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%。