運(yùn)營列車對旅客天橋結(jié)構(gòu)風(fēng)動影響的思考

桓玉柱

（南昌鐵路局工程質(zhì)量監(jiān)督站,江西 南昌 330002）

0 引言

高速鐵路客站建設(shè)中的跨正線旅客天橋，不僅需要解決旅客乘降列車的方便問題，為旅客提供舒適的上下車通道環(huán)境，還與鐵路運(yùn)營的安全緊密相關(guān)。為此，需要充分考慮運(yùn)營列車對旅客天橋結(jié)構(gòu)風(fēng)動的影響，并根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。

1 風(fēng)動對旅客天橋結(jié)構(gòu)的影響

目前全路高鐵運(yùn)營里程已超過4萬km，旅客站房進(jìn)站天橋基本上跨既有線路，且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全等級為一級。在兩列動車按設(shè)計(jì)速度350 km/h在區(qū)間站鄰線通過時(shí)，會對上跨正線天橋產(chǎn)生共振頻率，長期受此振幅影響，需對天橋結(jié)構(gòu)的安全性、可靠度、舒適度進(jìn)行分析，以確保高鐵運(yùn)營安全及旅客舒適度符合要求[1-2]。

2 現(xiàn)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求

鐵路旅客天橋因考慮安裝便捷基本采用鋼結(jié)構(gòu)，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017—2017）中僅要求對直接承受動力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞計(jì)算，對于高鐵通過的風(fēng)動效應(yīng)間接作用在鋼結(jié)構(gòu)上的影響，則沒有相關(guān)疲勞驗(yàn)算規(guī)定?！冻鞘腥诵刑鞓蚺c人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69—2010）規(guī)定人行天橋的上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不小于3 Hz時(shí)才能滿足行人舒適度的要求，《鐵路旅客車站設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10100—2018）第7.9.3條規(guī)定“旅客天橋跨越正線時(shí)應(yīng)考慮列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動和風(fēng)壓對結(jié)構(gòu)舒適度的影響”。因此，目前現(xiàn)有的規(guī)范要么沒有鋼結(jié)構(gòu)的疲勞及共振影響方面的規(guī)定，要么對旅客天橋的風(fēng)動效應(yīng)僅是定性的要求，沒有明確具體的控制數(shù)量及技術(shù)參數(shù)。從設(shè)計(jì)到施工，針對旅客天橋因風(fēng)動效應(yīng)導(dǎo)致的最不利結(jié)構(gòu)影響無法進(jìn)行質(zhì)量源頭控制，亟待進(jìn)行相關(guān)研究并確定現(xiàn)階段最有效可行的保障措施，消除可能存在的運(yùn)營安全隱患。

3 旅客天橋的安全性、可靠度及舒適度分析

由于現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有對旅客天橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞驗(yàn)算的要求，但鐵路旅客天橋在設(shè)計(jì)100年壽命期內(nèi)需反復(fù)承受列車交會導(dǎo)致的風(fēng)動荷載，根據(jù)鐵路行業(yè)特點(diǎn)及實(shí)際工況，為確保行車安全，需認(rèn)真對待，該文因條件所限，無法針對風(fēng)振導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞進(jìn)行深入研究，現(xiàn)重點(diǎn)圍繞天橋的結(jié)構(gòu)可靠度及舒適度進(jìn)行分析和探討。為此，筆者以九景衢鐵路景德鎮(zhèn)北站的跨線天橋?yàn)槔?，采用有限元軟件SAP2000 V17.3.0來核算該天橋的結(jié)構(gòu)撓度及自振頻率是否符合要求，從而驗(yàn)算風(fēng)振對結(jié)構(gòu)可靠度及舒適度影響。

3.1 工程概況

景德鎮(zhèn)北站跨線天橋位于景德鎮(zhèn)市。該天橋最大跨度為27.200 m，寬10.800 m。其抗震設(shè)防類別：丙類；抗震等級：四級；建筑結(jié)構(gòu)安全等級：二級；重要性系數(shù)：γ0＝1.0；設(shè)計(jì)使用年限：50年。天橋采用桁架形式，通過成品鉸支座落于混凝土圓柱上，縱向主梁為站臺雨棚混凝土梁，其下為混凝土圓柱，天橋兩側(cè)桁架上下弦桿及腹桿均采用焊接H型鋼，天橋屋面、樓面的斜撐采用圓鋼管，天橋兩側(cè)結(jié)構(gòu)為鋼梯和罩棚結(jié)構(gòu)。

3.2 計(jì)算模型

鋼結(jié)構(gòu)有限元分析采用整體三維模型，其中罩棚鋼梁下端和站臺雨棚混凝土梁連接的鋼梁一端采用單向滑動鉸支座模擬，而實(shí)際設(shè)計(jì)中采用的是單向滑動節(jié)點(diǎn)做法。

3.3 荷載

3.3.1 天橋荷載

（1）天橋恒載：屋面恒載：6.7 kN/m2；樓面恒載：5.0 kN/m2（考慮屋面樓面混凝土及建筑做法荷載）。

（2）天橋活載：屋面活載：0.5 kN/m2；樓面活載：3.5 kN/m2。

3.3.2 荷載效應(yīng)組合

（1）承載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合：

1）無地震作用。表1為無地震作用載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合。

表1 無地震作用載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合

2）有地震組合。表2為有地震參與組合的承載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合。

表2 有地震參與組合的承載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合

（2）正常使用極限狀態(tài)荷載組合。表3為正常使用極限狀態(tài)荷載組合。

表3 正常使用極限狀態(tài)荷載組合

3.4 構(gòu)件內(nèi)力和變形

該工程鋼結(jié)構(gòu)及總裝結(jié)構(gòu)分別采用由美國CSI（Computers&Structures,Inc.）公司開發(fā)的商用有限元軟件SAP2000 V17.3.0。

3.4.1 控制指標(biāo)

（1）變形控制指標(biāo)。鋼梁撓度為L/400（懸臂梁為L/200）；天橋部分主梁撓度為L/600；鋼柱柱頂位移為H/150。

（3）應(yīng)力指標(biāo)。桿件主梁最大組合設(shè)計(jì)應(yīng)力不大于0.85f（f為鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度）。

3.4.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

結(jié)論：

（1）梁柱的應(yīng)力比基本在0.3~0.8之間。

（2）梁柱的設(shè)計(jì)以豎向荷載組合為控制工況。

3.4.3 結(jié)構(gòu)變形分析

正常使用狀態(tài)下，天橋結(jié)構(gòu)件最大位移值如下:

（1）恒+活作用下天橋各結(jié)構(gòu)件的最大撓度：

1）恒+活作用下天橋桁架上下弦的最大撓度：

左跨上弦：26 mm 跨度為27.2 m，f/L=26/27 200<1/600，滿足規(guī)范要求。

左跨下弦：26 mm跨度為27.2 m，f/L=26/27 200<1/600，滿足規(guī)范要求。

右跨上弦：16 mm跨度為22.95 m，f/L=16/22 950<1/600，滿足規(guī)范要求。

右跨下弦：16 mm跨度為22.95 m，f/L=16/22 950<1/600，滿足規(guī)范要求。

2）恒+活作用下天橋屋面次梁的最大撓度：

53 mm跨度為10.8 m，f/L=53/10 800<1/200，滿足規(guī)范要求。

3）恒+活作用下天橋樓面次梁的最大撓度：

42 mm 跨度為10.8 m，f/L=42/10 800<1/200，滿足規(guī)范要求。

（2）振動頻率計(jì)算結(jié)果為8.35 Hz。

3.5 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，景德鎮(zhèn)北站旅客天橋正常荷載作用下所有結(jié)構(gòu)撓度變形值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，天橋出現(xiàn)豎向振動時(shí)的最大頻率為8.35 Hz，大于《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69—2010）中關(guān)于人行天橋的上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不宜小于3 Hz的要求，列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動和風(fēng)壓滿足《鐵路旅客車站設(shè)計(jì)規(guī)范》中行人舒適度的要求。因此，景德鎮(zhèn)北站旅客天橋結(jié)構(gòu)可靠度及舒適度符合現(xiàn)有規(guī)范要求，同時(shí)，通過采取以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施來減少列車通過并交會導(dǎo)致的風(fēng)動影響，從而避免結(jié)構(gòu)疲勞產(chǎn)生質(zhì)量安全隱患。

（1）通過選用合適結(jié)構(gòu)形式來減少風(fēng)動效應(yīng)。天橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用桁架形式來替代梁式天橋，增加天橋的豎向剛度，減小列車通過時(shí)對天橋的振動影響。

（2）通過大空間減少氣流阻隔來減少風(fēng)動效應(yīng)。結(jié)構(gòu)及建筑定案過程中，在滿足行人及接觸網(wǎng)通過等各項(xiàng)指標(biāo)的前提下，盡量提高天橋底部標(biāo)高，以減小風(fēng)動荷載。

（3）通過天橋支座彈性來減少風(fēng)動效應(yīng)。采用成品鉸支座替代橡膠支座，增加支座的豎向剛度以減小支座位置的豎向振動，從而降低因列車通過產(chǎn)生的風(fēng)動對天橋結(jié)構(gòu)的影響。

（4）通過合理構(gòu)造來減少風(fēng)動效應(yīng)。天橋設(shè)計(jì)過程中應(yīng)嚴(yán)格采用天橋上下弦桿通長且連續(xù)的做法，即使列車通過對該跨天橋產(chǎn)生影響，也可以使振動及變形向鄰跨部分轉(zhuǎn)移，以抵消列車通過帶來的部分負(fù)面影響。

4 質(zhì)量控制要點(diǎn)

旅客天橋上跨既有線且結(jié)構(gòu)耐久性要滿足100年使用期，必須加強(qiáng)質(zhì)量控制，從結(jié)構(gòu)材料選用到現(xiàn)場拼裝均要嚴(yán)格把控，關(guān)鍵部位及關(guān)鍵工序需進(jìn)行過程旁站，現(xiàn)場作業(yè)要嚴(yán)格執(zhí)行“三檢”制度。一是宜選用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋼材及匹配焊材，從材質(zhì)源頭上提高結(jié)構(gòu)抗疲勞性能，進(jìn)場進(jìn)行抽樣復(fù)驗(yàn)，鋼材含碳量及其他指標(biāo)必須符合規(guī)范要求；二是減少桿件接頭數(shù)量，弦桿應(yīng)通長下料，主弦桿禁止拼接，主要受力部位宜采用高強(qiáng)螺栓連接；三是加強(qiáng)焊接質(zhì)量控制，施焊前必須進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，焊工必須持有特殊工種上崗證并培訓(xùn)合格，禁止雨天及大風(fēng)天進(jìn)行焊接作業(yè)，所有焊縫應(yīng)進(jìn)行100%無損探傷檢測，合格后才能進(jìn)入下道工序；四是鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量控制，現(xiàn)場應(yīng)分層進(jìn)行涂裝，防腐涂料應(yīng)進(jìn)行涂層附著力現(xiàn)場抽樣檢驗(yàn)，涂層漆膜厚度應(yīng)分層抽測；五是結(jié)構(gòu)安裝幾何尺寸及水平、垂直度偏差控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，桿件交匯軸線偏移應(yīng)控制在±2 mm以內(nèi)，支座安裝偏差應(yīng)不超過±10 mm。

5 建議措施

目前，九景衢鐵路自2017年開通至今景德鎮(zhèn)北站旅客天橋已正常使用5年，根據(jù)景德鎮(zhèn)北站旅客天橋的結(jié)構(gòu)形式及核算結(jié)果，建議在高鐵旅客天橋設(shè)計(jì)時(shí)可參照該站結(jié)構(gòu)形式，通過構(gòu)造措施的合理設(shè)置來減少列車通過時(shí)風(fēng)動效應(yīng)對天橋結(jié)構(gòu)的不利影響，并嚴(yán)格進(jìn)行旅客天橋現(xiàn)場施作質(zhì)量控制，加強(qiáng)關(guān)鍵部位及關(guān)鍵工序施作質(zhì)量的管控，加強(qiáng)施作過程的質(zhì)量驗(yàn)收環(huán)節(jié)，確保從設(shè)計(jì)到施工均能滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

6 結(jié)語

綜上所述，高鐵運(yùn)營安全是一切工作的重點(diǎn)，涉及既有線的部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)檢算指標(biāo)參照地方公路、市政等標(biāo)準(zhǔn)仍有需要改進(jìn)的地方。針對涉及運(yùn)營安全的旅客天橋，建議選用現(xiàn)行具有代表性的旅客天橋結(jié)構(gòu)形式來建模進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，模擬高鐵以350 km/h設(shè)計(jì)速度在區(qū)間站交會通過時(shí)最不利工況對旅客天橋產(chǎn)生的風(fēng)動影響值，可以依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞等安全性驗(yàn)算，從而在天橋設(shè)計(jì)時(shí)可以有的放矢，選擇最佳結(jié)構(gòu)形式，確保高鐵運(yùn)營安全及旅客舒適度。