公轨共建高架车站车桥耦合振动分析_吕尚文.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201171 第一作者:第一作者:吕尚文,硕士,高级工程师,一级注册结构工程师,注册土木工程师(岩土),主要从事轨道交通结构设计,Email:lvshangwen 。公轨共建高架车站车桥耦合振动分析吕尚文(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092)摘要:公轨共建结构体系是一种复合型交通模式,有利于节约城市的土地和构建合理的城市空间资源。公轨共建高架车站作为典型的交通建筑,同时承受汽车和列车的振动荷载。以温州市域铁路 S2 线的人民路站为例,研究车辆-车站结构系统的耦合振动分析。先假定汽车荷载为连续的移动荷载,忽略轨道不平顺的因素,研究汽车荷载对列车运行的影响;然后考虑轨道不平顺因素,单列车及双列车越行通过车站,忽略上部汽车荷载的影响,研究列车-车站结构系统的振动响应;最后对汽车-列车-车站结构的整体系统进行耦合振动分析,研究汽车及列车分别以不同的速度通过车站时系统的响应,依据规范采用平稳性指标评价乘客对列车运行平稳性的感知程度。研究结果表明,各工况下列车运行的平稳性指标均小于规范规定限值,总体评价为优秀。关键词:公轨共建车站;汽车-列车-车站结构耦合系统;轨道不平顺;动力响应;平稳性指标 中图分类号:TU375.4 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0127-06引用本文 吕尚文.公轨共建高架车站车桥耦合振动分析J.建筑结构,2023,53(3):127-132.L Shangwen.Analysis on vehicle-bridge coupling vibration of highway and rail transit co-construction stationJ.Building Structure,2023,53(3):127-132.Analysis on vehicle-bridge coupling vibration of highway and rail transit co-construction station L Shangwen(Shanghai Municipal Engineering Design Institute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200092,China)Abstract:Highway and rail transit co-construction system is a type of compound transportation mode,which is conducive to saving urban land and building reasonable urban space resources.As a typical compound traffic building,highway and rail transit co-construction station bears the vibration load of vehicles and trains at the same time.Taking Renmin Road Station of S2 line of Wenzhou City railway as an example,the coupling vibration analysis of the vehicle-train station structure system was studied.Firstly,the vehicle load was assumed to be a continuous moving load,and the factors of track irregularity were ignored to study the influence of vehicle load on train operation.In addition,considering the factors of track irregularity,single train and double train passing through the station,ignoring the influence of the upper vehicle load,the vibration response of the vehicle-train station structure system was studied.Finally,the coupling vibration of the whole system of the vehicle-train-station structure was analyzed to study the response of the system when the vehicles and trains pass through the station at different speeds respectively.The smoothness index was adopted to evaluate the degree of passengers perception of the smoothness of the train according to the standard.The results show that the smoothness index of train operation under each working condition is less than the limit value stipulated by the code,and the overall evaluation is excellent.Keywords:highway and rail transit co-construction station;vehicle-train-station interaction structure system;track irregularity;dynamic response;smoothness index 0引言 轨道交通作为一种便捷的公共交通形式,因其运量大、效能高、污染低等优点在人们的生活和城市的发展中发挥着重要的作用。而城市的快速路旨在形成中远距离郊县与市区或郊县之间的纽带,为中长距离的运输和协调发挥积极的效能。近年来,随着城市的用地紧张日趋明显,为了更合理地构建快速路与轨道交通网络,产生了一种轨道交通和快速路共建的新型复合型交通模式。这不仅有利于节约土地,构建合理的城市空间资源,更可以促进城市的健康发展。目前国内外均有已建成的公轨一体化案例,如上海轨道交通 1 号线、宁波的宁奉城际铁路、北京新机场线、日本的南港港城线等。目前国内对公轨合一桥梁中汽车-列车-桥梁的建 筑 结 构2023 年耦合振动分析有一些研究1-7,司学通1采用质量-弹簧-阻尼模型建立了 7 个自由度的汽车模型和 15个自由度的跨座式轻轨车模型,考虑桥面粗糙度和轨道梁不平顺的影响,研究桥梁-轻轨-汽车空间耦合系统的动力响应。如李小珍和强士中4采用 23个自由度的二系悬挂多刚体车辆模型,桥梁采用梁杆单元模型通过轮轨接触处的位移协调和作用力平衡研究车桥耦合系统的响应。谢伟平等5推导了 17 个自由度的可以考虑车体空间效应的空间垂向模型,考虑轨道不平顺因素,研究汽车及列车荷载以及汽车与列车耦合振动对桥梁的影响。颜锋等8研究列车车辆-桥梁-站房结构的动力作用采用分解的方法,将系统分解为车辆-等效桥梁结构计算模型和桥梁-站房结构的计算模型,研究高速列车通过时站房结构的安全性和舒适性。目前对于公轨共建高架车站的车辆-车站结构的耦合振动分析很少。鉴于此,本文以在建的温州市域铁路 S2 线人民路站为例,研究车辆-车站结构的耦合系统振动响应。文中首先输入汽车的荷载,忽略轨道不平顺的因素,研究汽车荷载对列车运行的影响。然后考虑轨道不平顺因素,忽略上部汽车的影响,研究列车荷载下系统的振动响应。最后对汽车-列车-车站结构的整体系统进行耦合振动分析,研究汽车及列车以不同的速度通过车站时系统的响应,最后根据系统的响应指标对列车运行的平稳性进行评价。1工程概况 人民路站是 S2 线一期工程的终点站,同时也是S2、S3 线的换乘车站,车站位于温瑞大道与规划清河路交叉口西南侧,沿温瑞大道走向布设,采用路中高架形式,其中 S3 线上方为温瑞大道高架快速路,为共建一体化结构。车站主体结构长 140m(10m+1012m+10m),结构总宽 49.65m。首层架空,车站立柱位于路中绿化带内,层高 8 700mm;二层为站厅层,层高 6 350mm;三层为站台层,层高1 980mm,站台下夹层为电缆通道。温瑞大道快速路为城市快速路,设计双向六车道,车站范围内墩柱跨径采用(34m+36m+36m+34m)的布置方案,快速路桥梁面采用预应力大箱梁结构体系。车站结构为现浇混凝土框架体系,S2 线站台层上覆盖钢结构雨棚,S3 线以温瑞大道快速路桥面作为车站雨棚,二者通过设置防震缝脱开,车站建筑效果图如图 1、2 所示、车站典型横断面如图 3 所示。2车辆-车站耦合系统计算模型 采用 SAP2000 软件建立车站空间有限元模型,图 1 人民路站鸟瞰图图 2 人民路站透视图图 3 人民路站典型横断面图模型中材料假设为弹性,梁柱均采用杆单元模拟,楼板采用壳单元,快速路大箱梁采用壳单元,大箱梁与桥梁墩柱采用弹性连接单元,单元方向及刚度根据实际支座类型确定,计算模型如图 4 所示。2.1 汽车荷载 温瑞大道快速路桥梁设计为双向六车道,研究桥面车辆行驶致使桥面振动对列车运行的影响。汽车荷载直接作用于上部的快速路桥梁,使桥梁体系产生振动响应,然后由墩柱传递至下部的车站结构。821第 53 卷 第 3 期吕尚文.公轨共建高架车站车桥耦合振动分析图 4 车站整体计算模型汽车荷载作为计算结构响应的输入条件,本文选取两个主要的敏感参数来分析,即汽车的车速与质量。对于汽车的质量,本文选取典型的三种车辆:小型车(1.5t、2 轴),中型车(5t、2 轴),大货车(20t、3轴);车速分别按 60、90、120km/h 来反映对目标响应的影响。依据上述条件设置不同的工况,如表 1所示。图 6 不同车速时列车对应的竖向振动荷载表 1 汽车荷载工况统计工况汽车类型车距/m车速/(km/h)1小型车20602小型车20903小型车201204中型车20605中型车20906中型车201207大货车30608大货车30909大货车30120快速路为双向六车道,桥面车辆荷载可以认为移动的满布荷载,即当第 1 辆汽车驶出桥面后,末尾新增一辆汽车驶入桥面。汽车荷载采用移动荷载模式,但计算振动效应时,程序会将移动荷载自动生成独立的时程激励9。2.2 列车荷载 轨道不平顺是导致列车在轨道上运行时产生随机振动的主要原因,并直接影响列车运行的平稳性和安全性。我国对列车振动荷载的模拟方式有很多种,主要有轨道实测加速度法、“车辆-桥梁-结构”系统动力分析模型法、轨道不平顺法。文献10对这三种方法有详细的描述,本文拟采用轨道不平顺法。温州市域铁路 S2 线采用车辆为市域动车组列车,速度目标值 140km/h。近期采用 4 节编组,考虑2 动 2 拖,列车轴压如图 5 所示。图 5 列车轴压示意图F(t)=k1k2(P0+P1sin1t+P2sin2t+P3sin3t)(1)式中:F(t)为列车振动荷载;k1为叠加系数,通常取1.21.7,本文取1.5;k2为分散系数,通常取 0.60.9,本文取0.7;P0为列车轴重静载,取200kN;P1、P2、P3为振动荷载,分别为列车在低频、