趙陽(yáng)陽(yáng)，郭薇薇，高芒芒

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

隨著城市軌道交通的發(fā)展，一種新的結(jié)構(gòu)形式——高架車站應(yīng)運(yùn)而生。高架車站既不是單一的房屋結(jié)構(gòu)，也不是單一的橋梁結(jié)構(gòu)，而是一種橋梁和房建相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。與傳統(tǒng)的地面車站相比，高架車站配合高架線路能顯著地減少占地面積，特別適合于土地資源緊張的城市交通系統(tǒng)，這也是高架車站能在城市軌道交通中得到迅速發(fā)展的原因之一。并且與地下軌道交通系統(tǒng)相比，高架交通的建設(shè)成本較低，施工周期短。

新建鐵路南京南站作為京滬高速鐵路的五大始發(fā)站之一，采用了典型的建、橋合一的高架結(jié)構(gòu)形式。然而，由于其站房結(jié)構(gòu)通過豎向支撐與站臺(tái)層聯(lián)系起來，列車通過車站時(shí)所引起的振動(dòng)會(huì)通過豎向支撐傳遞到上部結(jié)構(gòu)，就有可能引起車站結(jié)構(gòu)的安全性或旅客的舒適性問題;因此很有必要對(duì)站房結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力特性進(jìn)行研究，以確保結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全性以及乘客的人體舒適性。本文建立了南京南站站房結(jié)構(gòu)的有限元模型，并通過分析其自振特性和列車過站時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)兩個(gè)方面對(duì)南京南站的整體動(dòng)力特性進(jìn)行了考察。

1 工程概況

南京南站位于南京市南部，主城區(qū)和江寧開發(fā)區(qū)、東山新區(qū)之間，由寧溧路、機(jī)場(chǎng)高速、繞城公路、秦淮新河等圍合的區(qū)域，距南京市市中心約10.5 km。車站客運(yùn)用房面積約6萬m2，總設(shè)計(jì)規(guī)模15站臺(tái)28線。其中高速場(chǎng)到發(fā)線10條，滬漢蓉寧杭場(chǎng)到發(fā)線12條，寧安場(chǎng)6條，基本站臺(tái)2座，中間站臺(tái)13座，站臺(tái)長(zhǎng)度均為450 m。南京南站工程建筑總面積64.4萬m2，主要由站房、無站臺(tái)柱雨棚、配套市政工程和地鐵組成。其中，主站房面積28.1萬m2;無站臺(tái)柱雨棚面積10.6萬m2;配套市政工程面積20.4萬 m2;地鐵面積5.2萬m2。

圖1 南京南站鳥瞰

南京南站整體建筑包括地上三層(含兩個(gè)夾層)、地下一層以及局部地下二層(圖1)。主站房地下室采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土樓蓋，按100年設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主站房首層采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其中部分框架梁內(nèi)增加鋼骨，鋼筋混凝土樓蓋，利用正線橋及防震縫將本層分為七個(gè)部分，其中最大塊為168 m×83.8 m，乘軌部分最大塊為156 m×48.6 m，按100年設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。候車層采用鋼管混凝土柱與鋼桁架、鋼梁組成的結(jié)構(gòu)體系，樓蓋為閉口式鋼承板與鋼筋混凝土構(gòu)成的組合樓板，采用樓面梁加牛腿及滑動(dòng)支座方式，將樓面分成三塊，每段之間用鉸接連接，南北向可滑動(dòng)，東西向不可滑動(dòng)，其中最大塊為125 m×156 m，按50年設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。屋蓋采用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屋面板采用輕質(zhì)鍍鋅鋼板夾芯板，平面尺寸為216 m×458 m。考慮到溫度應(yīng)力的影響，屋面與柱頂連接采用可變位的滑動(dòng)支座，按50年設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 有限元模型的建立

圖2 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型

圖3 乘軌層局部放大

本文應(yīng)用有限元軟件 Midas/Civil建立了南京南站站房結(jié)構(gòu)的三維整體模型(圖2)，其中P、J、D三條線分別代表京滬場(chǎng)正線橋、滬漢蓉場(chǎng)正線橋、寧安城際場(chǎng)正線橋。地下室部分，柱和框架結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?、樓板和剪力墻結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，地下室頂板在正線橋附近預(yù)留部分0.6 m的結(jié)構(gòu)縫，但整個(gè)樓板在地鐵區(qū)域完全聯(lián)通。主站房首層(乘軌層)，鋼筋混凝土柱與框架結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M(圖3)，其中部分框架梁和直接承托列車荷載的軌道梁采用組合材料的梁?jiǎn)卧?。正線橋的梁部和鋼臂墩采用板單元，活動(dòng)墩采用梁?jiǎn)卧M，梁部橫截面的截面形式根據(jù)板單元的厚度變化來模擬，并計(jì)入了由二期恒載換算成的重度(130 kN/m3)。候車層桁架結(jié)構(gòu)采用桁架單元，柱和鋼梁部分采用梁?jiǎn)卧M(圖4)，柱與桁架剛接，鋼梁與桁架的連接處釋放梁端約束，同樣通過釋放梁端約束的方式將分開的三部分樓面進(jìn)行鉸接。夾層部分，框架結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧瑯前宀捎冒鍐卧M。頂層部分，柱和屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M(圖5)，網(wǎng)架與柱連接處進(jìn)行鉸接，網(wǎng)架梁?jiǎn)卧g進(jìn)行鉸接。材料均假設(shè)為彈性，鋼材和混凝土的密度、重量以及強(qiáng)度均按照規(guī)范選取，各部分構(gòu)件的材料特性見表1。

圖4 候車層鋼桁架局部放大

圖5 屋蓋結(jié)構(gòu)局部放大

表1 模型構(gòu)件的材料特性

另外，在工程實(shí)際設(shè)計(jì)與施工中，由于乘軌層頂板梁需要滿足鐵路客運(yùn)列車到、發(fā)站使用功能的要求和軌道平順度及穩(wěn)定性要求，三條正線橋與到、發(fā)線是完全脫開的。但是在實(shí)際的檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，正線橋發(fā)生振動(dòng)(比如列車過橋)時(shí)對(duì)乘軌層還是有一定的影響，這說明正線橋與到、發(fā)線之間沒有完全脫開?？紤]到正線橋與到、發(fā)線之間的間隙非常小，究其原因可能有兩個(gè):一是施工誤差導(dǎo)致兩者之間有接觸;二是有雜物落入兩者之間的空隙中使之產(chǎn)生連接效應(yīng)。為模擬這種狀況，模型中將正線橋橋面板與乘軌層框架梁之間用多個(gè)剛臂進(jìn)行連接，見圖6。

圖6 乘軌層與正線橋連接局部放大

3 自振特性分析

由于車站結(jié)構(gòu)復(fù)雜，桿件數(shù)量龐大，為充分考察結(jié)構(gòu)各部分的振動(dòng)狀態(tài)，利用建立的有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)前500階振型進(jìn)行計(jì)算分析，部分見表2。

表2 屋蓋、候車層、乘軌層結(jié)構(gòu)前3階振型

計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的自振多為局部振動(dòng)，只有極少數(shù)的整體振型，自振頻率范圍從第1階的0.612 Hz到第500階的6.892 Hz。結(jié)構(gòu)第1階振動(dòng)為屋蓋邊緣的振動(dòng)，X向質(zhì)量參與系數(shù)為0.08%，Z向質(zhì)量參與系數(shù)為0.01%;前13階主要是頂層屋蓋和柱的振動(dòng)，直到第14階，部分候車層樓板、乘軌層框架梁以及 D線正線橋才出現(xiàn) X向(順軌向)的振動(dòng)，振動(dòng)頻率為1.147 Hz，X向質(zhì)量參與系數(shù)為16.61%;到第18階，出現(xiàn)了以候車層樓板和正線橋?yàn)橹鞯恼駝?dòng)，振動(dòng)在J線正線橋附近達(dá)到最大值，全部為X向，振動(dòng)頻率為1.291 Hz，X向質(zhì)量參與系數(shù)為15.27%;第21階出現(xiàn)了以乘軌層框架梁和正線橋?yàn)橹鞯恼駝?dòng)，振動(dòng)頻率為1.358 Hz，X向質(zhì)量參與系數(shù)為0.46%;第40階出現(xiàn)了以候車層樓板為主的振動(dòng)，振動(dòng)分布比較均勻，全部為Y向(橫軌向)，振動(dòng)頻率為1.999 Hz，Y向質(zhì)量參與系數(shù)為35.55%;在其它階的振型中，候車層和乘軌層偶爾會(huì)出現(xiàn)局部的振動(dòng)，并且參與系數(shù)都非常低，所以不再一一闡述。

4 列車過站時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)分析

南京南站通行線路共包括11條到發(fā)線和3條正線(圖2)。本文對(duì)列車通過正線橋時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了時(shí)程分析。

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程為

式中，［M］，［C］，［K］分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。

將實(shí)際結(jié)構(gòu)的阻尼簡(jiǎn)化為結(jié)構(gòu)總剛度陣和質(zhì)量陣的線性組合，即

式中，阻尼矩陣C中的質(zhì)量阻尼系數(shù)α和剛度阻尼系數(shù)β由結(jié)構(gòu)的一階、二階自振頻率ω1，ω2與相應(yīng)的阻尼比ξ1，ξ2確定。本文采用站房結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)和第二階模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率和阻尼比進(jìn)行計(jì)算，求得結(jié)構(gòu)的系數(shù) α和系數(shù) β分別為0.079 5和0.005 029;列車荷載選擇國(guó)產(chǎn)CRH2列車進(jìn)行模擬，將每個(gè)輪對(duì)簡(jiǎn)化成實(shí)際軸重大小的豎向荷載，對(duì)正線橋橋面板相應(yīng)節(jié)點(diǎn)輸入列車荷載對(duì)各節(jié)點(diǎn)的激勵(lì)時(shí)程;計(jì)算車速取為60 km/h，80 km/h。

圖7～圖9為列車以80 km/h分別通過三條正線橋時(shí)，候車層樓板的最大豎向加速度時(shí)程曲線。

圖7 列車通過P線正線橋時(shí)候車層樓板最大豎向加速度時(shí)程

圖8 列車通過J線正線橋時(shí)候車層樓板最大豎向加速度時(shí)程

圖9 列車通過D線正線橋時(shí)候車層樓板最大豎向加速度時(shí)程

由于三條正線橋 P，J，D位于車站不同的位置，所以列車過站時(shí)引起的振動(dòng)對(duì)候車層的影響會(huì)有所不同。當(dāng)列車以60 km/h，80 km/h的速度分別通過三條正線橋時(shí)引起的候車層的最大位移響應(yīng)和最大加速度響應(yīng)見表3，表4所示。從表中可以看出:列車通過D線時(shí)引起的候車層結(jié)構(gòu)在三個(gè)方向的位移響應(yīng)值最大，其中順軌向響應(yīng)最為明顯，這是由于D線正線橋只有一邊與乘軌層框架梁有剛臂連接;而列車通過D線時(shí)引起的候車層結(jié)構(gòu)豎向和順軌向加速度響應(yīng)最大，通過P線時(shí)引起的橫軌向加速度響應(yīng)最大;隨著車速?gòu)?0 km/h到80 km/h的增大，列車單線通過P線正線橋時(shí)，候車層的最大豎向位移和最大橫軌向加速度變小，其它各項(xiàng)最大響應(yīng)值則增大;列車單線通過J線時(shí)候車層的各項(xiàng)最大響應(yīng)值都增大;列車單線通過D線正線橋時(shí)，候車層最大豎向位移變小，而其它各項(xiàng)最大響應(yīng)值則都增大。

表3 列車通過正線橋引起的候車層最大位移響應(yīng)

通過上述比較分析可以看出，對(duì)于列車單線通過正線橋時(shí)引起的候車層的響應(yīng)，線路和車速都是比較重要的影響因素。一般來說，除了個(gè)別響應(yīng)值外，列車通過D線時(shí)候車層的最大響應(yīng)值要比列車通過其它兩條線路時(shí)的響應(yīng)值大，列車以80 km/h過站時(shí)引起的候車層最大響應(yīng)要比以60 km/h過站引起的候車層最大響應(yīng)值大。當(dāng)列車以80 km/h通過D線時(shí)，候車層樓板的最大豎向位移僅為0.059 mm，最大豎向加速度為20.763 mm/s2，折合0.002 g。根據(jù)美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《人類活動(dòng)引起的樓面振動(dòng)》(AISC-11)，火車站候車大廳等區(qū)域在4～8 Hz頻率范圍內(nèi)的豎向振動(dòng)加速度限值為0.015 g，而本文的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于該值。同樣，在其它幾種行車工況下候車層的最大響應(yīng)也沒有超出舒適度的最大限值，表明由正線運(yùn)行列車引起的候車層樓板的振動(dòng)響應(yīng)，都不會(huì)造成旅客的不舒適感，從而說明新南京南站具有較好的動(dòng)力性能。

表4 列車通過正線橋引起的結(jié)構(gòu)最大加速度響應(yīng)

5 結(jié)論

1)南京南站站房結(jié)構(gòu)的自振多為局部振動(dòng)，只有少數(shù)的整體振型，而且由于下部結(jié)構(gòu)剛度較候車層以上大很多，前500階的振動(dòng)主要是頂層屋蓋的振動(dòng);整體振動(dòng)主要是頂層屋蓋、候車層樓板和乘軌層在X，Y兩個(gè)方向的平動(dòng)。

2)除個(gè)別響應(yīng)值外，相同速度前提下，列車通過寧安城際場(chǎng)正線橋 (D線)引起的候車層的響應(yīng)要比通過其它線路時(shí)的響應(yīng)大。

3)除個(gè)別響應(yīng)值外，列車以80 km/h過站時(shí)引起的候車層最大響應(yīng)要比以60 km/h過站引起的候車層最大響應(yīng)值大。

4)列車單線通過正線橋時(shí)，候車層樓板的位移響應(yīng)較小，雖有一定的豎向加速度響應(yīng)，但都沒有超出規(guī)范規(guī)定的限值，所以不會(huì)引起候車層旅客的不舒適，說明新南京南站具有較好的動(dòng)力性能。

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