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高架站雨棚结构在高铁正线列车作用下的振动分析研究

发布时间:2022年6月17日 点击数:228

0 引言

随着我国高铁事业的快速发展,哈大、京沪高铁等相继开通,四横四纵高铁网已实现,八横八纵高铁网已广泛铺开,同时也建成了一大批有高速列车正线通过的车站[1]。时速300 km的线路在我国铁路工程中属于新生事物,其对站房、雨棚结构的振动激励不同于既有线路。近些年来,我国已经对于轨道层结构以及站房主体结构在高速铁路车致振动下的响应进行了卓有成效的研究,但对于结构刚度较小,对振动激励较为敏感的雨棚结构在高铁正线通过时的振动响应研究仍十分欠缺,因而对此进行研究是十分必要且迫切的[2]

东部高铁某桥式线下站(即高架站)在使用过程中发现雨棚结构发生可视振动,本文以该高铁下线桥式站为例,采用现场实测、理论分析等多种手段对高铁正线列车通过时雨棚结构的振动现象进行了研究,认定了引起雨棚结构振动的原因并提出了对于高铁车站雨棚的设计建议[3,4,5]

1 工程概况

东部高铁某中间站站房综合楼,采用线下式站房钢筋混凝土结构;共二层,其中一层为站厅层,包括候车大厅及各种功能房屋;二层为站台层。该站房为房桥分离结构体系,共二台六线。图1给出了车站剖面图,桥梁结构和站房结构之间分离,为相互独立结构,桥梁结构上通过两条正线,两个站房结构上通过四条到发线。图2给出了该站结构的现场照片。雨棚结构与站台、股道的分布如图3所示。

图1 某站剖面图

图1 某站剖面图   下载原图


图2 某站现场照片

图2 某站现场照片   下载原图


图3 站台及雨棚平面布置图

图3 站台及雨棚平面布置图   下载原图


站台雨棚采用无站台柱雨棚形式,长437 m,两侧雨棚总宽45.5 m,在长度方向分为一个站房区域与两个站台区域两个区段,檐口高度分别为29.7m、22.6 m,站台区域雨棚结构如图4所示,站房区域雨棚结构如图5所示。雨棚主结构采用空间桁架体系,边柱为格构柱、中柱为实腹柱,中柱钢管中均灌注混凝土,沿轨道方向柱距32.7 m。主梁采用空间三角形钢管主桁架,边、中柱间跨度22.7 m,中柱间跨度13.2 m。屋面檩条采用实腹H型钢,边檩条H550×250×10×16,中间檩条H550×200×10×14,跨度32.7 m。

图4 站台区雨棚示意图

图4 站台区雨棚示意图   下载原图


图5 站房区雨棚示意图

图5 站房区雨棚示意图   下载原图


2 站房雨棚振动的现象

现场观察发现,该客站雨棚结构在正线列车通过时发生振动。结构振动时,主要振形表现为屋面檩条结构的振动,檩条为连续檩条,雨棚悬挑端振动最为明显,屋面檩条布置如图4所示。振动时间方面,正线列车开始高速通过雨棚时,雨棚檩条开始振动,振动幅值在列车尾部离开雨棚时达到最大,檩条振动在列车离开雨棚后的几十秒钟(不大于1 min)后逐渐衰减停止。正线列车高速通过时,站台并无明显振动感。

2.1 现场实测振动位移

依据现场观察到的雨棚振动状况,由原设计院联合高校结构实验室对雨棚的振动位移情况进行现场实测。测试的内容主要为:雨棚不同位置在不同方向、不同编组形式正线列车通过雨棚时结构振动的竖向位移,采用全站仪与高清数码相机相结合的手段进行测量。测点布置图如图6所示。某列车通过雨棚时檩条悬挑端的振动时程曲线如图7所示。

图6 雨棚振动位移测点布置图

图6 雨棚振动位移测点布置图   下载原图


图7 檩条悬挑端的振动时程曲线

图7 檩条悬挑端的振动时程曲线   下载原图


对大量测试进行对比分析,结果表明编组越长、车速越快的列车通过雨棚时造成的雨棚振动现象越明显,檩条结构振幅越大。雨棚檩条结构在振动时,振动最大的部位为雨棚悬挑端及其相邻跨,其振动最大位移状态如图8所示。檩条结构振动时,檩条悬挑端向上最大位移为29.0 mm,此时邻跨跨中B点的向下位移为24.2 mm。同理,檩条悬挑端向下最大位移为24.8 mm,此时邻跨跨中B点的向上位移为24.2 mm。依照此位移状况,采用强迫位移法对檩条结构进行疲劳验算,发现檩条结构最不利部位的应力幅远小于该处的容许应力幅,说明列车经过时檩条结构虽发生振动,但并未对结构安全造成影响,满足相关规范的要求。

图8 檩条振动位移示意图

图8 檩条振动位移示意图   下载原图


2.2 现场实测振动频率

为了解雨棚檩条结构的振动频率状况,进行了檩条振动频率的测试与分析。在雨棚檩条结构上布置加速度传感器,分别获得列车经过时檩条结构振动的时域信号,通过快速傅立叶变换获得其频谱。由于振动测试测点较多,下面只选择一个有典型性的测点进行分析。该测点位于站台雨棚部分边缘处的檩条上。列车经过时其振动的时域和频域信号分别如图9、10所示。

图9 雨棚檩条结构振动时域信号

图9 雨棚檩条结构振动时域信号   下载原图


图1 0 列车风致振动响应频谱分析

图1 0 列车风致振动响应频谱分析   下载原图


由图10可以发现,檩条结构振动现象中,可识别的频率主要有1.46 Hz,1.95 Hz,2.33 Hz三个峰值,其中1.46 Hz频率振动的幅值远远大于另外两个频率的峰值,可以近似地认为列车经过时檩条结构是以1.46 Hz的频率振动。

3 振动现象分析

3.1 振动现象的诱因分析

雨棚结构的振动可能的诱因有两种:1)列车通过时轨道的振动通过基础传递到雨棚结构上,造成檩条结构的振动;2)列车高速通过雨棚时造成的气压变化对雨棚结构形成激励,引起振动。为确定雨棚振动现象的诱因,进行了轨道层振动现场测试。

研究对象客站为房桥分离结构体系,在桥梁结构和站房结构上都有列车通过。试验在车站试运营期间进行结构加速度响应测试,得到结构关键部位在高速列车车致振动下的动力响应,分析车速对振动响应的影响,探索振动波在房桥分离结构体系中的传播路径。试验在一条正线所在轨道梁的底面及其梁下支承柱表面,一条到发线所在轨道梁的底面及其梁下支承柱表面四个关键位置布置传感器,每个位置布置竖向加速度传感器和水平垂直于轨道方向加速度传感器(如图11所示),以获得结构关键部位的加速度时程响应曲线,获得关键部位竖向和水平垂直于轨道方向车致振动响应的加速度峰值。试验得到的主要结论有:1)正线通过列车所产生的振动波的传播路径为:振动经桥梁结构轨道梁往下传递至桥梁结构支承柱、再沿场地土水平传递至邻近站房结构支承柱、再沿站房结构支承柱往上传递至站房结构轨道梁。振动波随着传播路径逐渐衰减。2)桥梁结构轨道梁竖直方向和水平垂直于轨道方向的主要振动频率集中在25~250Hz;站房结构轨道梁竖直方向和水平垂直于轨道方向的主要振动频率分别集中在80~250 Hz、8~160 Hz;桥梁结构支承柱竖直方向和水平垂直于轨道方向的主要振动频率分别集中在80~250 Hz、25~250 Hz;站房结构支承柱竖直方向和水平垂直于轨道方向的主要振动频率分别集中在40~250Hz、80~250 Hz。车速对所有监测结构部位的主要振动频率的影响不大。

图1 1 加速度传感器布置图

图1 1 加速度传感器布置图   下载原图


由此振动实测结果可以发现,列车通过时桥梁结构与站房结构的梁柱振动频率普遍处于8~250Hz频率较高,与檩条振动的频率1.46 Hz相差较远,且由轨道传来的振动到达站房结构时已经大为衰减,故可以判定雨棚檩条结构的振动并非由轨道振动所致,而是由列车通过时造成的气压变化引起的。

3.2 振动类型的判别

确定了檩条结构振动现象的诱因,是列车通过引起的气压变化,可以通过对比结构的自振频率与风致振动的频率来确定振动的类型,以便有针对性地制定振动控制方案。截取大气脉动风作用下雨棚檩条结构的振动响应,这部分的振动响应数据可以认为是白噪声信号,可用于分析结构自振频率。仍然选择与测试列车经过时振动现象的相同测点,结构振动的时域与频域信号如图12、13所示。

图1 2 环境风下雨棚结构振动时域信号

图1 2 环境风下雨棚结构振动时域信号   下载原图


图1 3 环境风下雨棚结构振动频域信号

图1 3 环境风下雨棚结构振动频域信号   下载原图


由图12、13可知,环境风作用下,雨棚结构振动响应较小,在频谱分析中,频率值能量幅值也较小。但由频谱图可知,结构频率主要分布在1.5~8Hz范围内,可以判断,结构的自振频率,第一阶1.64Hz(0.61 s),第二阶2.20 Hz(0.45 s),第三阶3.18 Hz(0.31 s),且这三个明显峰值中,都大于列车风致振动频率1.46 Hz,因此可以判定列车风致频率为1.46 Hz,振动为受迫振动响应而非自由振动。

3.3 计算分析结果

针对雨棚檩条结构的振动现象,对于雨棚结构又再次进行了详细的有限元分析,由于结构振动主要发生在站台雨棚部分,故仅以站台雨棚为说明对象。采用整体雨棚模型与单根檩条模型两种模型,分别对檩条结构的动力性能进行研究。

在单根檩条模型中,檩条与三角桁架相连接的檩托部位都被简化为不动铰支座,不考虑三角桁架本身位移对檩条振动的影响。单根檩条前10阶振动频率如表1所示,可以发现计算周期均大大小于结构实测的主要振动周期。与结构实际振形最接近的为2、3阶模态,如图14、15所示,从图中可以看出檩条悬挑端的振动均不明显,与结构实际振动情况不符。从单根檩条的模态分析结果可以看到,无论是自振周期,还是振形均与实际结构有较大差别,这主要是由于模型将檩条的檩托支点简化为固定铰支座,未考虑三角桁架转动对檩条结构振动的影响,造成模型约束刚度过大,计算结果失真。

  

表1 雨棚结构单根檩条模型振动模态  下载原图



表1 雨棚结构单根檩条模型振动模态

表1 雨棚结构单根檩条模型振动模态

图1 4 单根檩条模型第二阶模态振形

图1 4 单根檩条模型第二阶模态振形   下载原图


图1 5 单根檩条模型第三阶模态振形

图1 5 单根檩条模型第三阶模态振形   下载原图


在整体模型中,结构的各阶模态周期如表2所示。其中结构第一阶模态振形为顺轨向整体振形,非结构振动中真实出现的振形,不做具体分析。结构的第二、三阶模态振形分别如图16、17所示。均为檩条结构发生振动,其中第二阶振形为实际振动中出现的振形。理论分析与现场实测相吻合,印证了彼此的正确性。计算得到第二阶振形的周期为0.79 s (1.27 Hz),与现场实测的1.64 Hz (0.61 s)有一定差别,作者认为主要是由于两方面原因造成的:1)理论计算模型中未考虑屋面板与吊顶结构的蒙皮效应,造成模态计算中结构刚度偏低;2)计算模型中所取的屋面结构恒载偏大,造成模态计算中结构质量偏大,两者共同作用造成了模态周期延长、频率偏小的结果,但总体上讲,理论分析与现场实测结果是一致的。

  

表2 雨棚结构整体模型屋面振动模态  下载原图



表2 雨棚结构整体模型屋面振动模态

表2 雨棚结构整体模型屋面振动模态

图1 6 结构第二阶模态振形

图1 6 结构第二阶模态振形   下载原图


图1 7 结构第三阶模态振形

图1 7 结构第三阶模态振形   下载原图


由两个模型对于结构动力性能的分析可以看出,尽管整体模型的模态分析结果与实测结果仍有一定偏差,但总体上与实测结果相符;而单根檩条模型的分析结果却与施加结果有很大出入。

杆件受力性能方面,雨棚各种杆件应力比如表3所示。可见结构的原设计分析是符合规范要求规定的,可以保证结构的安全与正常使用。

  

表3 站台区雨棚结构构件最大应力分析统计结果  下载原图



表3 站台区雨棚结构构件最大应力分析统计结果

表3 站台区雨棚结构构件最大应力分析统计结果

4 结论

时速300 km或以上的列车,在我国属于新生事物,符合既有规范设计要求的雨棚结构,并不能保证其在列车经过时不发生可视振动。因而有高速铁路通过的站台雨棚结构宜考虑列车风造成的影响,进行专门设计。本文详细研究了东部高铁沿线某桥式站雨棚结构在高速列车作用下结构的振动现象,得出以下结论:

1)文中所研究站台雨棚结构的振动系高速列车经过造成雨棚附近气压变化引起的檩条结构的受迫振动,主结构并未发生明显振动。

2)文中所研究站台雨棚檩条结构虽然在列车风的作用下发生可视振动,但经过疲劳验算后发现,振动造成的应力幅远小于结构的容许应力幅,对结构的安全没有影响。

3)高速列车经过产生的列车风可能造成雨棚结构的振动,须在设计过程中予以考虑,尽量避免。对于有高速铁路通过的低矮(檐口距轨顶高度不大于10 m)无柱雨棚结构设计工作提出建议如下:

(1)雨棚结构振动的主要成分是檩条结构的振动,因而檩条结构须具有必要的刚度,檩条的跨高比不宜过大。

(2)三角桁架抗扭刚度有限,在檩条振动过程中,三角桁架同时也产生了扭转振动,分析时不能简单地将檩条结构的檩托节点简化为刚性铰支座,而应该采用同时包含桁架主结构与檩条结构的整体模型进行分析计算。

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