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        列車風激勵下高速鐵路客站剛架結(jié)構(gòu)雨棚的振動響應(yīng)

        2022-07-11 06:03:02劉伯奇馮海龍王博胡海天張勇
        鐵道建筑 2022年6期
        關(guān)鍵詞:屋面板雨棚復興號

        劉伯奇 馮海龍 王博 胡海天 張勇

        中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081

        高速鐵路客站雨棚作為重要的臨線(跨線)結(jié)構(gòu),為旅客乘降提供了必要的空間。2012年前我國建設(shè)的高速鐵路客站雨棚主要為無站臺柱雨棚。結(jié)構(gòu)形式包括鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼桁架結(jié)構(gòu)、剛架結(jié)構(gòu)、張弦梁結(jié)構(gòu)等。

        當高速列車快速通過雨棚區(qū)域時,車身對周圍空氣擠壓產(chǎn)生的氣動荷載作用于雨棚結(jié)構(gòu)表面,導致雨棚產(chǎn)生振動響應(yīng)。雨棚在長期受氣動荷載作用條件下,易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞和附屬部件脫落,因此需對雨棚所受氣動荷載和振動響應(yīng)進行研究。文獻[1-4]運用數(shù)值模擬、風洞試驗、現(xiàn)場測試等方法對高速列車通過車站時雨棚、天橋等站內(nèi)建筑物表面的風壓分布特性和規(guī)律進行了研究。文獻[5-7]對高速列車通過時客站結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)進行了研究。文獻[8]研究了張弦梁結(jié)構(gòu)雨棚在列車氣動荷載作用下的振動響應(yīng)規(guī)律。文獻[9]研究了大跨度分區(qū)框架結(jié)構(gòu)雨棚在高速列車通過時的振動響應(yīng)規(guī)律。

        當前雨棚振動響應(yīng)尚缺乏明確的參考限值,對剛架結(jié)構(gòu)雨棚振動響應(yīng)規(guī)律的研究較少。本文以一高速鐵路客站剛架結(jié)構(gòu)雨棚為研究對象,采用現(xiàn)場測試和仿真分析相結(jié)合的方法,研究雨棚所受氣動荷載以及氣動荷載激勵下剛架結(jié)構(gòu)雨棚振動響應(yīng)規(guī)律,為高速列車以400 km/h 及更高速度通過時雨棚的振動響應(yīng)提供理論依據(jù),為研究明確雨棚振動響應(yīng)限值提供支撐。

        1 工程概況

        大跨度剛架結(jié)構(gòu)雨棚主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件為鋼管柱、H 型鋼梁,縱向布置H 型鋼作為檁條。雨棚構(gòu)件參數(shù)見表1。雨棚覆蓋面積21 483 m2,共有104 根雨棚柱,以第12 跨呈軸對稱。雨棚縱向投影總長421 m,縱向標準跨為18 m,正中跨(P13、P14 柱間)為21 m。橫向每榀剛架4 根雨棚柱橫向間距分別為21.55、12.60、21.55 m。站臺高1.43 m,基礎(chǔ)厚度1.50 m。

        表1 雨棚構(gòu)件參數(shù)

        2 現(xiàn)場測試

        2.1 測試內(nèi)容及方法

        現(xiàn)場試驗的測試內(nèi)容包括:雨棚所受氣動荷載、雨棚豎向振動速度。

        1)氣動荷載。氣動荷載采用CYG1721 型風壓傳感器進行測試。CYG1721 風壓傳感器具有較好的時漂穩(wěn)定性,測量時基本不會影響空氣的流場分布,量程為0 ~ 2.5 kPa,固有頻率不小于200 Hz。

        列車氣動荷載主要作用于雨棚檐口板和吊頂板,測試中將風壓傳感器布置于雨棚檐口板側(cè)面[圖1(a)],共布置3個風壓傳感器,位于2 ~4跨。

        2)振動速度。振動速度采用891-2 振動傳感器進行測試。891-2 振動傳感器適用于低頻的微弱振動信號測量,靈敏度高且性能穩(wěn)定,頻率范圍為0.5 ~100 Hz。因剛架結(jié)構(gòu)縱向剛度低,檁條振動較為顯著,故將振動傳感器布置于縱向檁條上端。為測得檁條的最大振動速度,振動傳感器均位于檁條跨中[圖1(b)]。

        圖1 現(xiàn)場傳感器測點布置(單位:m)

        2.2 測試工況

        高速列車通過該站時,通過速度為285 ~350 km/h,動車組的主要運行速度級為300、350 km/h。由于不同車型的車體截面不同,產(chǎn)生的氣動荷載不同,因此本次測試僅選擇車體截面相同的復興號動車組CR400AFBF作為測試列車。測試工況見表2。

        表2 測試工況

        2.3 測試結(jié)果

        2.3.1 氣動荷載及振動響應(yīng)時程曲線

        復興號動車組CR400AF 以300 km/h 高速通過雨棚時,風壓傳感器記錄的列車氣動荷載時程曲線如圖2 所示??梢姡瑲鈩雍奢d出現(xiàn)較明顯的頭波、尾波,在車廂連接處通過時出現(xiàn)較密集的正負壓交錯現(xiàn)象,且頭波、尾波的負壓絕對值均大于正壓。動車組通過后,氣動荷載并未迅速消失,由于在列車后部出現(xiàn)了尾跡流動[10],氣動荷載仍在小范圍內(nèi)波動。

        圖2 氣動荷載時程曲線

        復興號動車組CR400AF 以300 km/h 高速通過雨棚時雨棚振動響應(yīng)時程曲線見圖3??芍軞鈩雍奢d頭波、尾波作用,雨棚振動時程曲線出現(xiàn)兩次較明顯波峰,頭波到達時雨棚振動速度峰峰值比尾波時大。第一跨跨中振動速度比第二、三跨振動速度顯著增大。

        圖3 雨棚振動響應(yīng)時程曲線

        2.3.2 氣動荷載分布規(guī)律

        當高速列車以300、350 km/h 的速度通過雨棚時,雨棚上測點F2—F4 風壓傳感器測得的氣動荷載極值見圖4??芍孩儆昱锔骺鐪y得氣動荷載無顯著差別,同速度級條件下氣動荷載波動范圍為-15.11% ~4.49%。②與車速300 km/h 相比,復興號動車組以350 km/h 高速通過時,雨棚所受高速列車氣動荷載顯著增大,不同位置傳感器測得氣動荷載比300 km/h 通過時增大26.85%~33.79%。

        圖4 雨棚監(jiān)測點氣動荷載極值

        2.3.3 振動速度分布規(guī)律

        雨棚監(jiān)測點Z1—Z23 振動速度極值見圖5??芍?,①受高速列車快速通過的影響,雨棚在兩邊跨(第一跨及第二十三跨)振動響應(yīng)最明顯。原因是該客站雨棚邊跨位置的屋面板為封閉結(jié)構(gòu),其余跨在線路上方為開敞結(jié)構(gòu),導致邊跨雨棚受氣動荷載面積增大。②中間跨(第十二跨)振動速度略大于其他跨(端部兩跨除外),主要由于中心跨的跨度比其他跨更大,在相同截面尺寸、相同材料的條件下其剛度較低。③受氣動荷載顯著增大的影響,復興號動車組由300 km/h 提速至350 km/h,雨棚振動速度增大48.29%~136.22%,其中邊跨增大約50%。

        圖5 雨棚監(jiān)測點振動速度極值

        3 雨棚結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)仿真分析

        3.1 仿真模型

        基于有限體積法,建立三維、非定常、不可壓縮、黏性紊流流動計算模型并結(jié)合k-εRNG 兩方程湍流模型[式(1)—式(2)],對動車組通過雨棚的非定常氣動荷載進行計算。

        式中:ρ為密度;k為湍流動能;t為時間;ui是速度;μ為空氣動力黏度;μt為渦黏性系數(shù);Gk為平均速度梯度引起的湍流動能;Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能;ε為湍流耗散率;YM為可壓縮瑞流中波動膨脹對總耗散率的貢獻;Sk、Sε為有效速度模型參數(shù);C1ε、C2ε、C3ε為湍流模型系數(shù),為常數(shù)。σk、σε分別是k和ε的湍流普朗特數(shù),為常數(shù)。

        氣動荷載模擬計算的外流場區(qū)域選擇大于車長10 倍寬度,總寬度為100 m;兩車距離雨棚長度大于1個車長,總長度為2 453 m。

        雨棚屋面板上設(shè)置280 個監(jiān)測點監(jiān)測300、350、400、450 km/h 運行速度下的氣動荷載[11],其中測點145、147、149 與圖1 風壓測點一致。雨棚屋面板上監(jiān)測點共設(shè)置成7 排,線路中心上方雨棚屋面板中間位置是鏤空狀態(tài),僅在雨棚屋面板兩端各設(shè)置2 個監(jiān)控點,線路中心兩側(cè)雨棚屋面板各設(shè)置3排監(jiān)測點,每排有46個監(jiān)測點。

        因振動響應(yīng)主要由頭波、尾波激勵產(chǎn)生,為減少仿真計算量,本次動車組模型將僅采用8 節(jié)編組。將氣動荷載和輪軌垂向力[11]加載至動力響應(yīng)仿真模型,其中基礎(chǔ)底部采用固結(jié)約束,雨棚屋面板和縱梁之間采用TIE連接,采用實體單元C3D8R,截面及材料參數(shù)與實際結(jié)構(gòu)一致。為CR400AF以350 km/h通過時,雨棚第一跨振動速度達到99.62 mm/s,見圖6。

        圖6 雨棚振動速度仿真結(jié)果(單位:m/s)

        3.2 模型驗證

        選取CR400AF 復興號動車組以300 km/h 單車通過時的實測值與仿真計算值進行對比。為減少仿真計算量,仿真模型采用8 節(jié)編組與實測16 節(jié)編組不同,故車體中部時程數(shù)據(jù)存在差異。氣動荷載的主要作用成分(頭波、尾波)仿真計算值與實測值較為吻合(圖7),說明氣動計算模型能夠較為準確反映氣動荷載作用情況。

        圖7 雨棚所受氣動荷載仿真計算值與實測值對比

        選取CR400AF 復興號動車組以300、350 km/h單車通過時雨棚第一跨振動速度的測試值分別為 66.08、100.77 mm/s,仿真計算值分別為 67.19、99.62 mm/s。兩種速度工況下,仿真計算值分別比實測數(shù)據(jù)相差+1.68%,-1.14%,表明仿真模型較為合理,能夠反映雨棚的真實受力情況和動力響應(yīng)。

        3.3 不同速度級下雨棚振動響應(yīng)分析

        復興號動車組以不同速度級通過時,雨棚第一跨的振動加速度極值見表3。

        表3 動車組以不同速度級通過時第一跨振動速度極值

        由表3 可知:復興號動車組以不同速度級通過雨棚時,雨棚的振動響應(yīng)隨車速的提高而增大。當CR400AF、CR400BF 從 350 km/h 提高到 400 km/h,雨棚振動速度的增長率分別為20.36%、22.88%;從400 km/h 提高到450 km/h 時,雨棚振動速度的增長率分別為29.36%、31.68%。CR400AF、CR400BF通過條件下,每提高50 km/h 速度等級,雨棚振動響應(yīng)增長率分別增大了9.00%、8.80%。

        4 結(jié)論

        1)復興號動車組通過雨棚區(qū)域時,氣動荷載出現(xiàn)較明顯的頭波、尾波,且在車廂連接處通過時出現(xiàn)較密集的正壓、負壓交錯。頭波、尾波的負壓絕對值均大于正壓。氣動荷載沿雨棚縱向分布波動較小,雨棚各跨測得氣動荷載無顯著差別。

        2)受氣動荷載頭波、尾波作用,雨棚振動響應(yīng)時程曲線出現(xiàn)兩次較明顯波峰,頭波到達時雨棚振動速度峰峰值比尾波作用時大。

        3)受端部(第一跨和第二十三跨)屋面板封閉和中間跨(第十二跨)跨度增大導致的受力面積增大和剛度降低影響,雨棚振動響應(yīng)增大。

        4)隨著列車通過速度的提高,雨棚所受氣動荷載和振動響應(yīng)均顯著增大。復興號動車組由300 km/h提速至350 km/h,雨棚氣動荷載增大約30%,邊跨振動速度增大約50%。

        5)復興號動車組從 350 km/h 提高到 400 km/h,雨棚振動速度仿真計算值增大約20%,從400 km/h 提速至450 km/h,雨棚振動速度增大約30%。

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