“站桥合一”高架车站动力响应影响参数研究_郭向荣.pdf

第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023“站桥合一”高架车站动力响应影响参数研究郭向荣1，刘江浩1，吴业飞2，蒋晔2(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)摘要：为探究“站桥合一”型高架车站在不同车速工况以及不同结构参数情况下，列车通过车站引起的动力响应问题，以某典型“站桥合一”型车站为例，建立列车-轨道-车站系统空间耦合振动仿真分析模型，分析列车通过引起的车站站台层与站厅层的动力响应，讨论车站振动随车速变化的规律，通过对比计算结果与现场实测数据，验证模型的准确性。在此基础上，重点分析在列车车速相同的情况下，不同轨道梁梁高、站厅层框架柱尺寸、承轨层楼板厚度、站厅层和站台层楼板厚度分别对车站结构动力响应的影响。研究结果表明：站厅层竖向位移随车速增加呈现增大趋势，而车站结构的横向、纵向位移随车速的增大均呈现先增大后减小的趋势；车站结构的竖向加速度随车速增加呈增大趋势，且竖向加速度响应明显大于横向和纵向加速度响应，站厅层横向与纵向加速度响应随车速增大呈增大趋势；对此类车站而言，增大承轨层楼板厚度，对减小车站结构的动力响应作用最为明显，站厅层和站台层楼板的动力响应都有明显减小；增大站台层楼板厚度，仅站台层楼板的动力响应有所减小；增大轨道梁高度，仅站台层楼板的竖向位移响应有明显的减小；增大站厅层截面柱尺寸和站厅层楼板厚度，则对车站结构的动力响应影响很小。关键词：站桥合一；车致振动；现场实测；动力响应中图分类号：U455.43 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）02-0671-11Research on the influencing parameters of the dynamic responses of the elevated station with“integral station-bridge system”GUO Xiangrong1,LIU Jianghao1,WU Yefei2,JIANG Ye2(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075，China;2.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)Abstract:This paper investigated the influences of train speed and structural parameters on the dynamic responses of“building-bridge integration”railway station.A numerical model considering the train-track-station coupling vibration was established to analyze the effect of the train speed on the dynamic responses of the station platform and hall.Then a case study of a typical“building-bridge integration”railway station was carried out to validate the accuracy of the proposed numerical model by comparing the calculated dynamic responses with the 收稿日期：2022-03-08基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378511)；中铁第四勘察设计院集团有限公司科研课题(2017K028)通信作者：郭向荣(1968-)，男，湖南桃江人，教授，从事桥梁结构动力学研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220422铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月filed test data.Based on the verified the numerical model and considering a constant train speed,the effects of track-beam height,station-hall frame dimension,track-bearing slab thickness,and the station hall and platform slab thickness on the overall structural dynamic responses were studied.Results show that while the vertical displacement of the station hall floor increases with the train speed,both the lateral and longitudinal displacement of the station structure show an initial increasing and then decreasing trend.Meanwhile,the vertical acceleration of the station structure increases with the train speed,and the value is much greater than that of the transverse and longitudinal ones.Besides,the transverse and longitudinal acceleration responses of the station-hall floor also increase with increasing train speed.It was found that for such stations,increasing the thickness of the track-bearing floor slab has the most significant effect on reducing the structural dynamic responses of the station-hall and platform floors.However,when the thickness of the platform-floor slab increases,only the dynamic responses of the platform floor reduced.Similarly,increasing the track-beam height can only effectively mitigate the vertical dynamic responses of the platform floor.Results also show that increasing station-hall column size and slab thickness had marginal effect on the dynamic responses of the station structure.Key words:building-bridge integration;train induced vibration;filed test;dynamic response 为缓解大城市核心区人口密集、交通拥堵、环境恶化等问题，越来越多的城市群之间开始新建高架轨道交通工程。高架车站作为此类工程的主要附属设施具有投资少、建设周期短、对道路交通干扰小、工程建设难度低等优点，近年来在市域轨道交通和城际铁路工程中得到大量应用1。“站桥合一”型结构作为高架车站主要的结构形式之一，因其具有整体刚度好，结构体系柱网简单，能有效降低车站整体高度等优点逐渐成为当前的主流站型。然而，相较于其他结构形式，“站桥合一”型高架车站融合了车站建筑和桥梁2种不同受力体系的结构特性，结构刚度及质量分布在水平和竖直方向都有很大的不均匀性，因此在结构设计阶段，存在着不同结构体系之间传力路径复杂、车致振动引发的结构动力耦合作用难以明晰、现有的设计规范不能统一等一系列问题23。为此，国内外展开了一系列的研究，并取得了一些研究成果。数值模拟方面，邓世海等45将列车桥梁动力相互作用计算得到的桥梁轨道上各节点荷载时程作为外部激励施加到桥梁站房结构上进行时程分析，对列车匀速通过车站时的结构动力响应进行了计算并对车辆与结构的安全性与舒适性做出了评价。冉汶民等6采用频域分析方法计算站房结构振动响应，探讨了轨道扣件刚度对站房振动的影响，得到了站台层和站房的振动响应规律。ZHU等79建立列车轨道站房耦合系统整体动力学模型，对车辆荷载作用下车站各楼层的随机振动特性展开了分析，探究了车致车站随机振动随车速变化的规律以及车致振动沿车站水平方向和高度方向的传播衰减规律。现场实测方面，谢伟平等10对列车到发站时站房结构振动和结构噪声响应进行现场测试，分析了地铁高架车站的振动和结构噪声响应规律，并基于测试结果对不同功能区进行了舒适度评价。巴振宁等11通过现场实测，对不同车速造成结构振动、不同测点振动以及两车交会行驶时产生的振动进行了对比分析，为“站桥合一”结构形式高铁站的模拟预测提供了依据。上述研究多是从车致车站振动响应的分布、传播、衰减规律和车致振动对车站结构的安全性、舒适性以及使用性能的影响等方面进行展开1214，分析车站结构尺寸本身对其动力响应影响的研究还比较少。为解决上述问题，本文选取某典型“站桥合一”型高架车站为研究对象，采用中南大学郭向荣教授自编软件，以弹性系统动力学总势能不变值原理和“对号入座”法则为基本准则，将列车、轨道和车站结构视为一个整体，结合能量法建立列车轨道车站空间耦合振动方程，以此建立具有不同高度轨道梁，不同楼板厚度，不同截面尺寸框架柱的计算模型，采用时域分析方法求解。分析多种结构参数对车站的动力响应的影响，以期为“站桥合一”型车站结构设计提供参考。672第 2 期郭向荣，等：“站桥合一”高架车站动力响应影响参数研究1 工程概况“站桥合一”型车站结构示意图见图1。车站设计速度为120 km/h，设4线客运专线，中间两线为越行线。站房采用全现浇空间框架结构体系，站房主体由下到上为站厅层、承轨层、站台层；车站总高度约2122 m，层高自下而上距离地面分别为7.65，13.30和14.90 m。车站总长度120 m，总宽度为 31.80 m，横向布置 3 排柱，柱间距10.5 m+10.5 m，柱外侧悬挑5.4 m。纵向柱网布置为10跨12 m，不设变形缝，车站端部横梁与桥梁结构共用墩柱，均采用简支支座支撑在桥墩上。2 列车轨道车站耦合系统分析模型2.1列车仿真分析模型在对列车空间模型进行模拟时，通常需要根据车辆的构造特点进行必要的简化，以便在保证车辆模型的精确性的情况下提高计算效率。参照文献13建立车辆模型，车体和每个构架有点头、侧摆、侧滚、沉浮、摇头5个自由度；每个轮对有侧摆、摇头2个自由度，所以每辆4轴车辆共有23个自由度。列车在桥梁上行驶时，列车在桥梁上的位置是不断变化的，首先计算出一节车的总势能v，再运用势能驻值原理v=0以及形成矩阵的“对号入座”法则可得出车辆的运行方程：Mvv+Cv?v+Kv