高架站雨棚结构在高铁正线列车作用下的振动分析研究.docx

? ? 高架站雨棚结构在高铁正线列车作用下的振动分析研究 ? ? 栾涛 （中铁建设集团有限公司 高级工程师,北京 100038） 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[3-5]。 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2 某站现场照片 图3 站台及雨棚平面布置图 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29.7 m、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5 站房区雨棚示意图 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7 檩条悬挑端的振动时程曲线 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 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 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。 图10 列车风致振动响应频谱分析 3 振动现象分析 3.1 振动现象的诱因分析 雨棚结构的振