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        站橋合一高架車站振動(dòng)舒適度分析

        2016-11-24 03:38:45李文斌
        城市道橋與防洪 2016年3期
        關(guān)鍵詞:舒適度振動(dòng)結(jié)構(gòu)

        李文斌

        (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

        站橋合一高架車站振動(dòng)舒適度分析

        李文斌

        (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

        針對站橋合一高架車站的振動(dòng)舒適度問題,建立高架車站結(jié)構(gòu)的有限元模型,輸入高鐵列車的行駛荷載,計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)在時(shí)域內(nèi)的動(dòng)力響應(yīng)?;谀壳俺S玫膰H標(biāo)準(zhǔn),評價(jià)各樓層的舒適度。

        高架車站;振動(dòng)舒適度;評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

        0 引言

        城市軌道交通建設(shè)中高架線路的敷設(shè)方式,實(shí)現(xiàn)了“節(jié)約用地、減少地塊分割”的目的,在車站結(jié)構(gòu)將區(qū)間結(jié)構(gòu)和車站結(jié)構(gòu)融合,將區(qū)間橋梁“植入”車站建筑內(nèi),派生出“站橋分離”、“站橋組合”、“站橋合一”等多種車站結(jié)構(gòu)形式,使得“建筑里面跑火車”的結(jié)構(gòu)形式得到多樣的發(fā)展。

        “站橋合一”[1]車站結(jié)構(gòu)則是突破“列車動(dòng)載由橋梁結(jié)構(gòu)承受”的傳統(tǒng)理念,完全用建筑構(gòu)件取代橋梁構(gòu)件來直接承受列車荷載的作用即與結(jié)構(gòu)框架主梁完全剛結(jié)的框架縱梁——軌道梁,從而實(shí)現(xiàn)真正意義上“車站與區(qū)間有機(jī)融合與高度統(tǒng)一的”的設(shè)計(jì)理念,是突破行業(yè)限制、取得總體最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。

        雖然該類車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜,但由于具有能統(tǒng)籌建筑總體布置、優(yōu)化車站功能、降低結(jié)構(gòu)高度、提高結(jié)構(gòu)整體性的明顯優(yōu)勢,已經(jīng)成為越來越多采用的車站形式,并有成為主流站型的趨勢。

        但是相對“建橋分離”、“建橋組合”兩種結(jié)構(gòu)形式,站橋合一結(jié)構(gòu)形式也有其缺點(diǎn),因?yàn)檐壍懒簞偨?,無橡膠支座,站橋合一高架車站的車致振動(dòng)問題比較嚴(yán)重。因此振動(dòng)控制成為“站橋合一”車結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。

        振動(dòng)不僅對建筑結(jié)構(gòu)的安全有影響,隨著人們對生活品質(zhì)要求的不斷提高,振動(dòng)對沿線建筑使用者的感官舒適度的影響也日漸受到人們的重視。

        對于振動(dòng)舒適度[2]的相關(guān)控制,本文采用有限元軟件MIDAS來對高架車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析,并將列車運(yùn)行時(shí)站房結(jié)構(gòu)所受到的荷載按照所需計(jì)算工況輸入有限元模型當(dāng)中作為時(shí)程激勵(lì)進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)程分析。再將分析結(jié)果對照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631關(guān)于建筑物內(nèi)振動(dòng)限值進(jìn)行對比。

        1 地鐵列車荷載人工波

        根據(jù)英國鐵路技術(shù)中心提出的公式[3],單對車輪的激勵(lì)力可表示為

        式中:k1為考慮列車荷載的分離與疊加組合系數(shù),取1.538;k2為考慮鋼軌、軌枕對列車荷載的傳遞和分散作用的分散系數(shù),取0.7;P0為車輪靜載,取144 kN;M為列車簧下質(zhì)量,取750 kg;Li、αi分別為某一頻率下的幾何不平順的波長和失高,取L1=10 m、α1=3.5 mm;L2=2 m、α2=0.4 mm;L3=0.5 m、α3=0.08 mm;v為列車的運(yùn)行速度,取22.22 m/s。則地鐵列車單對車輪激振力為(取0.3 s)

        按照圖1所示,將車輪激振力轉(zhuǎn)化為高架車站對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)動(dòng)力荷載輸入,以分析車站在此荷載下的動(dòng)力時(shí)程。單列車駛過和雙列車駛過兩種情況,并考慮后者中兩列車入站的各種時(shí)差。在輸入節(jié)點(diǎn)荷載時(shí),根據(jù)列車駛?cè)脒^程中各車輪對結(jié)構(gòu)作用的先后次序,分別定義節(jié)點(diǎn)動(dòng)力荷載的開始作用時(shí)間。

        2 列車振動(dòng)下車站的響應(yīng)

        本文選取的是某擬建高架車站作為研究對象,運(yùn)用MIDAS工程軟件進(jìn)行建模分析,提取各樓層的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行頻域分析,再將分析結(jié)果對照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2631關(guān)于建筑物內(nèi)振動(dòng)限值進(jìn)行對比。

        圖1 地鐵列車單對車輪激勵(lì)力

        某擬建高架車站為路中三層島式車站,車站主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架式建橋合一結(jié)構(gòu)型式;橫向?yàn)殡p柱單跨雙懸臂結(jié)構(gòu),在站廳層通過橫梁裝換為四柱三跨結(jié)構(gòu);縱向柱距12 m;基礎(chǔ)型式為鉆孔灌注樁(嵌巖樁);除直接或間接承受列車荷載的剛接式軌道梁、站臺下層橫梁和立柱混凝土強(qiáng)度為C50外,其余梁板混凝土強(qiáng)度為C35,見

        圖2 某擬建高架車站橫剖面圖(單位:mm)

        下面為單列車以及雙列車間隔0.2 s這兩種情況下,站臺層板單元受列車振動(dòng)影響的最大應(yīng)力云圖。

        (1)單列車(見圖3)

        (2)雙列車間隔0.2 s(見圖4)

        3 舒適度評估

        按ISO2631-1[4]:1997規(guī)定的全身振動(dòng)不同頻率計(jì)權(quán)因子修正后得到的振動(dòng)加速度級,記為VL。VL的計(jì)算公式如下

        圖3 單列車情況站臺層樓板最大應(yīng)力云圖

        圖4 雙列車間隔0.3 s的情況站臺層樓板最大應(yīng)力云圖

        式中:α0為基準(zhǔn)加速度值,取10-6m/s2;αfrms為頻率為f的振動(dòng)加速度有效值;cf為為振動(dòng)加速度的感覺修正值。由于人對Z向(豎向)振動(dòng)最敏感,所以這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了城市各類區(qū)域垂向Z振級VLz標(biāo)準(zhǔn)值。在舒適度分析中也僅針對所選節(jié)點(diǎn)的豎向加速度。

        分別在站廳層和站臺層樓板處布置檢測點(diǎn),下面僅列出一種高架車站兩種情況所對應(yīng)的各種工況中振級最大的點(diǎn)振動(dòng)信息,分別包括節(jié)點(diǎn)豎向加速度的時(shí)程、該時(shí)程的頻域形式、功率密度譜和振級VLz。

        3.1單列車

        (1)站臺層,由式(5)得到VLz=75.8,見圖5。

        (2)站廳層,由式(5)得到VLz=77.5,見圖6。

        3.2雙列車

        (1)站臺層,由式(5)得到VLz=81.3,見圖7。

        (2)站廳層,由式(5)得到VLz=82.0,見圖8。

        ISO2631關(guān)于建筑物內(nèi)振動(dòng)限值的建議見表1。

        圖5 站臺層最大振級點(diǎn)的豎向加速度信息

        圖6 站廳層最大振級點(diǎn)的豎向加速度信息

        圖7 站臺層最大振級點(diǎn)的豎向加速度信息

        圖8 站廳層最大振級點(diǎn)的豎向加速度信息

        表1 建筑物內(nèi)振動(dòng)限值建議表

        以“辦公室”的情況考慮,車站工作人員所受振動(dòng)極限值VLz為86,一般乘客限值VLz為116,可以得到該車站在地鐵列車振動(dòng)下的舒適度指標(biāo)是合理的。

        分析過程中還可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

        a.考慮列車駛過過程中對高架站臺的影響,則不論是單列車還是雙列車,一般來說最大振級點(diǎn)均在車站端部;

        b.兩種工況比較可得雙列車工況所所產(chǎn)生的最大振級可以比單列車大,也可以比單列車小,這是因?yàn)殡p列車工況對車站的影響可視為兩個(gè)單列車工況所產(chǎn)生的波的疊加,在一定的相位差下,兩波可能產(chǎn)生振幅的正負(fù)疊加或相消情況;

        c.同種工況下比較可得站廳層和站臺層都需要考慮人體舒適度,站廳層的懸挑梁結(jié)構(gòu)對于振動(dòng)來說是不利的,其受列車作用會產(chǎn)生較大的振級。

        4 結(jié) 語

        本文將列車荷載作為激勵(lì)輸入結(jié)構(gòu)模型,對高架車站的震動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行有限元分析,結(jié)果表明各樓層的計(jì)權(quán)加速度均方根值并為超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(ISO2631)的范圍,滿足舒適度要求。本文研究方法和研究成果對國內(nèi)類似工程的設(shè)計(jì)、舒適度評價(jià)等具有參考價(jià)值。但仍然需要對不同車速、不同列車類型、不同人群等做更多相關(guān)研究,從而完善舒適度的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

        [1]孫俊嶺.城市輕軌站橋合一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題[J].建筑結(jié)構(gòu),2006,33(10):62-65.

        [2]彭濤.鄭州東站候車廳列車致振動(dòng)力及振動(dòng)舒適度分析[D].湖北武漢:武漢理工大學(xué),2010.

        [3]梁波,羅紅,孫常新.高速鐵路振動(dòng)荷載的模擬研究[J].鐵道學(xué)報(bào), 2006,28(4):89-94.

        [4]IS02631,Guide for the Evaluation of Hunmn Exposure to Whole-body vibration[S].2003.

        U441+.3

        A

        1009-7716(2016)03-0162-03

        10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.047

        2015-11-04

        李文斌(1983-),男,湖南郴州人,工程師,從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

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