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        高速列車脈動(dòng)風(fēng)作用下車站人行天橋動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

        2019-01-24 08:29:36劉鵬輝韓自力趙健業(yè)
        鐵道建筑 2019年1期
        關(guān)鍵詞:人行天橋天橋限值

        劉鵬輝,韓自力,趙健業(yè),尹 京

        (中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

        人行橋建造在車流量大、行人稠密的地段,或者交叉口、廣場(chǎng)、鐵路上面,一般只允許行人通過(guò)。人行橋常用于避免車流和人流平面相交時(shí)的沖突,保障人員安全,提高車速,減少交通事故。高速鐵路車站內(nèi)人行天橋跨越股道連接各站臺(tái),其主要職能與城市交通中的人行天橋類似,設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮人行荷載激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)舒適度問(wèn)題。但高速鐵路車站旅客人行天橋還具有特殊性:當(dāng)動(dòng)車組高速通過(guò)正線時(shí),列車將產(chǎn)生較大的氣動(dòng)力,會(huì)對(duì)跨越正線上方的人行天橋產(chǎn)生瞬間的推力和吸力,引起人行天橋的振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)過(guò)大時(shí),這些振動(dòng)雖不足以使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全性問(wèn)題,但會(huì)給行人帶來(lái)不適感,可能使行人或乘客在行走過(guò)程中出現(xiàn)緊張甚至恐慌心理,導(dǎo)致人行天橋結(jié)構(gòu)使用性能降低。日本東靜岡車站一座跨越新干線東海道正線的四跨連續(xù)鋼板梁橋進(jìn)行了新干線列車通過(guò)時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明該橋最大豎向振幅達(dá)到了3mm,最后在人行天橋安裝調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)進(jìn)行減振[1]。我國(guó)京滬高速鐵路徐州東站在正線動(dòng)車組速度達(dá)到300km/h 以上時(shí),旅客在人行天橋上能明顯感受到振動(dòng),而列車脈動(dòng)風(fēng)是引發(fā)天橋振動(dòng)的主要因素[2]。高速鐵路通過(guò)人行天橋時(shí),列車氣動(dòng)力在車頭和車尾出現(xiàn)峰值,作用時(shí)間很短,且列車速度越高氣動(dòng)效應(yīng)越明顯,與人行荷載作用下人行天橋的振動(dòng)完全不同,因此列車高速通過(guò)時(shí)氣動(dòng)力引起的人行天橋振動(dòng)舒適度問(wèn)題應(yīng)成為高速鐵路車站內(nèi)人行天橋設(shè)計(jì)時(shí)須考慮的主要問(wèn)題之一。

        本文通過(guò)對(duì)京沈高速鐵路阜新站內(nèi)跨線人行天橋的自振特性和動(dòng)車組列車以不同速度通過(guò)時(shí)人行天橋動(dòng)力性能進(jìn)行分析,研究人行天橋在脈動(dòng)風(fēng)激勵(lì)作用下的振動(dòng)特點(diǎn)、振動(dòng)水平和振動(dòng)分布規(guī)律,為我國(guó)高速鐵路人行天橋的振動(dòng)舒適度限值制訂提供技術(shù)支持。

        1 人行天橋振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

        人行荷載與列車荷載不同,人行進(jìn)過(guò)程中兩下肢交替運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)身體前進(jìn),人行荷載具有周期性、窄帶隨機(jī)性等特征。一般行人步頻通常在1.6~2.5步/s,平均值為1.99步/s,呈正態(tài)分布,標(biāo)準(zhǔn)差為0.178步/s,離散性較小。因此,在豎向自振頻率接近2.0 Hz的人行天橋上,由于自振頻率與行人步頻接近,容易發(fā)生共振[3]。國(guó)外發(fā)布人行天橋振動(dòng)規(guī)范的主要目的是為了避免行人(單人行走或人群結(jié)伴行走)與天橋發(fā)生共振而導(dǎo)致過(guò)大的振動(dòng)響應(yīng),一般包括人行天橋自振頻率和振動(dòng)響應(yīng)2類。

        1.1 我國(guó)人行天橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

        我國(guó)城市人行天橋設(shè)計(jì)主要依據(jù)CJJ 69—95《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》[4],為避免共振,減少行人不安全感,天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3.0 Hz。目前該規(guī)范正在修訂,其修訂版征求意見(jiàn)稿規(guī)定:當(dāng)人行天橋采用梁式結(jié)構(gòu)或采用鋁合金結(jié)構(gòu)時(shí),其豎向固有頻率不得小于3.0 Hz,橫向固有頻率不得小于1.2 Hz。當(dāng)采用其他結(jié)構(gòu)時(shí),天橋結(jié)構(gòu)豎向固有頻率大于3.0 Hz,橫向固有頻率大于1.2 Hz,可不進(jìn)行人致振動(dòng)舒適度驗(yàn)算;天橋結(jié)構(gòu)豎向固有頻率小于 3.0 Hz,橫向固有頻率小于1.2 Hz,應(yīng)進(jìn)行人致振動(dòng)舒適度驗(yàn)算;對(duì)于豎向舒適度,應(yīng)分別驗(yàn)算頻率處于1.25~3.0 Hz的豎向模態(tài);對(duì)于橫向舒適度,應(yīng)分別驗(yàn)算頻率處于0.5~1.2 Hz的橫向模態(tài)。

        1.2 國(guó)外人行天橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

        1.2.1 自振頻率

        表1給出了一些國(guó)家關(guān)于人行天橋振動(dòng)頻率限值的規(guī)定和建議[5]。為避免人行天橋在人行荷載下發(fā)生共振,規(guī)范中要求人行天橋豎向自振頻率限值一般不低于3.0 Hz或豎向自振頻率避免位于1.5~2.5 Hz。

        表1 人行天橋振動(dòng)頻率限值

        1.2.2 振動(dòng)響應(yīng)

        人對(duì)振動(dòng)的反應(yīng)與振動(dòng)的大小、頻率特性和持續(xù)時(shí)間以及人所處的環(huán)境、人自身的活動(dòng)狀態(tài)、人的心理反應(yīng)等都有關(guān)系。而人行天橋引起人體不舒適感的主要原因是由于振動(dòng)響應(yīng)過(guò)大,并超出人們所能容忍的范圍。一般來(lái)說(shuō)人在行進(jìn)中對(duì)振動(dòng)的耐受力要比在建筑物內(nèi)高一些。有關(guān)人行天橋振動(dòng)對(duì)人體舒適度的影響,美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家做了一些研究,相關(guān)規(guī)范對(duì)人行天橋振動(dòng)舒適度指標(biāo)的規(guī)定較多。研究表明,在振動(dòng)的位移、速度和加速度這3個(gè)因素中,影響人的生理和心理感受的主要因素是加速度。各國(guó)規(guī)范中行人過(guò)橋的舒適度指標(biāo)普遍采用橋梁最大振動(dòng)加速度來(lái)劃分,但限值略有差別。表2、表3給出了一些國(guó)家關(guān)于人行天橋振動(dòng)加速度限值的規(guī)定和建議。

        表2 豎向加速度限值

        表3 橫向加速度限值

        歐盟煤鋼研究基金的報(bào)告EN 03:2008《人行橋設(shè)計(jì)指南》中對(duì)人行荷載作用下人行天橋舒適度等級(jí)和相應(yīng)峰值加速度限值進(jìn)行了規(guī)定,見(jiàn)表4。

        德國(guó)工程師協(xié)會(huì)VDI 2038-2:2013《在動(dòng)力荷載作用下結(jié)構(gòu)舒適度分析和評(píng)估——診斷、評(píng)估、控制措施》對(duì)人行荷載作用下橋梁振動(dòng)的人體舒適度準(zhǔn)則及其對(duì)應(yīng)的橋梁設(shè)計(jì)情景進(jìn)行了規(guī)定,見(jiàn)表5。

        列車脈動(dòng)風(fēng)作用下引起的人行天橋振動(dòng)屬于瞬時(shí)振動(dòng),作用時(shí)間較短且具有一定的偶然性。行人作為受振體,如果人行橋發(fā)生振動(dòng),行人會(huì)自動(dòng)調(diào)整步頻和相位,以適應(yīng)橋梁的振動(dòng),改善自身行走特性[3]。綜合以上國(guó)外人行激勵(lì)天橋振動(dòng)舒適性標(biāo)準(zhǔn),高速鐵路跨線天橋振動(dòng)舒適度豎向振動(dòng)加速度參考限值定為1.0 m/s2,橫向振動(dòng)加速度參考限值定為0.3 m/s2。

        表5 VDI 2038-2:2013中人行荷載作用下振動(dòng)的舒適度

        2 京沈高速鐵路阜新站人行天橋試驗(yàn)研究

        2.1 測(cè)點(diǎn)布置

        京沈高速鐵路阜新站設(shè)2臺(tái)6線,進(jìn)站天橋跨越正線,最大跨度為27.1 m,橋面寬12 m。天橋結(jié)構(gòu)主要為鋼桁架,縱梁和橫梁均為工字鋼,天橋通道為全封閉,現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1。

        圖1 阜新站人行天橋遠(yuǎn)景

        阜新站天橋振動(dòng)測(cè)點(diǎn)共計(jì)24個(gè),采用陣列分布,兼顧振動(dòng)最大區(qū)域和傳遞規(guī)律研究。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。儀器采用891型拾振器和INV9500系列無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),采樣頻率為512 Hz。

        圖2 人行天橋測(cè)點(diǎn)布置

        2.2 測(cè)試結(jié)果

        2.2.1 自振頻率和阻尼比

        阜新站人行天橋自振特性采用脈動(dòng)法和自由振動(dòng)衰減法測(cè)試。圖3為人行天橋自由振動(dòng)衰減時(shí)程曲線,可以看出,振動(dòng)衰減時(shí)間約為10 s,梁體1階豎向自振頻率為4.96 Hz,豎向振動(dòng)阻尼比為0.70%;2階豎向自振頻率為7.23 Hz。

        圖3 高速鐵路跨線人行天橋自振特性

        表6給出了我國(guó)部分高速鐵路人行天橋自振特性實(shí)測(cè)值??梢钥闯觯诵刑鞓蜇Q向自振頻率遠(yuǎn)大于行走步頻(1.5~2.5 Hz)且大于規(guī)范規(guī)定的3.0 Hz,橫向自振頻率大于規(guī)范規(guī)定的1.5 Hz,因此旅客行走激勵(lì)不會(huì)使人行天橋產(chǎn)生共振而導(dǎo)致振動(dòng)舒適度的問(wèn)題。

        表6 高速鐵路人行天橋?qū)崪y(cè)自振特性

        2.2.2 橫向振動(dòng)加速度

        實(shí)測(cè)列車通過(guò)時(shí)人行天橋跨中橋面橫向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線見(jiàn)圖4。實(shí)測(cè)列車以不同速度通過(guò)時(shí)天橋跨中橋面橫向振動(dòng)加速度最大值見(jiàn)圖5和表7??梢钥闯觯涸趧?dòng)車組速度小于250 km/h時(shí),隨著行車速度的增大人行天橋橫向加速度增長(zhǎng)緩慢;動(dòng)車組速度超過(guò)250 km/h時(shí),隨著列車行車速度的增大橫向加速度增長(zhǎng)加快;不同動(dòng)車組高速通過(guò)時(shí),天橋跨中橋面橫向振動(dòng)加速度最大值為0.14 m/s2,均小于橫向加速度人體舒適度參考限值(0.3 m/s2)。

        圖4 人行天橋跨中橋面橫向振動(dòng)加速度時(shí)程曲線

        圖5 不同車型通過(guò)時(shí)橋面中心橫向振動(dòng)加速度與列車速度的關(guān)系

        測(cè)試車型速度/(km·h-1)跨中橋面橫向振動(dòng)加速度/(m·s-2)3000.083100.103200.08CRH380BJ3300.103400.093500.133600.143700.102600.033000.053200.07CR400AF3400.063500.093600.073700.072000.022500.032600.04CR400BF(16節(jié)長(zhǎng)編組)3000.063100.063300.093400.06

        2.2.3 豎向振動(dòng)加速度

        列車通過(guò)時(shí)天橋跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度典型時(shí)程曲線見(jiàn)圖6。

        圖6 列車作用下天橋跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度典型時(shí)程曲線

        表8 天橋跨中橋面豎向振動(dòng)加速度最大值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

        天橋跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度與列車速度的關(guān)系見(jiàn)圖7,天橋跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度三維譜見(jiàn)圖8??梢钥闯觯毫熊囁俣刃∮?00 km/h時(shí)立柱處豎向振動(dòng)加速度很小,且隨速度的提高增長(zhǎng)不明顯,天橋振動(dòng)是以輪軌振動(dòng)經(jīng)過(guò)天橋墩柱傳遞到橋面的振動(dòng)和列車脈動(dòng)風(fēng)致振動(dòng)疊加的結(jié)果;當(dāng)列車速度超過(guò)300 km/h后,隨著列車速度的提高,在車頭和車尾的氣動(dòng)力明顯增大且作用時(shí)間很短,天橋振動(dòng)響應(yīng)表現(xiàn)為以天橋豎向自振頻率為主的自由衰減振動(dòng)且衰減時(shí)間較慢。行車速度大于300 km/h時(shí)天橋跨中橋面中心區(qū)域的豎向加速度超過(guò)人體舒適度參考限值(1.0 m/s2)。

        圖7 天橋跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度與列車速度關(guān)系

        圖8 天橋跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度三維譜

        2.2.4 天橋橋面不同位置振動(dòng)響應(yīng)分布規(guī)律

        根據(jù)測(cè)得的人行天橋各位置處在列車通過(guò)時(shí)的豎向振動(dòng)加速度,繪制人行天橋豎向振動(dòng)加速度分布云圖,見(jiàn)圖9。

        (a)CRH380BJ,350 km/h

        (b)CR400AF,350 km/h

        (c)CR400BF長(zhǎng)編組,340 km/h圖9 人行天橋豎向振動(dòng)加速度分布云圖

        從圖9可知:在人行天橋縱向上,跨中斷面豎向振動(dòng)加速度最大,然后向1/4跨和立柱斷面逐漸減??;在人行天橋橫向上,橋面中心區(qū)域豎向振動(dòng)加速度最大,然后向兩側(cè)的邊緣逐漸減小;整個(gè)橋面豎向加速度最大值位于跨中的中心處。

        以CRH380BJ為例,對(duì)每個(gè)速度下天橋中心處的豎向加速度進(jìn)行譜分析,并按車速依次排列,得到列車以不同速度通過(guò)時(shí)天橋跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度在頻域上的分布,見(jiàn)圖10。

        圖10 CRH380BJ通過(guò)時(shí)跨中橋面中心豎向振動(dòng)加速度頻率速度關(guān)系

        3 結(jié)論

        1)列車脈動(dòng)風(fēng)作用引起的人行天橋振動(dòng)屬于瞬時(shí)振動(dòng),作用時(shí)間較短且具有一定的偶然性,參考國(guó)內(nèi)外步行激勵(lì)人行天橋振動(dòng)舒適性標(biāo)準(zhǔn),高速鐵路人行天橋振動(dòng)舒適度豎向最大振動(dòng)加速度參考限值為1.0 m/s2,橫向最大振動(dòng)加速度參考限值為0.3 m/s2。

        2)我國(guó)高速鐵路人行天橋豎向自振頻率遠(yuǎn)大于行走步頻1.5~2.5 Hz,大于規(guī)范規(guī)定的3.0 Hz的要求,橫向自振頻率大于規(guī)范規(guī)定的1.5 Hz要求,旅客行走激勵(lì)不會(huì)使人行天橋產(chǎn)生共振而導(dǎo)致振動(dòng)舒適度的問(wèn)題。

        3)列車速度小于300 km/h時(shí),天橋振動(dòng)主要是經(jīng)過(guò)天橋墩柱傳遞到橋面的輪軌振動(dòng)疊加列車脈動(dòng)風(fēng)致振動(dòng)的結(jié)果;當(dāng)列車速度超過(guò)300 km/h后,隨著列車速度的提高,在車頭和車尾的氣動(dòng)力明顯增大,且作用時(shí)間很短,天橋振動(dòng)響應(yīng)表現(xiàn)為以天橋豎向自振頻率為主的自由衰減振動(dòng),且衰減時(shí)間較慢。列車行車速度大于300 km/h時(shí),天橋跨中橋面中心區(qū)域的豎向加速度超過(guò)人體舒適度參考限值(1.0 m/s2)。

        4)人行天橋設(shè)計(jì)應(yīng)考慮列車風(fēng)對(duì)天橋動(dòng)力響應(yīng)的影響。建議對(duì)于列車速度大于300 km/h的高速鐵路跨線人行天橋通過(guò)增加天橋豎向剛度、增大阻尼等方法減小列車通過(guò)時(shí)天橋的豎向振動(dòng),并采取有效措施如優(yōu)化天橋外形、增大天橋高度等減小脈動(dòng)風(fēng)的影響。

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