高架站雨棚結(jié)構(gòu)在高鐵正線列車作用下的振動分析研究

欒濤

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 高級工程師,北京 100038）

0 引言

隨著我國高鐵事業(yè)的快速發(fā)展，哈大、京滬高鐵等相繼開通，四橫四縱高鐵網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)，八橫八縱高鐵網(wǎng)已廣泛鋪開，同時也建成了一大批有高速列車正線通過的車站[1]。時速300 km的線路在我國鐵路工程中屬于新生事物，其對站房、雨棚結(jié)構(gòu)的振動激勵不同于既有線路。近些年來，我國已經(jīng)對于軌道層結(jié)構(gòu)以及站房主體結(jié)構(gòu)在高速鐵路車致振動下的響應(yīng)進(jìn)行了卓有成效的研究，但對于結(jié)構(gòu)剛度較小，對振動激勵較為敏感的雨棚結(jié)構(gòu)在高鐵正線通過時的振動響應(yīng)研究仍十分欠缺，因而對此進(jìn)行研究是十分必要且迫切的[2]。

東部高鐵某橋式線下站（即高架站）在使用過程中發(fā)現(xiàn)雨棚結(jié)構(gòu)發(fā)生可視振動，本文以該高鐵下線橋式站為例，采用現(xiàn)場實(shí)測、理論分析等多種手段對高鐵正線列車通過時雨棚結(jié)構(gòu)的振動現(xiàn)象進(jìn)行了研究，認(rèn)定了引起雨棚結(jié)構(gòu)振動的原因并提出了對于高鐵車站雨棚的設(shè)計(jì)建議[3-5]。

1 工程概況

東部高鐵某中間站站房綜合樓，采用線下式站房鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；共二層，其中一層為站廳層，包括候車大廳及各種功能房屋；二層為站臺層。該站房為房橋分離結(jié)構(gòu)體系，共二臺六線。圖1給出了車站剖面圖，橋梁結(jié)構(gòu)和站房結(jié)構(gòu)之間分離，為相互獨(dú)立結(jié)構(gòu)，橋梁結(jié)構(gòu)上通過兩條正線，兩個站房結(jié)構(gòu)上通過四條到發(fā)線。圖2給出了該站結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場照片。雨棚結(jié)構(gòu)與站臺、股道的分布如圖3所示。

圖1 某站剖面圖

圖2 某站現(xiàn)場照片

圖3 站臺及雨棚平面布置圖

站臺雨棚采用無站臺柱雨棚形式，長437 m，兩側(cè)雨棚總寬45.5 m，在長度方向分為一個站房區(qū)域與兩個站臺區(qū)域兩個區(qū)段，檐口高度分別為29.7 m、22.6 m，站臺區(qū)域雨棚結(jié)構(gòu)如圖4所示，站房區(qū)域雨棚結(jié)構(gòu)如圖5所示。雨棚主結(jié)構(gòu)采用空間桁架體系，邊柱為格構(gòu)柱、中柱為實(shí)腹柱，中柱鋼管中均灌注混凝土，沿軌道方向柱距32.7 m。主梁采用空間三角形鋼管主桁架，邊、中柱間跨度22.7 m，中柱間跨度13.2 m。屋面檁條采用實(shí)腹H型鋼，邊檁條H550×250×10×16,中間檁條H550×200×10×14，跨度32.7 m。

圖4 站臺區(qū)雨棚示意圖

圖5 站房區(qū)雨棚示意圖

2 站房雨棚振動的現(xiàn)象

現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，該客站雨棚結(jié)構(gòu)在正線列車通過時發(fā)生振動。結(jié)構(gòu)振動時，主要振形表現(xiàn)為屋面檁條結(jié)構(gòu)的振動，檁條為連續(xù)檁條，雨棚懸挑端振動最為明顯，屋面檁條布置如圖4所示。振動時間方面，正線列車開始高速通過雨棚時，雨棚檁條開始振動，振動幅值在列車尾部離開雨棚時達(dá)到最大，檁條振動在列車離開雨棚后的幾十秒鐘（不大于1 min）后逐漸衰減停止。正線列車高速通過時，站臺并無明顯振動感。

2.1 現(xiàn)場實(shí)測振動位移

依據(jù)現(xiàn)場觀察到的雨棚振動狀況，由原設(shè)計(jì)院聯(lián)合高校結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室對雨棚的振動位移情況進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。測試的內(nèi)容主要為：雨棚不同位置在不同方向、不同編組形式正線列車通過雨棚時結(jié)構(gòu)振動的豎向位移，采用全站儀與高清數(shù)碼相機(jī)相結(jié)合的手段進(jìn)行測量。測點(diǎn)布置圖如圖6所示。某列車通過雨棚時檁條懸挑端的振動時程曲線如圖7所示。

圖6 雨棚振動位移測點(diǎn)布置圖

圖7 檁條懸挑端的振動時程曲線

對大量測試進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明編組越長、車速越快的列車通過雨棚時造成的雨棚振動現(xiàn)象越明顯，檁條結(jié)構(gòu)振幅越大。雨棚檁條結(jié)構(gòu)在振動時，振動最大的部位為雨棚懸挑端及其相鄰跨，其振動最大位移狀態(tài)如圖8所示。檁條結(jié)構(gòu)振動時，檁條懸挑端向上最大位移為29.0 mm，此時鄰跨跨中B點(diǎn)的向下位移為24.2 mm。同理，檁條懸挑端向下最大位移為24.8 mm，此時鄰跨跨中B點(diǎn)的向上位移為24.2 mm。依照此位移狀況，采用強(qiáng)迫位移法對檁條結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)檁條結(jié)構(gòu)最不利部位的應(yīng)力幅遠(yuǎn)小于該處的容許應(yīng)力幅，說明列車經(jīng)過時檁條結(jié)構(gòu)雖發(fā)生振動，但并未對結(jié)構(gòu)安全造成影響，滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

圖8 檁條振動位移示意圖

2.2 現(xiàn)場實(shí)測振動頻率

為了解雨棚檁條結(jié)構(gòu)的振動頻率狀況，進(jìn)行了檁條振動頻率的測試與分析。在雨棚檁條結(jié)構(gòu)上布置加速度傳感器，分別獲得列車經(jīng)過時檁條結(jié)構(gòu)振動的時域信號，通過快速傅立葉變換獲得其頻譜。由于振動測試測點(diǎn)較多，下面只選擇一個有典型性的測點(diǎn)進(jìn)行分析。該測點(diǎn)位于站臺雨棚部分邊緣處的檁條上。列車經(jīng)過時其振動的時域和頻域信號分別如圖9、10所示。

圖9 雨棚檁條結(jié)構(gòu)振動時域信號

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，檁條結(jié)構(gòu)振動現(xiàn)象中，可識別的頻率主要有1.46 Hz，1.95 Hz，2.33 Hz三個峰值，其中1.46 Hz頻率振動的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外兩個頻率的峰值，可以近似地認(rèn)為列車經(jīng)過時檁條結(jié)構(gòu)是以1.46 Hz的頻率振動。

圖10 列車風(fēng)致振動響應(yīng)頻譜分析

3 振動現(xiàn)象分析

3.1 振動現(xiàn)象的誘因分析

雨棚結(jié)構(gòu)的振動可能的誘因有兩種：1）列車通過時軌道的振動通過基礎(chǔ)傳遞到雨棚結(jié)構(gòu)上，造成檁條結(jié)構(gòu)的振動；2）列車高速通過雨棚時造成的氣壓變化對雨棚結(jié)構(gòu)形成激勵，引起振動。為確定雨棚振動現(xiàn)象的誘因，進(jìn)行了軌道層振動現(xiàn)場測試。

研究對象客站為房橋分離結(jié)構(gòu)體系，在橋梁結(jié)構(gòu)和站房結(jié)構(gòu)上都有列車通過。試驗(yàn)在車站試運(yùn)營期間進(jìn)行結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)測試，得到結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位在高速列車車致振動下的動力響應(yīng)，分析車速對振動響應(yīng)的影響，探索振動波在房橋分離結(jié)構(gòu)體系中的傳播路徑。試驗(yàn)在一條正線所在軌道梁的底面及其梁下支承柱表面，一條到發(fā)線所在軌道梁的底面及其梁下支承柱表面四個關(guān)鍵位置布置傳感器，每個位置布置豎向加速度傳感器和水平垂直于軌道方向加速度傳感器（如圖11所示），以獲得結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的加速度時程響應(yīng)曲線，獲得關(guān)鍵部位豎向和水平垂直于軌道方向車致振動響應(yīng)的加速度峰值。試驗(yàn)得到的主要結(jié)論有：1）正線通過列車所產(chǎn)生的振動波的傳播路徑為：振動經(jīng)橋梁結(jié)構(gòu)軌道梁往下傳遞至橋梁結(jié)構(gòu)支承柱、再沿場地土水平傳遞至鄰近站房結(jié)構(gòu)支承柱、再沿站房結(jié)構(gòu)支承柱往上傳遞至站房結(jié)構(gòu)軌道梁。振動波隨著傳播路徑逐漸衰減。2）橋梁結(jié)構(gòu)軌道梁豎直方向和水平垂直于軌道方向的主要振動頻率集中在25～250 Hz；站房結(jié)構(gòu)軌道梁豎直方向和水平垂直于軌道方向的主要振動頻率分別集中在80～250 Hz、8～160 Hz；橋梁結(jié)構(gòu)支承柱豎直方向和水平垂直于軌道方向的主要振動頻率分別集中在80～250 Hz、25～250 Hz；站房結(jié)構(gòu)支承柱豎直方向和水平垂直于軌道方向的主要振動頻率分別集中在40～250 Hz、80～250 Hz。車速對所有監(jiān)測結(jié)構(gòu)部位的主要振動頻率的影響不大。

圖11 加速度傳感器布置圖

由此振動實(shí)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，列車通過時橋梁結(jié)構(gòu)與站房結(jié)構(gòu)的梁柱振動頻率普遍處于8～250 Hz頻率較高，與檁條振動的頻率1.46 Hz相差較遠(yuǎn)，且由軌道傳來的振動到達(dá)站房結(jié)構(gòu)時已經(jīng)大為衰減，故可以判定雨棚檁條結(jié)構(gòu)的振動并非由軌道振動所致，而是由列車通過時造成的氣壓變化引起的。

3.2 振動類型的判別

確定了檁條結(jié)構(gòu)振動現(xiàn)象的誘因，是列車通過引起的氣壓變化，可以通過對比結(jié)構(gòu)的自振頻率與風(fēng)致振動的頻率來確定振動的類型，以便有針對性地制定振動控制方案。截取大氣脈動風(fēng)作用下雨棚檁條結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，這部分的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)可以認(rèn)為是白噪聲信號，可用于分析結(jié)構(gòu)自振頻率。仍然選擇與測試列車經(jīng)過時振動現(xiàn)象的相同測點(diǎn)，結(jié)構(gòu)振動的時域與頻域信號如圖12、13所示。

圖12 環(huán)境風(fēng)下雨棚結(jié)構(gòu)振動時域信號

圖13 環(huán)境風(fēng)下雨棚結(jié)構(gòu)振動頻域信號

由圖12、13可知，環(huán)境風(fēng)作用下，雨棚結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)較小，在頻譜分析中，頻率值能量幅值也較小。但由頻譜圖可知，結(jié)構(gòu)頻率主要分布在1.5～8 Hz范圍內(nèi)，可以判斷，結(jié)構(gòu)的自振頻率，第一階1.64 Hz（0.61 s），第二階2.20 Hz（0.45 s），第三階3.18 Hz（0.31 s），且這三個明顯峰值中，都大于列車風(fēng)致振動頻率1.46 Hz，因此可以判定列車風(fēng)致頻率為1.46 Hz，振動為受迫振動響應(yīng)而非自由振動。

3.3 計(jì)算分析結(jié)果

針對雨棚檁條結(jié)構(gòu)的振動現(xiàn)象，對于雨棚結(jié)構(gòu)又再次進(jìn)行了詳細(xì)的有限元分析，由于結(jié)構(gòu)振動主要發(fā)生在站臺雨棚部分，故僅以站臺雨棚為說明對象。采用整體雨棚模型與單根檁條模型兩種模型，分別對檁條結(jié)構(gòu)的動力性能進(jìn)行研究。

在單根檁條模型中，檁條與三角桁架相連接的檁托部位都被簡化為不動鉸支座，不考慮三角桁架本身位移對檁條振動的影響。單根檁條前10階振動頻率如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算周期均大大小于結(jié)構(gòu)實(shí)測的主要振動周期。與結(jié)構(gòu)實(shí)際振形最接近的為2、3階模態(tài)，如圖14、15所示，從圖中可以看出檁條懸挑端的振動均不明顯，與結(jié)構(gòu)實(shí)際振動情況不符。從單根檁條的模態(tài)分析結(jié)果可以看到，無論是自振周期，還是振形均與實(shí)際結(jié)構(gòu)有較大差別，這主要是由于模型將檁條的檁托支點(diǎn)簡化為固定鉸支座，未考慮三角桁架轉(zhuǎn)動對檁條結(jié)構(gòu)振動的影響，造成模型約束剛度過大，計(jì)算結(jié)果失真。

表1 雨棚結(jié)構(gòu)單根檁條模型振動模態(tài)

圖14 單根檁條模型第二階模態(tài)振形

圖15 單根檁條模型第三階模態(tài)振形

在整體模型中，結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)周期如表2所示。其中結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)振形為順軌向整體振形，非結(jié)構(gòu)振動中真實(shí)出現(xiàn)的振形，不做具體分析。結(jié)構(gòu)的第二、三階模態(tài)振形分別如圖16、17所示。均為檁條結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，其中第二階振形為實(shí)際振動中出現(xiàn)的振形。理論分析與現(xiàn)場實(shí)測相吻合，印證了彼此的正確性。計(jì)算得到第二階振形的周期為0.79 s（1.27 Hz），與現(xiàn)場實(shí)測的1.64 Hz（0.61 s）有一定差別，作者認(rèn)為主要是由于兩方面原因造成的：1）理論計(jì)算模型中未考慮屋面板與吊頂結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)，造成模態(tài)計(jì)算中結(jié)構(gòu)剛度偏低；2）計(jì)算模型中所取的屋面結(jié)構(gòu)恒載偏大，造成模態(tài)計(jì)算中結(jié)構(gòu)質(zhì)量偏大，兩者共同作用造成了模態(tài)周期延長、頻率偏小的結(jié)果，但總體上講，理論分析與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果是一致的。

表2 雨棚結(jié)構(gòu)整體模型屋面振動模態(tài)

圖16 結(jié)構(gòu)第二階模態(tài)振形

圖17 結(jié)構(gòu)第三階模態(tài)振形

由兩個模型對于結(jié)構(gòu)動力性能的分析可以看出，盡管整體模型的模態(tài)分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果仍有一定偏差，但總體上與實(shí)測結(jié)果相符；而單根檁條模型的分析結(jié)果卻與施加結(jié)果有很大出入。

桿件受力性能方面，雨棚各種桿件應(yīng)力比如表3所示?？梢娊Y(jié)構(gòu)的原設(shè)計(jì)分析是符合規(guī)范要求規(guī)定的，可以保證結(jié)構(gòu)的安全與正常使用。

表3 站臺區(qū)雨棚結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大應(yīng)力分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

時速300 km或以上的列車，在我國屬于新生事物，符合既有規(guī)范設(shè)計(jì)要求的雨棚結(jié)構(gòu)，并不能保證其在列車經(jīng)過時不發(fā)生可視振動。因而有高速鐵路通過的站臺雨棚結(jié)構(gòu)宜考慮列車風(fēng)造成的影響，進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。本文詳細(xì)研究了東部高鐵沿線某橋式站雨棚結(jié)構(gòu)在高速列車作用下結(jié)構(gòu)的振動現(xiàn)象，得出以下結(jié)論：

1）文中所研究站臺雨棚結(jié)構(gòu)的振動系高速列車經(jīng)過造成雨棚附近氣壓變化引起的檁條結(jié)構(gòu)的受迫振動，主結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯振動。

2）文中所研究站臺雨棚檁條結(jié)構(gòu)雖然在列車風(fēng)的作用下發(fā)生可視振動，但經(jīng)過疲勞驗(yàn)算后發(fā)現(xiàn)，振動造成的應(yīng)力幅遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力幅，對結(jié)構(gòu)的安全沒有影響。

3）高速列車經(jīng)過產(chǎn)生的列車風(fēng)可能造成雨棚結(jié)構(gòu)的振動，須在設(shè)計(jì)過程中予以考慮，盡量避免。對于有高速鐵路通過的低矮（檐口距軌頂高度不大于10 m）無柱雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提出建議如下：

（1）雨棚結(jié)構(gòu)振動的主要成分是檁條結(jié)構(gòu)的振動，因而檁條結(jié)構(gòu)須具有必要的剛度，檁條的跨高比不宜過大。

（2）三角桁架抗扭剛度有限，在檁條振動過程中，三角桁架同時也產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)振動，分析時不能簡單地將檁條結(jié)構(gòu)的檁托節(jié)點(diǎn)簡化為剛性鉸支座，而應(yīng)該采用同時包含桁架主結(jié)構(gòu)與檁條結(jié)構(gòu)的整體模型進(jìn)行分析計(jì)算。