地下高鐵站列車氣動荷載特性試驗研究

柳潤東，邢 星，潘永琛，劉蘭華，李晏良

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

0 引言

在現(xiàn)代城市空間建設(shè)過程中，地下空間的開發(fā)與利用十分重要，伴隨我國高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，地下高鐵站的應(yīng)用案例也越來越多。我國目前已經(jīng)建成多座地下高鐵站，如深圳福田站、天津于家堡站、成都雙流機場站、八達嶺長城站、北京新機場站、長沙樹木嶺站、海口美蘭站等。高速列車通過地下高鐵站時與高速列車進入隧道的氣動效應(yīng)有一定的相似性，會在車站內(nèi)產(chǎn)生空氣壓力波，這種壓力波動相當于氣動荷載作用在襯砌結(jié)構(gòu)和車站內(nèi)各種設(shè)備上，對其疲勞耐久性產(chǎn)生影響。列車氣動荷載對隧道與地下車站內(nèi)的環(huán)境及運營安全有著重要的影響。列車風不但會將區(qū)間隧道中的大量空氣帶到前一地下車站，而且還能將后面地下車站內(nèi)的大量空氣吸到區(qū)間隧道中，從而對地下車站的氣動環(huán)境產(chǎn)生影響；在地下高鐵站內(nèi)，通過列車的車速高，列車氣動荷載也會相當明顯。當列車在梁板結(jié)構(gòu)地下站場運行時，對旅客和站場結(jié)構(gòu)的氣動力一般比明線過站時氣動力高一個量級以上，并且存在壓縮波與膨脹波的交叉?zhèn)鞑?、反射，疊加后的沖擊壓力荷載對砌體隔墻等車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響更大，列車風致振動在結(jié)構(gòu)整體振動響應(yīng)所占的比例變得越來越高。

列車從區(qū)間隧道高速駛?cè)氲叵萝囌緯r，由于對隧道內(nèi)空氣的擠壓，在隧道與車站的交界面處會形成微氣壓波，此氣動效應(yīng)既不同于明線運行工況，也不同于隧道洞口工況，與隧道活塞風井設(shè)置、隧道-車站過渡段結(jié)構(gòu)設(shè)計、列車車型、車速等因素密切相關(guān)，雖然國內(nèi)對隧道微氣壓波進行了大量研究，但對地下高鐵站的研究成果較為匱乏。

國外方面，日本學者最早利用一維假設(shè)建立了隧道壓力波的一維流動理論和特征線求解方法。MIYA‐CHI T 等[1]通過列車動模型試驗研究了列車通過隧道時的微氣壓波特性及減緩列車微氣壓波的工程措施；KU Y C 等[2]研究了列車鼻錐形狀與微氣壓之間的關(guān)系，認為列車外形截面的優(yōu)化可以降低對隧道及地下結(jié)構(gòu)的氣動效應(yīng)。國內(nèi)近年來在地下高鐵站氣動效應(yīng)領(lǐng)域開展了一定的研究，顏峰等[3]通過仿真分析等手段對北京大興機場站的振動響應(yīng)進行了分析研究，重點研究了列車輪軌激勵振動和風致振動各自造成的振動影響，研究結(jié)果表明，當列車高速通過梁板結(jié)構(gòu)地下站場形式的封閉空間時，列車風致振動誘發(fā)的結(jié)構(gòu)物振動響應(yīng)明顯；馬福東等[4]對京張高速鐵路八達嶺站的氣動效應(yīng)進行了模擬分析，對車站站臺的安全門設(shè)置退臺距離及站內(nèi)各通道之間的影響進行了分析討論，對列車通過地下高鐵站誘發(fā)站內(nèi)氣動效應(yīng)的不同階段進行了研究；李科等[5]對北京城際聯(lián)絡(luò)線車站的氣動效應(yīng)進行了研究，通過對比門體退臺安裝距離分析了列車氣動荷載特性對車站結(jié)構(gòu)物的影響，認為基于列車氣動效設(shè)置合理的站臺門退臺距離應(yīng)成為地下車站的一項研究內(nèi)容；韓華軒等[6]對地下車站及連接隧道綜合形成的站內(nèi)壓力波動進行了研究分析，認為地下車站結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是擴大斷面的隧道結(jié)構(gòu)，隧道長度對車站內(nèi)瞬變壓力的氣動效應(yīng)是不容忽視的。

地下高鐵站由于空間相對密閉，列車高速通過時，車頭車尾攜帶的4 個壓力波直接作用于臨軌道砌體墻表面，并在極短時間內(nèi)發(fā)生2 次壓力換向；為緩解車站活塞風效應(yīng)，在站臺兩側(cè)通常設(shè)置了活塞風井，列車產(chǎn)生的微氣壓波及自身攜帶的風壓通過活塞風井同樣直接作用到上層砌體墻表面；地下車站通常還在站臺設(shè)置屏蔽門，在列車氣動荷載及振動反復(fù)作用下，結(jié)構(gòu)物可能產(chǎn)生裂縫及晃動，但目前對地下高鐵站內(nèi)的列車氣動荷載作用特性及分布規(guī)律并不明晰，本文結(jié)合現(xiàn)場試驗開展了地下高鐵站內(nèi)列車氣動荷載特性的試驗研究。

1 試驗測試概況

1.1 測試車站簡介

測試車站是某城際鐵路的一個地下車站，屬于區(qū)間地下車站，總建筑面積26 918.8 m2，站臺采用全封閉屏蔽門結(jié)構(gòu)，在站臺兩端設(shè)有2 處活塞風井，其隧道-車站過渡斷面截面變化明顯，在此斷面可同時測試隧道壁面與車站結(jié)構(gòu)壁面上同高度位置處的列車風壓值，獲得列車氣動荷載在隧道-車站突擴斷面處的變化規(guī)律，其活塞風井設(shè)置在2 條軌道線中間，相當于在列車側(cè)面進行了活塞風泄壓，其屏蔽門設(shè)置在車站結(jié)構(gòu)柱外側(cè)，結(jié)構(gòu)柱的存在會影響列車的氣動荷載分布特性，由于屏蔽門是整體貫通的，結(jié)構(gòu)柱的存在有可能導(dǎo)致屏蔽門表面的列車風壓發(fā)生變化。該車站主要測點位置如圖1所示。

圖1 車站測點位置

1.2 測試方法

通過便攜式打磨機對粘貼風壓傳感器安裝位置進行打磨，打磨尺寸不小于8 cm×4 cm，形成光滑平面，安裝好風壓傳感器，通過設(shè)置觸發(fā)參數(shù)自動獲取列車通過時的風壓信號。

1.3 測試概況

列車氣動荷載測試主要目的是得到隧道-車站典型結(jié)構(gòu)物表面的列車風壓特性，主要包括隧道-車站交界面處列車風壓特性、正線軌旁砌體隔墻表面列車風壓特性及正線屏蔽門表面列車風壓特性。同時，結(jié)合車站結(jié)構(gòu)設(shè)計、典型結(jié)構(gòu)物分布及振動源強測點進行測試點位選取。由于列車進入車站與離開車站對站內(nèi)結(jié)構(gòu)物所產(chǎn)生的氣動荷載并不明晰，故需對車站兩側(cè)軌旁砌體墻、隧道壁均進行測試，測試工況如表1所示。

表1 列車風壓測試內(nèi)容

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 列車風壓時域特性

沿地下高鐵車站，在隧道壁表面、進站砌體墻表面、屏蔽門立柱、站臺結(jié)構(gòu)柱及出站砌體墻表面布設(shè)了風壓傳感器，測試列車進站對結(jié)構(gòu)表面形成的氣動荷載特性，分別得出不同測點位置處的典型風壓時程曲線，如圖2所示。

由圖2 可知，在測點位置處，捕捉到了2 個列車的氣動沖擊信號，其中后一波為列車車體所攜帶的膨脹波及壓縮波的作用結(jié)果，而在列車到達測點位置之前，已經(jīng)出現(xiàn)一個先正壓后負壓的壓力變化信號，根據(jù)列車運行速度及2 個氣動沖擊信號出現(xiàn)的時間差計算可知，第一個壓力信號出現(xiàn)的時刻，基本與列車進入隧道洞口的時刻較為接近。由此可知，當列車由明線運行至進入隧道區(qū)間的瞬間，在隧道入口形成的壓縮波及列車車尾進入隧道瞬間形成的膨脹波，將會以聲速向前傳播至測試斷面，形成第一段風壓信號即列車微氣壓波信號，隨著列車繼續(xù)前進至測點附近，車身所攜帶的壓力波作用在風壓傳感器表面形成車身風壓主信號，其中，微氣壓波信號為先正壓后負壓，正壓值大于負壓值，而列車風壓信號頭車正壓基本不明顯，呈現(xiàn)頭車信號負壓、尾車信號先負壓后正壓的變化趨勢，頭車負壓作用形成的壓力絕對值最大。

圖2 結(jié)構(gòu)物表面列車風壓時程曲線

出站砌體墻與進站砌體墻列車風壓的波形結(jié)構(gòu)較為接近，首先采集到了列車在遠端進入隧道時產(chǎn)生的微氣壓的沖擊作用，峰值約50 Pa 左右，已經(jīng)小于隧道壁表面及進站砌體墻表面的微氣壓波峰值，證明在進站端活塞風井及車站結(jié)構(gòu)變化的影響下，該微氣壓波的能量是逐漸衰減的，出站端砌體墻列車車身風壓的波形結(jié)構(gòu)則與進站端有一點明顯的區(qū)別，即列車到達測點位置之前，列車風壓已經(jīng)傳遞到測點位置，隨后列車車體經(jīng)過測點時，再形成車身所攜帶的“正-負-負-正”的壓力波變化規(guī)律，在車體到達出站端測點位置之前的列車風壓波形是由于列車從隧道進入車站的過渡斷面截面形式突變形成的活塞效應(yīng)所導(dǎo)致。

2.2 地下車站列車風壓極值

提取出不同斷面處的風壓極值，如圖3 所示。在列車通過整個車站的過程中，最大正壓為143.1 Pa、出現(xiàn)在出站砌體墻0.5 m 高度位置處，負壓極值為-265.3 Pa、出現(xiàn)在隧道壁表面，而地下車站內(nèi)的負壓極值為-252.3 Pa，同樣出現(xiàn)在出站砌體墻0.5 m 高度位置處。由此可知，列車通過地下車站時，列車風壓峰值出現(xiàn)在車站兩端，隧道壁表面風壓由于其阻塞比較大，故風壓絕對值最大，出隧道后，經(jīng)過活塞風井墻斷面時，列車風壓迅速降低，在進站端砌體墻表面的列車風壓處于較低水平，說明活塞風井有效減緩了列車的氣動效應(yīng)，但隨著列車進入站臺區(qū)域，風壓值卻逐漸增大，屏蔽門及結(jié)構(gòu)柱表面風壓極值在170~190 Pa區(qū)間范圍，在出站砌體墻表面區(qū)域，列車風壓接近隧道壁表面的風壓值。

圖3 地下高鐵站列車風壓分布

2.3 地下車站列車氣動荷載分析

對高速列車從突入隧道至進入車站再出站這一全過程分析可知，站內(nèi)壓力波動的原因如下。

（1）由首波引起的站內(nèi)壓力波動。在列車突入隧道時，列車前面的空氣將受到突然相對劇烈壓縮，在車頭前方會形成一個壓縮波，即首波壓縮波。當列車尾端進入隧道時，產(chǎn)生膨脹波并沿環(huán)狀空間傳播，加速環(huán)狀空間氣流向后運動，該膨脹波即首波車尾膨脹波。上述首波壓縮波和首波車尾膨脹波以聲速先后由隧道傳至地下車站，會引起站內(nèi)氣壓有一個先上升再下降的波動。此壓縮及膨脹波能量小于車身所攜帶的壓力波能量，幅值約為車身壓力波的1/3左右。

（2）由列車進站引起的站內(nèi)壓力波動。高速列車經(jīng)過隧道內(nèi)某固定位置時，該位置的壓力將有一個急劇降低的過程，這一過程直到列車車尾經(jīng)過后才有所回升。當列車從隧道-車站過渡斷面駛出后會經(jīng)過活塞風井墻斷面，此斷面截面積遠大于車后方隧道斷面及車前方的站臺斷面，活塞風井的存在對列車氣動荷載起到了減緩作用，故進站砌體墻表面的列車風壓小于其他位置。

（3）由列車通過車站引起的站內(nèi)壓力波動。列車通過活塞風井斷面后再進入車站站臺區(qū)間，在此過程中發(fā)生了類似列車進入隧道洞口的氣動效應(yīng)，并導(dǎo)致出站端的結(jié)構(gòu)物表面承受二次微氣壓波作用。列車車身通過結(jié)構(gòu)物時，車頭車尾攜帶的壓力波作用在結(jié)構(gòu)物表面，形成整個過程中的列車風壓正負極值，并且出站端結(jié)構(gòu)表面的列車風壓略大于進站端，根據(jù)測試及仿真結(jié)果可知，整個過程中的最大風壓極值發(fā)生在出站端，且在出站活塞風井之前的區(qū)域處。

（4）由出站反射波引起的站內(nèi)壓力波動。列車駛出車站的過程中，隨著列車通過活塞風井墻斷面，并進入隧道區(qū)間的整個過程，列車產(chǎn)生的壓力波主要向前方傳播，但也會帶動后方車站內(nèi)的氣流向前，對整個車站形成負壓作用，引發(fā)結(jié)構(gòu)物表面的壓力波動，但此壓力波能量相對較小。

3 結(jié)論

（1）列車由明線進入隧道時，在列車前部形成壓縮波并以聲速傳播至前方地下車站形成微氣壓波，車身通過測點位置時產(chǎn)生正-負-負-正的氣動效應(yīng)，并在短時間內(nèi)發(fā)生換向。

（2）地下車站微氣壓波極值遠小于列車自身攜帶的氣動荷載，活塞風井可有效降低進站端砌體墻及站臺屏蔽門表面的列車風壓。

（3）車站出站端結(jié)構(gòu)表面的氣動荷載明顯大于進站端，即正線通過的列車在進入地下高鐵站站臺區(qū)域時形成了新的活塞效應(yīng)。