可知：隨著隧道埋深的增加，最大Z振級逐漸減弱；同一車速下，埋深每增加2 m，不同結(jié)構(gòu)層Z振級衰減2～4 dB。

表6 不同隧道埋深下不同關(guān)鍵點(diǎn)的最大Z振級dB

當(dāng)?shù)罔F4號線隧道埋深為19.3 m時(shí)，列車以不同速度通過南昌西站，各關(guān)鍵點(diǎn)的豎向最大Z振級如表7所示。由表7可知：車速每增加20 km/h，不同結(jié)構(gòu)層Z振級增大1～3 dB。

表7 關(guān)鍵點(diǎn)的豎向最大Z振級dB

地鐵4號線在隧道埋深19.3m時(shí)，列車以120km/h的速度通過南昌西站時(shí)，不同結(jié)構(gòu)層的關(guān)鍵點(diǎn)V2、V3、V4在不同方向的振動(dòng)響應(yīng)見圖 4 a）、4 b）、4 c）。

圖4 不同關(guān)鍵點(diǎn)的1/3倍頻程曲線

通過圖4的3個(gè)1/3倍頻程曲線可以看出，南昌西路結(jié)構(gòu)在分析頻率范圍內(nèi)的豎向振動(dòng)響應(yīng)大于橫向、縱向振動(dòng)響應(yīng)，豎向比橫向、縱向高9～12 dB。關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)最大加速度振級的頻率隨著結(jié)構(gòu)高度的增大逐漸向低頻移動(dòng)，樓板層出現(xiàn)最大振級對應(yīng)的頻率接近12 Hz，軌道層接近31 Hz，商業(yè)夾層接近9 Hz。

5 結(jié)語

（1）如果以峰值加速度作為考量，則振動(dòng)放大區(qū)域出現(xiàn)在地面24～36 m及60～72 m處。隨著距振動(dòng)源距離的增大，高頻振動(dòng)會(huì)隨著距離增加而逐漸衰減，而低頻振動(dòng)衰減緩慢。

（2）地鐵4號線通過南昌西站時(shí)，土體對橫向、縱向的加速度影響較大。樓板層的豎向峰值加速度與橫向、縱向的峰值加速度相差一個(gè)量級，地鐵層的振動(dòng)通過框架柱向上傳遞至高架層。

（3）南昌地鐵引起的結(jié)構(gòu)層振動(dòng)主頻為0～60 Hz，其中20 Hz和40 Hz附近的振動(dòng)隨距離衰減最慢。隨著高度的增大，結(jié)構(gòu)層的高頻成分衰減較快。

（4）在地鐵列車行駛激勵(lì)下站房結(jié)構(gòu)的Z振級隨著隧道埋深的增加逐漸減弱；同一車速下，埋深每增加2 m，不同結(jié)構(gòu)層的Z振級衰減2～4 dB；同一埋深下，車速每增加20 km/h，不同結(jié)構(gòu)層的Z振級增大1～3 dB。

（5）通過模型仿真研究了南昌西站這一大型綜合交通樞紐車站在地鐵荷載作用下，不同結(jié)構(gòu)層關(guān)鍵點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)特性。但由于結(jié)構(gòu)模型較大，節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，且為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，僅討論了列車在較高運(yùn)行速度（120 km/h）的情況。因此，結(jié)構(gòu)模型的精細(xì)化仍需完善，振動(dòng)特性有待進(jìn)一步深入研究。