欒濤

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 高級(jí)工程師,北京 100038）

0 引言

隨著我國高鐵事業(yè)的快速發(fā)展，哈大、京滬高鐵等相繼開通，四橫四縱高鐵網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)，八橫八縱高鐵網(wǎng)已廣泛鋪開，同時(shí)也建成了一大批有高速列車正線通過的車站[1]。時(shí)速300 km的線路在我國鐵路工程中屬于新生事物，其對(duì)站房、雨棚結(jié)構(gòu)的振動(dòng)激勵(lì)不同于既有線路。近些年來，我國已經(jīng)對(duì)于軌道層結(jié)構(gòu)以及站房主體結(jié)構(gòu)在高速鐵路車致振動(dòng)下的響應(yīng)進(jìn)行了卓有成效的研究，但對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度較小，對(duì)振動(dòng)激勵(lì)較為敏感的雨棚結(jié)構(gòu)在高鐵正線通過時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)研究仍十分欠缺，因而對(duì)此進(jìn)行研究是十分必要且迫切的[2]。

東部高鐵某橋式線下站（即高架站）在使用過程中發(fā)現(xiàn)雨棚結(jié)構(gòu)發(fā)生可視振動(dòng)，本文以該高鐵下線橋式站為例，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析等多種手段對(duì)高鐵正線列車通過時(shí)雨棚結(jié)構(gòu)的振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，認(rèn)定了引起雨棚結(jié)構(gòu)振動(dòng)的原因并提出了對(duì)于高鐵車站雨棚的設(shè)計(jì)建議[3-5]。

1 工程概況

東部高鐵某中間站站房綜合樓，采用線下式站房鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；共二層，其中一層為站廳層，包括候車大廳及各種功能房屋；二層為站臺(tái)層。該站房為房橋分離結(jié)構(gòu)體系，共二臺(tái)六線。圖1給出了車站剖面圖，橋梁結(jié)構(gòu)和站房結(jié)構(gòu)之間分離，為相互獨(dú)立結(jié)構(gòu)，橋梁結(jié)構(gòu)上通過兩條正線，兩個(gè)站房結(jié)構(gòu)上通過四條到發(fā)線。圖2給出了該站結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)照片。雨棚結(jié)構(gòu)與站臺(tái)、股道的分布如圖3所示。

圖1 某站剖面圖

圖2 某站現(xiàn)場(chǎng)照片

圖3 站臺(tái)及雨棚平面布置圖

站臺(tái)雨棚采用無站臺(tái)柱雨棚形式，長(zhǎng)437 m，兩側(cè)雨棚總寬45.5 m，在長(zhǎng)度方向分為一個(gè)站房區(qū)域與兩個(gè)站臺(tái)區(qū)域兩個(gè)區(qū)段，檐口高度分別為29.7 m、22.6 m，站臺(tái)區(qū)域雨棚結(jié)構(gòu)如圖4所示，站房區(qū)域雨棚結(jié)構(gòu)如圖5所示。雨棚主結(jié)構(gòu)采用空間桁架體系，邊柱為格構(gòu)柱、中柱為實(shí)腹柱，中柱鋼管中均灌注混凝土，沿軌道方向柱距32.7 m。主梁采用空間三角形鋼管主桁架，邊、中柱間跨度22.7 m，中柱間跨度13.2 m。屋面檁條采用實(shí)腹H型鋼，邊檁條H550×250×10×16,中間檁條H550×200×10×14，跨度32.7 m。

圖4 站臺(tái)區(qū)雨棚示意圖

圖5 站房區(qū)雨棚示意圖

2 站房雨棚振動(dòng)的現(xiàn)象

現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，該客站雨棚結(jié)構(gòu)在正線列車通過時(shí)發(fā)生振動(dòng)。結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，主要振形表現(xiàn)為屋面檁條結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，檁條為連續(xù)檁條，雨棚懸挑端振動(dòng)最為明顯，屋面檁條布置如圖4所示。振動(dòng)時(shí)間方面，正線列車開始高速通過雨棚時(shí)，雨棚檁條開始振動(dòng)，振動(dòng)幅值在列車尾部離開雨棚時(shí)達(dá)到最大，檁條振動(dòng)在列車離開雨棚后的幾十秒鐘（不大于1 min）后逐漸衰減停止。正線列車高速通過時(shí)，站臺(tái)并無明顯振動(dòng)感。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振動(dòng)位移

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察到的雨棚振動(dòng)狀況，由原設(shè)計(jì)院聯(lián)合高校結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室對(duì)雨棚的振動(dòng)位移情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。測(cè)試的內(nèi)容主要為：雨棚不同位置在不同方向、不同編組形式正線列車通過雨棚時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的豎向位移，采用全站儀與高清數(shù)碼相機(jī)相結(jié)合的手段進(jìn)行測(cè)量。測(cè)點(diǎn)布置圖如圖6所示。某列車通過雨棚時(shí)檁條懸挑端的振動(dòng)時(shí)程曲線如圖7所示。

圖6 雨棚振動(dòng)位移測(cè)點(diǎn)布置圖

圖7 檁條懸挑端的振動(dòng)時(shí)程曲線

對(duì)大量測(cè)試進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明編組越長(zhǎng)、車速越快的列車通過雨棚時(shí)造成的雨棚振動(dòng)現(xiàn)象越明顯，檁條結(jié)構(gòu)振幅越大。雨棚檁條結(jié)構(gòu)在振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)最大的部位為雨棚懸挑端及其相鄰跨，其振動(dòng)最大位移狀態(tài)如圖8所示。檁條結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，檁條懸挑端向上最大位移為29.0 mm，此時(shí)鄰跨跨中B點(diǎn)的向下位移為24.2 mm。同理，檁條懸挑端向下最大位移為24.8 mm，此時(shí)鄰跨跨中B點(diǎn)的向上位移為24.2 mm。依照此位移狀況，采用強(qiáng)迫位移法對(duì)檁條結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)檁條結(jié)構(gòu)最不利部位的應(yīng)力幅遠(yuǎn)小于該處的容許應(yīng)力幅，說明列車經(jīng)過時(shí)檁條結(jié)構(gòu)雖發(fā)生振動(dòng)，但并未對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成影響，滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

圖8 檁條振動(dòng)位移示意圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率

為了解雨棚檁條結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率狀況，進(jìn)行了檁條振動(dòng)頻率的測(cè)試與分析。在雨棚檁條結(jié)構(gòu)上布置加速度傳感器，分別獲得列車經(jīng)過時(shí)檁條結(jié)構(gòu)振動(dòng)的時(shí)域信號(hào)，通過快速傅立葉變換獲得其頻譜。由于振動(dòng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)較多，下面只選擇一個(gè)有典型性的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。該測(cè)點(diǎn)位于站臺(tái)雨棚部分邊緣處的檁條上。列車經(jīng)過時(shí)其振動(dòng)的時(shí)域和頻域信號(hào)分別如圖9、10所示。

圖9 雨棚檁條結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，檁條結(jié)構(gòu)振動(dòng)現(xiàn)象中，可識(shí)別的頻率主要有1.46 Hz，1.95 Hz，2.33 Hz三個(gè)峰值，其中1.46 Hz頻率振動(dòng)的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)頻率的峰值，可以近似地認(rèn)為列車經(jīng)過時(shí)檁條結(jié)構(gòu)是以1.46 Hz的頻率振動(dòng)。

圖10 列車風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)頻譜分析

3 振動(dòng)現(xiàn)象分析

3.1 振動(dòng)現(xiàn)象的誘因分析

雨棚結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可能的誘因有兩種：1）列車通過時(shí)軌道的振動(dòng)通過基礎(chǔ)傳遞到雨棚結(jié)構(gòu)上，造成檁條結(jié)構(gòu)的振動(dòng)；2）列車高速通過雨棚時(shí)造成的氣壓變化對(duì)雨棚結(jié)構(gòu)形成激勵(lì)，引起振動(dòng)。為確定雨棚振動(dòng)現(xiàn)象的誘因，進(jìn)行了軌道層振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

研究對(duì)象客站為房橋分離結(jié)構(gòu)體系，在橋梁結(jié)構(gòu)和站房結(jié)構(gòu)上都有列車通過。試驗(yàn)在車站試運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)測(cè)試，得到結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位在高速列車車致振動(dòng)下的動(dòng)力響應(yīng)，分析車速對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響，探索振動(dòng)波在房橋分離結(jié)構(gòu)體系中的傳播路徑。試驗(yàn)在一條正線所在軌道梁的底面及其梁下支承柱表面，一條到發(fā)線所在軌道梁的底面及其梁下支承柱表面四個(gè)關(guān)鍵位置布置傳感器，每個(gè)位置布置豎向加速度傳感器和水平垂直于軌道方向加速度傳感器（如圖11所示），以獲得結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的加速度時(shí)程響應(yīng)曲線，獲得關(guān)鍵部位豎向和水平垂直于軌道方向車致振動(dòng)響應(yīng)的加速度峰值。試驗(yàn)得到的主要結(jié)論有：1）正線通過列車所產(chǎn)生的振動(dòng)波的傳播路徑為：振動(dòng)經(jīng)橋梁結(jié)構(gòu)軌道梁往下傳遞至橋梁結(jié)構(gòu)支承柱、再沿場(chǎng)地土水平傳遞至鄰近站房結(jié)構(gòu)支承柱、再沿站房結(jié)構(gòu)支承柱往上傳遞至站房結(jié)構(gòu)軌道梁。振動(dòng)波隨著傳播路徑逐漸衰減。2）橋梁結(jié)構(gòu)軌道梁豎直方向和水平垂直于軌道方向的主要振動(dòng)頻率集中在25～250 Hz；站房結(jié)構(gòu)軌道梁豎直方向和水平垂直于軌道方向的主要振動(dòng)頻率分別集中在80～250 Hz、8～160 Hz；橋梁結(jié)構(gòu)支承柱豎直方向和水平垂直于軌道方向的主要振動(dòng)頻率分別集中在80～250 Hz、25～250 Hz；站房結(jié)構(gòu)支承柱豎直方向和水平垂直于軌道方向的主要振動(dòng)頻率分別集中在40～250 Hz、80～250 Hz。車速對(duì)所有監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)部位的主要振動(dòng)頻率的影響不大。

圖11 加速度傳感器布置圖

由此振動(dòng)實(shí)測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，列車通過時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)與站房結(jié)構(gòu)的梁柱振動(dòng)頻率普遍處于8～250 Hz頻率較高，與檁條振動(dòng)的頻率1.46 Hz相差較遠(yuǎn)，且由軌道傳來的振動(dòng)到達(dá)站房結(jié)構(gòu)時(shí)已經(jīng)大為衰減，故可以判定雨棚檁條結(jié)構(gòu)的振動(dòng)并非由軌道振動(dòng)所致，而是由列車通過時(shí)造成的氣壓變化引起的。

3.2 振動(dòng)類型的判別

確定了檁條結(jié)構(gòu)振動(dòng)現(xiàn)象的誘因，是列車通過引起的氣壓變化，可以通過對(duì)比結(jié)構(gòu)的自振頻率與風(fēng)致振動(dòng)的頻率來確定振動(dòng)的類型，以便有針對(duì)性地制定振動(dòng)控制方案。截取大氣脈動(dòng)風(fēng)作用下雨棚檁條結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，這部分的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)可以認(rèn)為是白噪聲信號(hào)，可用于分析結(jié)構(gòu)自振頻率。仍然選擇與測(cè)試列車經(jīng)過時(shí)振動(dòng)現(xiàn)象的相同測(cè)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)的時(shí)域與頻域信號(hào)如圖12、13所示。

圖12 環(huán)境風(fēng)下雨棚結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)域信號(hào)

圖13 環(huán)境風(fēng)下雨棚結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻域信號(hào)

由圖12、13可知，環(huán)境風(fēng)作用下，雨棚結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)較小，在頻譜分析中，頻率值能量幅值也較小。但由頻譜圖可知，結(jié)構(gòu)頻率主要分布在1.5～8 Hz范圍內(nèi)，可以判斷，結(jié)構(gòu)的自振頻率，第一階1.64 Hz（0.61 s），第二階2.20 Hz（0.45 s），第三階3.18 Hz（0.31 s），且這三個(gè)明顯峰值中，都大于列車風(fēng)致振動(dòng)頻率1.46 Hz，因此可以判定列車風(fēng)致頻率為1.46 Hz，振動(dòng)為受迫振動(dòng)響應(yīng)而非自由振動(dòng)。

3.3 計(jì)算分析結(jié)果

針對(duì)雨棚檁條結(jié)構(gòu)的振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)于雨棚結(jié)構(gòu)又再次進(jìn)行了詳細(xì)的有限元分析，由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要發(fā)生在站臺(tái)雨棚部分，故僅以站臺(tái)雨棚為說明對(duì)象。采用整體雨棚模型與單根檁條模型兩種模型，分別對(duì)檁條結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能進(jìn)行研究。

在單根檁條模型中，檁條與三角桁架相連接的檁托部位都被簡(jiǎn)化為不動(dòng)鉸支座，不考慮三角桁架本身位移對(duì)檁條振動(dòng)的影響。單根檁條前10階振動(dòng)頻率如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算周期均大大小于結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)的主要振動(dòng)周期。與結(jié)構(gòu)實(shí)際振形最接近的為2、3階模態(tài)，如圖14、15所示，從圖中可以看出檁條懸挑端的振動(dòng)均不明顯，與結(jié)構(gòu)實(shí)際振動(dòng)情況不符。從單根檁條的模態(tài)分析結(jié)果可以看到，無論是自振周期，還是振形均與實(shí)際結(jié)構(gòu)有較大差別，這主要是由于模型將檁條的檁托支點(diǎn)簡(jiǎn)化為固定鉸支座，未考慮三角桁架轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)檁條結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響，造成模型約束剛度過大，計(jì)算結(jié)果失真。

表1 雨棚結(jié)構(gòu)單根檁條模型振動(dòng)模態(tài)

圖14 單根檁條模型第二階模態(tài)振形

圖15 單根檁條模型第三階模態(tài)振形

在整體模型中，結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)周期如表2所示。其中結(jié)構(gòu)第一階模態(tài)振形為順軌向整體振形，非結(jié)構(gòu)振動(dòng)中真實(shí)出現(xiàn)的振形，不做具體分析。結(jié)構(gòu)的第二、三階模態(tài)振形分別如圖16、17所示。均為檁條結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，其中第二階振形為實(shí)際振動(dòng)中出現(xiàn)的振形。理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相吻合，印證了彼此的正確性。計(jì)算得到第二階振形的周期為0.79 s（1.27 Hz），與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的1.64 Hz（0.61 s）有一定差別，作者認(rèn)為主要是由于兩方面原因造成的：1）理論計(jì)算模型中未考慮屋面板與吊頂結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)，造成模態(tài)計(jì)算中結(jié)構(gòu)剛度偏低；2）計(jì)算模型中所取的屋面結(jié)構(gòu)恒載偏大，造成模態(tài)計(jì)算中結(jié)構(gòu)質(zhì)量偏大，兩者共同作用造成了模態(tài)周期延長(zhǎng)、頻率偏小的結(jié)果，但總體上講，理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果是一致的。

表2 雨棚結(jié)構(gòu)整體模型屋面振動(dòng)模態(tài)

圖16 結(jié)構(gòu)第二階模態(tài)振形

圖17 結(jié)構(gòu)第三階模態(tài)振形

由兩個(gè)模型對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的分析可以看出，盡管整體模型的模態(tài)分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果仍有一定偏差，但總體上與實(shí)測(cè)結(jié)果相符；而單根檁條模型的分析結(jié)果卻與施加結(jié)果有很大出入。

桿件受力性能方面，雨棚各種桿件應(yīng)力比如表3所示?？梢娊Y(jié)構(gòu)的原設(shè)計(jì)分析是符合規(guī)范要求規(guī)定的，可以保證結(jié)構(gòu)的安全與正常使用。

表3 站臺(tái)區(qū)雨棚結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大應(yīng)力分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)論

時(shí)速300 km或以上的列車，在我國屬于新生事物，符合既有規(guī)范設(shè)計(jì)要求的雨棚結(jié)構(gòu)，并不能保證其在列車經(jīng)過時(shí)不發(fā)生可視振動(dòng)。因而有高速鐵路通過的站臺(tái)雨棚結(jié)構(gòu)宜考慮列車風(fēng)造成的影響，進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。本文詳細(xì)研究了東部高鐵沿線某橋式站雨棚結(jié)構(gòu)在高速列車作用下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)現(xiàn)象，得出以下結(jié)論：

1）文中所研究站臺(tái)雨棚結(jié)構(gòu)的振動(dòng)系高速列車經(jīng)過造成雨棚附近氣壓變化引起的檁條結(jié)構(gòu)的受迫振動(dòng)，主結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯振動(dòng)。

2）文中所研究站臺(tái)雨棚檁條結(jié)構(gòu)雖然在列車風(fēng)的作用下發(fā)生可視振動(dòng)，但經(jīng)過疲勞驗(yàn)算后發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)造成的應(yīng)力幅遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力幅，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全沒有影響。

3）高速列車經(jīng)過產(chǎn)生的列車風(fēng)可能造成雨棚結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，須在設(shè)計(jì)過程中予以考慮，盡量避免。對(duì)于有高速鐵路通過的低矮（檐口距軌頂高度不大于10 m）無柱雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提出建議如下：

（1）雨棚結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要成分是檁條結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，因而檁條結(jié)構(gòu)須具有必要的剛度，檁條的跨高比不宜過大。

（2）三角桁架抗扭剛度有限，在檁條振動(dòng)過程中，三角桁架同時(shí)也產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，分析時(shí)不能簡(jiǎn)單地將檁條結(jié)構(gòu)的檁托節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為剛性鉸支座，而應(yīng)該采用同時(shí)包含桁架主結(jié)構(gòu)與檁條結(jié)構(gòu)的整體模型進(jìn)行分析計(jì)算。