顯示設(shè)備固定結(jié)構(gòu)在高鐵既有站的應(yīng)用研究

馮子豪, 賈振興, 高 峰, 戴建強, 鄧勝江

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所， 北京 100081； 2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司， 北京 100081)

當(dāng)前發(fā)達(dá)國家在鐵路建設(shè)項目中已經(jīng)建立起了一套較為完善的信息顯示系統(tǒng)，具有豐富的信息顯示經(jīng)驗和功能強大的綜合服務(wù)平臺。作為鐵路信息顯示的輸出設(shè)備，LED顯示設(shè)備具有核心和主導(dǎo)的地位。

在中國鐵路建設(shè)蓬勃發(fā)展的同時，鐵路信息顯示也愈加重要，告別傳統(tǒng)的靜態(tài)顯示，引入LED顯示屏，展示鐵路通知信息和鐵路售票信息，引導(dǎo)旅客乘坐信息，從固有的一成不變，到如今，已經(jīng)初具規(guī)模，漸漸形成一套以LED顯示屏為主體的鐵路信息顯示系統(tǒng)[1-2]。本文旨在高鐵線路中老式鐵路既有車站站臺結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)施工環(huán)境的限制下，解決站臺層LED顯示設(shè)備的安裝和使用問題。

1 數(shù)值仿真技術(shù)在鐵路站臺顯示設(shè)備固定結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的意義

數(shù)值仿真技術(shù)是將一個連續(xù)的物體劃分有限個單元，從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。數(shù)值仿真模擬不但可以加速理論、實驗研究的進(jìn)程，而且具有很大的經(jīng)濟(jì)效益，因此數(shù)值仿真模擬在各領(lǐng)域工程實際中廣泛應(yīng)用[3]。

顯示屏固定結(jié)構(gòu)基本上均為鋼結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)形式根據(jù)工程實際變化很大。鐵路站臺是旅客的聚集地，人流密度很大，因此鐵路站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)的安全性要求很高。為保證鐵路站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)的安全性，參考中外鋼結(jié)構(gòu)校核方式，目前安全校驗主要考慮靜態(tài)力學(xué)校核和預(yù)應(yīng)力模態(tài)校核，而數(shù)值仿真技術(shù)又是計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力和模態(tài)位移分布的重要技術(shù)手段。因此采用數(shù)值仿真技術(shù)對一種新型高鐵既有車站顯示屏固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對指導(dǎo)工程實際應(yīng)用具有重要意義。

2 顯示屏固定結(jié)構(gòu)空間靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析及動力學(xué)模態(tài)分析數(shù)學(xué)模型

2.1 空間靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析數(shù)學(xué)模型

靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析主要是校核各構(gòu)件的強度，根據(jù)實際數(shù)據(jù)對顯示屏固定結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，將模型導(dǎo)入數(shù)值分析軟件，運用以下靜力學(xué)方程對其強度進(jìn)行校核分析[4-7]。

平衡微分方程：

(1)

幾何方程：

(2)

物理方程：

(3)

2.2 模態(tài)分析數(shù)學(xué)模型

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力性能的一種方法。機械結(jié)構(gòu)的動力性能主要取決于它的主陣型、固有頻率等模態(tài)參數(shù)，這些系統(tǒng)的固有頻率特性對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)、振動形式等都具有主要參考作用[8-10]。

對于n自由度的多自由度系統(tǒng)，假設(shè)材料特性為線彈性的，無阻尼無激振力的自由振動方程為[11-12]

(K-ωi2M){φi}=0

(4)

式中：K為剛度矩陣；ωi為第i階模態(tài)的自然頻率，rad/s；M為質(zhì)量矩陣；φi為第i階模態(tài)響應(yīng)的振型特征向量。

當(dāng)系統(tǒng)處于自由振動時，各節(jié)點振幅{φi}不為0，即

det|K-ωi2M|=0

(5)

有限元軟件計算自然頻率的方程為

(6)

式中,fi為自然頻率，Hz。

3 高鐵既有站站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力模態(tài)計算

抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高鐵線路中老式鐵路既有車站站臺層信息顯示，此類既有車站運行班次多，且運營狀態(tài)不允許長時間站臺施工和不能破壞站臺鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這種抱柱式站臺顯示屏結(jié)構(gòu)將LED顯示屏固定于站臺層兩支撐立柱之間，可以很好地解決此類老式鐵路既有車站中的施工限制，實現(xiàn)LED信息顯示技術(shù)在此類高鐵既有車站站臺層的有效應(yīng)用?，F(xiàn)以承德某高鐵既有車站站臺顯示屏的數(shù)據(jù)參數(shù)為算例進(jìn)行研究。

3.1 抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)幾何模型

固定結(jié)構(gòu)包含抱柱結(jié)構(gòu)、LED顯示屏固定結(jié)構(gòu)等部分，其承受荷載主要包括固定結(jié)構(gòu)自重、顯示屏自重、風(fēng)荷載等，建立三維幾何模型，如圖1和圖2所示。

圖1 抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)模型

圖2 抱柱結(jié)構(gòu)模型

3.2 抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)模型初始條件載荷施加

結(jié)構(gòu)自重按材料實際重度以體積力加在模型上；風(fēng)荷載根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[13]確定。抱柱式站臺顯示屏整體結(jié)構(gòu)包括固定結(jié)構(gòu)自重和顯示屏自重，總重500 kg。依據(jù)垂直于燈箱表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷，即

Wk=βgzμs1μzω0

(7)

式中：Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2;βgz為高度z處的風(fēng)振系數(shù);μs1為風(fēng)荷局部載體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；ω0為基本風(fēng)壓，kN/m2。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，城市或建設(shè)地點的基本風(fēng)壓值在規(guī)范表中選取。進(jìn)而可確定本算例中ω0=0.3 kN/m2，μz=2.91。

計算圍護(hù)構(gòu)件及其連接的風(fēng)荷載時，根據(jù)國標(biāo)規(guī)定可取μs1=2.0，βgz=1.7，由此可得

Wk=0.3×1.7×2×2.91=2.968 2 kN/m2。

3.3 抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)空間靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)分析包括靜態(tài)節(jié)應(yīng)力分析、靜態(tài)應(yīng)變分析和靜態(tài)位移分析。選擇固定結(jié)構(gòu)的材料為Q235B，其材料屬性如表1所示。將自重外載G=500 kg的力和最大風(fēng)荷載Wk=2.968 2 kN/m2分別代入載荷分布中，得到計算結(jié)果如圖3～圖5所示。

表1 Q235B材料屬性

圖3 抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果

圖4 抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)應(yīng)變分析結(jié)果

圖5 抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)位移分析結(jié)果

根據(jù)數(shù)值仿真力學(xué)分析結(jié)果顯示，在當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)載的極端工況環(huán)境下工作時，抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)較大位移，其最大應(yīng)力值也在Q235B的容許范圍之內(nèi)，證明這種抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)能滿足實際工況下的使用要求。

3.4 抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)動力學(xué)模態(tài)分析

為了研究這種抱柱式站臺顯示屏結(jié)構(gòu)的工作可靠性，借助數(shù)值分析軟件對抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，在當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)荷載作用下分析各階頻率下固定結(jié)構(gòu)的變形程度。提取顯示屏固定結(jié)構(gòu)模型的前10階模態(tài)頻率(圖6)，模態(tài)頻率如表2、圖7所示。

前10階固有頻率中1～4階固有頻率趨于平穩(wěn)，4、5階固有頻率發(fā)生激越，5～10階固有頻率又趨于平穩(wěn)。前6階固有頻率的模態(tài)振型主要為結(jié)構(gòu)中部發(fā)生變形，且位移量較小，具有較好的動態(tài)特性。

抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析補充了靜態(tài)特性分析的不足，提高了設(shè)計的合理性和可靠性。由于當(dāng)外部激勵與結(jié)構(gòu)的固有頻率重合時會發(fā)生共振現(xiàn)象，會造成較大的位移量。通過分析得出該結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)當(dāng)避免外部激勵與抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)的前幾階固有頻率重合，防止共振現(xiàn)象發(fā)生，也為其他站站臺屏同步設(shè)計及后續(xù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了重要的參考意義。

圖6 抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)

表2 抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)前10階固有頻率

圖7 前10階固有頻率

4 高鐵既有站站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)對地震災(zāi)害的預(yù)防

地震災(zāi)害對站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)的影響主要源于地震波的頻率。當(dāng)站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)各級模態(tài)頻率與地震波的頻率發(fā)生重疊，會引起站臺顯示屏結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的損壞。

根據(jù)表3[14]的各級地震的頻率與站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)的各級模態(tài)頻率對比發(fā)現(xiàn)，地震的頻率遠(yuǎn)小于各級的模態(tài)頻率。因此這種顯示屏固定結(jié)構(gòu)對地震災(zāi)害的預(yù)防有一定的積極作用。

5 結(jié)論

本文的抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)是一種針對此類高鐵既有車站站臺結(jié)構(gòu)的LED顯示設(shè)備有效安裝方法，符合現(xiàn)場的施工要求和正常使用。

表3 不同頻率地震波的峰值加速度及烈度等級[14]

1)通過對這種抱柱式站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析和動力學(xué)模態(tài)分析，得出了該種典型工況下的靜力強度和剛度以及前幾階的固有頻率和各階振型特點，驗證了這種結(jié)構(gòu)的安全性及其應(yīng)用價值。實驗分析結(jié)果表明，采用抱柱式安裝可以很好地解決高鐵既有站臺結(jié)構(gòu)的鐵路LED屏顯示設(shè)備應(yīng)用，并獲得良好的效果。

2)可為各類型鐵路站臺層顯示屏設(shè)備的實際應(yīng)用和后續(xù)研究提供有一定價值的方法和數(shù)據(jù)。

3)各級地震的頻率與站臺顯示屏固定結(jié)構(gòu)的各級模態(tài)頻率對比發(fā)現(xiàn)，地震的頻率遠(yuǎn)小于各級的模態(tài)頻率。因此這種顯示屏固定結(jié)構(gòu)對地震災(zāi)害的預(yù)防有一定的積極作用。