客运专线高架车站的减振设计研究

2011-07-30高芒芒熊建珍

铁道建筑 2011年8期

马莉，王澜，高芒芒，熊建珍，宣言，方兴

(中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

随着我国高速铁路的迅猛发展，客运专线的高架车站已经成为集铁路、地铁、公交等多种交通方式为一体的大型综合交通枢纽。高速列车通过高架车站时引起的振动会直接影响旅客候车或换乘的舒适性，由此对车站的减振降噪技术提出了较高的要求。本文以某客运专线铁路高架车站为实例，建立列车—无砟轨道—站房结构模型，结合现场试验结果对模型的准确性进行了验证，并对不同减振方案的效果进行分析。

1 工程概况

某客运专线铁路高架车站由主站房和站台雨棚组成，站台雨棚为一层单钢结构，位于主站房的两侧，与主站房设防振缝分开。

主站房结构采用建桥一体化结构形式，自下而上依次为出站层、站台层和候车厅。出站层地面高程为－9.250 m，层高10.500 m;站台层楼面高程为1.250 m，层高9.250 m;候车厅楼面高程为10.500 m;屋面为曲面钢网架(局部为49 m的张弦梁)，最高点高程为38.200 m，最低点高程为21.970 m。站台层立柱为矩形钢管混凝土柱，候车厅立柱为圆形钢管混凝土柱和树形组合钢管混凝土柱，内灌C40混凝土。

站台层的站线规模为8站台16线(含2条高速正线)，有1个基本站台和7个中间站台。站线区主要由10座3跨桥式布置为(30.1+49.0+30.1)m的箱型预应力混凝土连续梁及其相互之间的站台梁组成。墩台均采用实体桥墩，桥墩采用矩形截面，墩台和墩身采用C30混凝土。位于到发线连续梁中墩上的立柱，穿越连续梁横梁中预设的孔道，支立于桥墩顶面，位于桥台上的立柱直接支立于墩台顶。由于正线桥梁与两侧的到发线桥梁共用桥墩，当高速列车通过正线时，正线桥梁的振动将通过桥墩和桥墩上的立柱向上传递至候车厅。

2 高架车站减振分析

2.1 模型建立

采用有限元软件MIDAS建立站房主体结构模型，模型长113.0 m，宽163.5 m，包含出站层、站台层、设备夹层、候车厅以及钢网架屋盖，以梁式受弯杆件和三角形或矩形板单元为基本单元，如图1所示。通过对站房主体结构和正线连续梁自振特性的分析，站房主体结构前20阶振型均为钢网架屋盖和候车厅楼面的局部振动，图2和图3分别为钢网架屋盖和候车厅楼面的典型振型图;正线连续梁的自振特性计算结果见表1，第1阶对称竖弯和第2阶反对称竖弯的振型图如图4和图5所示。

图1 车站主站房结构有限元模型

图2 车站主体结构第6阶振型

图3 车站主体结构第12阶振型

图4 正线连续梁第1阶振型

表1 正线连续梁自振频率表

图5 正线连续梁第2阶振型

2.2 模型验证

车站主站房模型作为子结构进入列车—无砟轨道—站房结构耦合振动分析程序，可计算出列车正线通过车站时站内各点的动力学响应。基于该车站现场振动试验采用的试验列车为CRH2高速动车组(车辆编组6动2拖)，且300 km/h车速的试验样本数目较多，对模型进行验证时，列车采用CRH2高速动车组，轮轨激励采用实测轨道不平顺，计算车速为300 km/h。

1)自振频率的对比

现场振动试验采用环境微振动法对正线桥梁自振特性进行测试。实测以中跨49 m梁振动为主的竖向自振频率为3.580 Hz，对应于理论计算的第1阶对称竖弯，计算值为3.224 Hz;以边跨32 m梁振动为主的竖向自振频率为6.910 Hz，对应于理论计算的第2阶反对称竖弯，计算值为6.262 Hz。实测值略高于计算值，两者基本吻合。

2)振动响应对比

根据车站候车厅的平面布置，车站横向距离正线中心线 0，17，28 m处的区域为旅客候车休息区，人员较为密集，楼面的振动将直接影响旅客候车的舒适性，计算时主要考虑上述敏感区域的楼面振动。候车厅楼面竖向加速度的计算值与实测值的对比如表2所示。通过比较可知，实测值和计算值均呈现正线中心线上方楼面振动剧烈，加速度值较大，较远处振动逐渐衰减，数值减小的特点。实测值略高于计算值，两者之间误差较小，理论分析结果与实测值吻合良好，能够反映结构的实际振动情况。

表2 高架候车厅楼面竖向振动加速度实测值与计算值比较m/s2

2.3 减振优化方案

鉴于本文工程案例中高架车站已经建成，相对于车站建筑结构内部的减振，对正线轨道结构进行减振更具效果，不仅可以直接减小正线桥梁传递至候车厅的振动，而且轨道减振措施比较容易实施，也利于日常养护和维修。针对列车正线通过该车站的设计速度为350 km/h，且以CRH2型动车组居多的情况，提出三种轨道减振优化方案，即提高扣件弹性、轨道板下铺设橡胶弹性垫层以及使用钢弹簧浮置板轨道代替原来的双块式无砟轨道。采用上述三种轨道减振优化方案对车站进行仿真分析时，列车参数选取CRH2型动车组参数(车辆编组为6动2拖)，车速为350 km/h，轮轨激励采用实测轨道不平顺。

1)提高扣件弹性

在有砟轨道中，轨道弹性主要由道床提供，而在无砟轨道中，轨道弹性主要由扣件提供，因此扣件弹性对减振具有重要作用，可以减小对下部轨道结构或桥梁的冲击作用。在高速铁路无砟轨道结构中，应用最为广泛的扣件是日本的直结4K型和8K型、德国的Vossloh300型、Krupp ECF型以及 Pandrol推出的Fastclip扣件。日本直结型扣件弹性主要由轨下垫板提供，静刚度一般为30 kN/mm，动静刚度比≥1.5;德国扣件弹性主要由铁垫板下的弹性基板提供，静刚度一般为25 kN/mm，动静刚度比≤1.5;Pandrol推出的Fastclip扣件弹性主要由轨下垫板提供，垫板刚度为40～55 kN/mm。针对不同的扣件弹性，在模型计算过程中通过改变钢轨支承刚度对比分析车站的动力响应。在本文所取计算参数条件下，当钢轨支承刚度为25～80 kN/mm时，候车厅楼面竖向振动加速度随钢轨支承刚度的增大而增大，大体上呈线性分布，如图6所示，提高扣件弹性可以有效减振，钢轨支承刚度每减小1 kN/mm可使候车厅楼面振动加速度减小0.005 m/s2。

针对高速铁路高架候车环境，目前国内外尚无规范、标准对人体舒适度可接受的楼盖振动限值做出规定。美国ATC(Applied Technology Council)于1999年发布《减小楼板振动》设计指南中建议:医院手术室、住宅及办公室、商场、室外人行天桥等不同环境下的楼盖竖向振动峰值加速度限值分别为0.025 m/s2、0.05 m/s2、0.15 m/s2和0.5 m/s2。铁路客运车站的候车环境与室外人行天桥有类似之处，候车厅楼面竖向振动峰值加速度不宜超过0.5 m/s2。根据图6，考虑到动静刚度比，该车站钢轨支承静刚度适宜在25～50 kN/mm之间。

图6 候车厅楼面竖向振动加速度与扣件弹性关系图

2)轨道板下铺设橡胶弹性垫层

在本文的高架车站中，正线轨道采用双块式无砟轨道，如果在轨道板下设置20 mm厚橡胶弹性垫层，可以降低轨道支承刚度，减小正线桥梁的振动。在计算模型中使用间距相等的分布式支承弹簧来模拟橡胶垫层的弹性，支承弹簧间距定为0.6 m，刚度取为40 kN/mm。在本文所取计算参数条件下，候车厅楼面的加速度对比如图7所示。无砟轨道下铺设橡胶弹性垫层相对于未采用减振措施时，可使候车厅楼面的振动减小约10%。

图7 候车厅楼面加速度对比(方案二)

3)采用钢弹簧浮置板道床结构

钢弹簧浮置板道床结构具有良好的减振性能，在城市地铁中得到广泛应用，但尚未在高速铁路中得到应用。按照支承方式划分，钢弹簧浮置板主要有侧置弹簧式和内置弹簧式两种，如图8所示。地铁车速为80 km/h，而高铁车速在250 km/h以上，如果在高速铁路轨道结构中使用钢弹簧浮置板道床，考虑到安装和检修的方便，宜采用侧置弹簧式，而且需要对其进行横向限位，使之能够牢固地固定在基础和桥梁上。

图8 钢弹簧浮置板

针对本文的高架车站，按照《城市轨道交通弹簧浮置板轨道技术标准》中的相关规定，对钢弹簧浮置板的尺寸和参数进行设计。高架车站正线桥梁铺设4块钢弹簧浮置板，每块浮置板长度为27.2 m，宽度为2.8 m，厚度为0.77 m，钢弹簧隔振器间距为4.53 m，隔振器的垂向刚度为39.76 kN/mm，横向刚度为44.37 kN/mm。为了保证高速列车通过时浮置板的稳定性，需要在浮置板的横向设置挡块。

在本文所取计算参数条件下，候车厅楼面的加速度对比如图9所示，轨道结构采用钢弹簧浮置板道床相对于原来的无砟轨道可使候车厅楼面的振动减小约25%。