1、南京南站高速列车对建筑结构振动影响实测及分析 颜锋 张楠 张高明 钱基宏 中国建筑科学研究院 北京交通大学土木建筑工程学院 摘 要： 在第三代铁路客站建设中, 站桥合一的建筑结构形式大量出现, 列车对站房结构振动影响也开始变得明显。本文对列车运行时南京南站的站房结构振动响应进行了实测。根据站房结构关键位置的测试结果, 对振动加速度和位移响应的极值、频谱特性、振动分布和时程特点等进行了分析。同时根据轮轨关系理论建立了站房有限元计算模型, 进行了动力响应分析计算, 并将计算结果与实测结果进行了对比。结果表明理论计算值与现场实测值较为接近, 证实了列车振动影响计算方法是可信的。关键词： 振动; 南京
2、南站; 列车风; 轮轨激励; 舒适性; 作者简介：颜锋 (1979-) , 男, 副研究员, 硕士 收稿日期：2016-12-08基金：国家 973 计划项目 (2013CB036203) Measurement and study of vibration induced by high speed train in Nanjingnan Railway StationYan Feng Zhang Nan Zhang Gaoming Qian Jihong China Academy of Building Research; School of Civil Engineering, Bei
3、jing Jiaotong University; Abstract： In the construction of third generation railway station, the bridge-building structure appeares, and the vibration induced by train becomes significant.The dynamic responses induced by train of Nanjingnan Railway Station are tested in this article.According to the
4、 test results of the key position of the station structure, the vibration acceleration and displacements amplitude, spectral characteristic, vibration distribution and time history characteristics are studied.A finite element model of the station is established based on the theory of the relation be
5、tween wheel and track, and the dynamic response analysis and calculation are carried out.The calculation results and the test results are compared.The results show that the theoretical calculation is close to the test value, and the calculation method of train vibration is credible.Keyword： vibratio
6、n; Nanjingnan railway station; wheel-track excitation; serviceability; Received： 2016-12-080 引言在我国第三代铁路客站建设中, 出现了许多列车-桥梁-站房结构一体化的站房结构形式并逐渐成为主流, 同时也产生了考虑高速列车通过站房所引起的站房结构动力响应、研究站房结构人员舒适性的需要, 对此也已经作了大量理论研究工作1-6, 但是很多理论分析结果目前还未得到实测检验。南京南站总建筑面积近 55 万 m, 其中中间 156m 范围为主站房部分, 东西两侧各 158m 范围为无站台柱雨棚部分。南京南站包括宁安
7、场、沪汉蓉宁杭场和京沪场三大站场, 共计 14 条列车运行轨道, 各轨道及轴线位置如图 1 所示。图 1 南京南站主站房示意图 下载原图1 振动测试设置为了避免旅客行走等因素对测量结果造成干扰, 选择在京沪高铁封闭联动测试期间进行振动影响的测量, 进行了地下一层顶板 (出站大厅) 和候车层 (见图2) 的振动测量。测量时南京南站主体施工已经完成, 局部装修工作仍在开展。施工对测量造成了一定的影响, 特别是候车层由列车造成的振动幅值较小, 环境和施工造成振动对信噪比有一定影响。测量时站台层正在进行京沪线高铁的封闭联动测试, 人员和测试设备无法进入, 所以站台层没有进行测量。传感器布置见图 3。图
8、 2 候车层和地下一层示意图 下载原图图 3 传感器布置图 下载原图1.1 测点布置加速度传感器选用 941B 型加速度传感器。由于地下一层的柱网布置相对上部更密, 故在地下一层顶板的 4 个立柱位置布置了 4 个测点, 测点均设置在 6 轴上, 在 6 轴和 P 轴交点处设置了 1 号测点 (测量竖向、顺轨向和横轨向) , 在 N 轴设置了 2 号测点 (测量竖向和横轨向) , 在 Q 轴设置了 3 号测点 (测量竖向) , 在 R 轴设置了 4 号测点 (测量竖向) , 如图 4 所示。候车层测点均设置在 6 轴上, 在 6 轴和 P 轴交点的楼板跨中位置设置了 5 号测点 (测量竖向、顺
9、轨向和横轨向) , 在 6 轴和 N 轴交点的柱顶位置设置了 6 号测点 (测量竖向、顺轨向和横轨向) , 如图 5 所示。其中 P 轴位于候车层跨中, 候车层桁架跨度为 43m, N、Q 轴为立柱位置。图 4 地下一层楼板测点布置图 下载原图图 5 候车层楼板测点布置图 下载原图1.2 测试工况受现场条件的制约, 无法监测到全部站台通车的情况, 监测到的工况编号如表1 所示。南京南站虽设有正线, 但实际运营时所有车次全部停靠, 没有过站车次, 测试期间也没有监测到高速过站工况。表 1 振动测试工况 下载原表 2 测试结果2.1 加速度响应幅值列车在京沪场进出站时, 地下一层顶板各工况振动加速
10、度峰值平均值如表 2 所示。不同工况对比表明, 列车在 P 轴运行时, 地下一层振动响应相对较大。最大竖向振动加速度为 44.1mm/s, 横轨向加速度为 24.4mm/s, 顺轨向加速度为24.7mm/s。列车在京沪场进出站时, 候车层顶板各工况振动加速度峰值如表 3 所示。候车层振动响应相对地下一层来说较小。最大竖向振动加速度为 16.9mm/s, 横轨向加速度为 9.2mm/s, 顺轨向加速度为 9.6mm/s。数据分析表明, 各工况下加速度峰值的标准差均较小, 进出站时各个方向的加速度标准差均小于 5mm/s, 说明加速度反应的规律性较好。通过测得的加速度进行两次积分, 得到位移响应。
11、结果表明地下一层顶板和候车层楼板的位移均极小, 最大值为 0.014mm, 故不再详细列出。表 2 地下一层振动加速度峰值平均值 下载原表 表 3 候车层振动加速度最大值 Table 3 Peak value of vibration acceleration of waiting floor 下载原表 2.2 加速度响应分布各测点位置的竖向加速度分布如图 6、图 7 所示, 其中横轴为测点距离列车运行轴线的距离, 纵轴为各工况加速度响应峰值。可以看出, 随着距离的增加, 地下一层和候车层楼板的振动水平均显著降低, 21.5m 后振动响应下降至列车所在位置约 50%, 43m 后下降至约 10
12、%。2.3 加速度响应时程1) 地下一层16 节 380A 经 P 轴由东向西进站时, 1 号测点三向振动的典型加速度时程如图 8所示。波形呈前钝后尖的梭形, 以零点为中心两侧振荡。2、3、4 号测点的波形规律与 1 号测点基本一致, 但幅值小于 1 号测点。16 节 380A 经 P 轴由西向东出站时, 1 号测点三向振动的加速度时程如图 8 所示。波形呈前尖后钝的梭形, 以零点为中心两侧振荡, 。2、3、4 号测点的波形规律与 1 号测点基本一致, 但幅值小于 1 号测点。2) 候车层楼板8 节 380A 经正线 P 轴由西向东进站时, 5 号测点 (候车层跨中测点) 竖向振动的加速度时程
13、如图 9 所示。从波形图可以看出, 由于受到施工影响, 环境噪声相对加速度幅值来说较大, 受列车振动影响部分的波形基本呈前钝后尖的梭形, 以零点为中心两侧振荡。图 6 地下一层楼板振动响应分布图 下载原图图 7 候车层楼板振动响应分布图 下载原图2.4 加速度响应频谱地下一层的 1 号测点典型竖向振动加速度的频谱分布如图 10 所示, 最大频率分量在 43Hz, 较大的频率分量均集中在 30Hz60Hz, 向两侧逐渐减小。地下一层各工况下的频谱分布相差不大, 横轨向、顺轨向也与竖向分布类似。候车层桁架跨中的 5 号测点典型竖向振动加速度的频谱分布如图 11 所示, 最大频率分量在 8Hz, 而
14、横轨向、顺轨向则与地下一层类似, 集中分布在 40Hz60Hz左右。这说明在跨中位置, 较低频率的低阶竖向自振振型在列车进出站时被激发且响应相对较大, 而 30Hz60Hz 的高频激励造成的跨中振动响应则相对低频较小。跨中的 6 号测点典型竖向振动加速度的频谱分布如图 12 所示, 最大频率分量在40Hz60Hz, 横轨向、顺轨向也与竖向分布类似。2.5 竖向振动级采用记权均方根加速度算法计算铅垂向的 Z 振级 Vl Z, 各工况下地下一层和候车层最大竖向 Z 振级如表 4 所示, 各工况下 Z 振级最大值为 71.7d B。表 4 Z 振级最大值 下载原表 图 8 地下一层 1 号测点典型加
15、速度时程曲线 下载原图图 9 候车层 5 号测点竖向加速度时程曲线 下载原图图 1 0 地下 1 层 1 号测点典型竖向加速度频谱 下载原图图 1 1 候车层跨中 5 号测点典型竖向加速度频谱 下载原图图 1 2 候车层立柱 6 号测点典型竖向加速度频谱 下载原图3 列车振动影响理论分析列车-桥梁-站房结构的动力相互作用分析是一个十分复杂的问题, 为此将该分析过程分成两个部分来分别求解。首先, 建立列车-等效桥梁的力学计算模型, 得到列车车辆对轨道梁各节点的激励力时程;然后, 建立桥梁-站房结构的力学计算模型, 在轨道梁各节点输入列车车辆对各节点的激励力时程, 得到站房结构各部分的振动响应。3
16、.1 轮轨激励计算通过把站房结构的刚度、质量作用以简化形式凝聚到桥梁构件节点上, 形成一个新的车辆-等效桥梁结构系统, 然后采用迭代方法对该车辆-等效桥梁结构系统进行动力相互作用计算, 得到列车轮对轨道梁各节点力的激励力时程。其计算假定如下:1) 高铁列车采用 CRH380A 车型, 计算中车辆单元由 1 个车体、2 个转向架、4个轮对组成。每车体和每转向架均具有 Y、Z、RX、RY、RZ 方向的自由度, 每轮对具有 Y、RZ 方向的自由度。这样, 每一车辆单元共有 23 个自由度。车体与前、后转向架之间由弹簧和阻尼器相联, 转向架左右两侧各有 X、Y、Z 方向的线性弹簧和粘滞阻尼器各 1 个
17、;前、后转向架与各相应轮对之间由弹簧和阻尼器相联, 轮对左右两侧各有 X、Y、Z 方向的线性弹簧和粘滞阻尼器各 1 个。2) 计算中假定左右轮轨接触点在 Z 方向始终密贴, 轮对的运动可表示为轨面运动和轨道不平顺附加运动的代数和;左右轮轨接触点处 X、Y、RX 方向的相互作用力由 Kalker 蠕滑假定确定。为满足上述作用力正比于轮对与轨道间的相对速度, 假定车轮踏面中轮轨接触点位于 120 的圆锥面内, 轨道踏面轮轨接触点位于半径为 0.3m 的圆柱面内;假定确定上述作用力时的轮轨间法向作用力可取为静轮重。3) 列车进出站时, 车体减加速度定义为:典型节点竖向力时程见图 13, 典型横轨向节
18、点竖向力时程见图 14。图 1 3 典型节点竖向力时程 下载原图3.2 结构振动响应计算该部分计算采用 ANSYS 建立有限元模型, 梁、柱分别按实际截面建模, 采用Beam44 单元类型;楼板以壳单元模拟, 采用 Shell181 单元类型。在考虑动力荷载的影响时, 对混凝土的弹性模量乘以 1.2 的增大系数的影响。质量源取 1 倍的恒荷载和 0.5 倍的活荷载。计算时采用 Rayleigh 阻尼。按照地勘报告建立分层土体, 站房有限元模型如图 15 所示。在轨道各节点输入列车车辆对轨道各节点的激励力时程, 进行站房结构的动力时程计算, 得到结构各部分的动力响应。图 1 4 典型横轨向节点竖
19、向力时程 下载原图图 1 5 结构振动响应计算模型示意图 下载原图4 理论与实测结果对比地下一层各测点的振动加速度实测值与理论计算值的对比如表 5 所示。可以看出, 除了正线通车时水平向加速度响应外, 其余加速度实测值略大于理论计算值。候车层测点位置楼板振动加速度的实测值与理论计算值的对比如表 6 所示。可以看出, 到发线进出站时竖向加速度实测值与计算值吻合较好。表 5 地下一层顶板振动加速度实测峰值与理论值对比 下载原表 表 6 候车层顶板振动加速度实测值与理论值对比 下载原表 5 结论1) 本次测试重点分析列车制动和启动引起的振动对地面出站层和候车层的影响。列车在京沪场进出站时, 地下一层
20、顶板的最大竖向振动加速度为 44.1mm/s, 候车层楼板的最大竖向加速度为 16.9mm/s, 横轨向和顺轨向加速度小于竖向。各个方向的加速度标准差均小于 5mm/s, 说明加速度响应的规律性均较好。2) 地下一层顶板和候车层楼板的位移均极小, 最大值为 0.02mm 量级。3) 列车进出站时引起的地下一层顶板立柱位置振动频谱主要分布在 20Hz70Hz之间, 以 40Hz50Hz 为卓越频率段, 该频率段在人体振动舒适度的敏感频率段 (4Hz8Hz) 之外;候车层桁架跨中位置的竖向振动卓越频率则在人体较为敏感的4Hz10Hz 的低频段, 候车层横轨向和顺轨向振动的卓越频率带仍在 40Hz6
21、0Hz之间。4) 加速度实测值略大于理论计算值, 两者相差不大, 说明轮轨激励振动响应计算的结果是可靠的。参考文献1Yan Feng, Qian Jihong, Zhao Pengfei.Study of vibration effect caused by high speed train in Wuhan railway stationJ.Building Structure, 2009, 39 (1) :25-28 2夏禾.交通环境振动工程M.北京:科学出版社, 2010 3颜锋, 钱基宏, 赵鹏飞, 等.武汉火车站高速列车对建筑结构的振动影响研究J.建筑结构, 2009, 39 (1) :25-27 4钱基宏.2007 年铁道部科技开发计划重点课题大型客站特殊结构关键技术研究之第四分课题大跨度站房楼面结构振动舒适度研究专题研究总结报告R.北京:中国建筑科学研究院, 2007 5颜锋, 钱基宏, 赵鹏飞.高速列车运行对楼面舒适度影响研究A.第十二届空间结构学术会议论文集C.北京:2008, 11 6夏禾, 张楠.车辆与结构动力相互作用M.北京:科学出版社, 2002
