新建铁路南京南站站房结构的动力特性分析

2011-09-04赵阳阳郭薇薇高芒芒

铁道建筑 2011年9期

赵阳阳，郭薇薇，高芒芒

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044;2.中国铁道科学研究院，北京 100081)

随着城市轨道交通的发展，一种新的结构形式——高架车站应运而生。高架车站既不是单一的房屋结构，也不是单一的桥梁结构，而是一种桥梁和房建相结合的结构体系。与传统的地面车站相比，高架车站配合高架线路能显著地减少占地面积，特别适合于土地资源紧张的城市交通系统，这也是高架车站能在城市轨道交通中得到迅速发展的原因之一。并且与地下轨道交通系统相比，高架交通的建设成本较低，施工周期短。

新建铁路南京南站作为京沪高速铁路的五大始发站之一，采用了典型的建、桥合一的高架结构形式。然而，由于其站房结构通过竖向支撑与站台层联系起来，列车通过车站时所引起的振动会通过竖向支撑传递到上部结构，就有可能引起车站结构的安全性或旅客的舒适性问题;因此很有必要对站房结构的整体动力特性进行研究，以确保结构的运营安全性以及乘客的人体舒适性。本文建立了南京南站站房结构的有限元模型，并通过分析其自振特性和列车过站时结构的动力响应两个方面对南京南站的整体动力特性进行了考察。

1 工程概况

南京南站位于南京市南部，主城区和江宁开发区、东山新区之间，由宁溧路、机场高速、绕城公路、秦淮新河等围合的区域，距南京市市中心约10.5 km。车站客运用房面积约6万m2，总设计规模15站台28线。其中高速场到发线10条，沪汉蓉宁杭场到发线12条，宁安场6条，基本站台2座，中间站台13座，站台长度均为450 m。南京南站工程建筑总面积64.4万m2，主要由站房、无站台柱雨棚、配套市政工程和地铁组成。其中，主站房面积28.1万m2;无站台柱雨棚面积10.6万m2;配套市政工程面积20.4万 m2;地铁面积5.2万m2。

图1 南京南站鸟瞰

南京南站整体建筑包括地上三层(含两个夹层)、地下一层以及局部地下二层(图1)。主站房地下室采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，钢筋混凝土楼盖，按100年设计使用年限进行结构设计。主站房首层采用钢筋混凝土框架结构，其中部分框架梁内增加钢骨，钢筋混凝土楼盖，利用正线桥及防震缝将本层分为七个部分，其中最大块为168 m×83.8 m，乘轨部分最大块为156 m×48.6 m，按100年设计使用年限进行结构设计。候车层采用钢管混凝土柱与钢桁架、钢梁组成的结构体系，楼盖为闭口式钢承板与钢筋混凝土构成的组合楼板，采用楼面梁加牛腿及滑动支座方式，将楼面分成三块，每段之间用铰接连接，南北向可滑动，东西向不可滑动，其中最大块为125 m×156 m，按50年设计使用年限进行结构设计。屋盖采用钢网架结构，屋面板采用轻质镀锌钢板夹芯板，平面尺寸为216 m×458 m。考虑到温度应力的影响，屋面与柱顶连接采用可变位的滑动支座，按50年设计使用年限进行结构设计。

2 有限元模型的建立

图2 结构整体计算模型

图3 乘轨层局部放大

本文应用有限元软件 Midas/Civil建立了南京南站站房结构的三维整体模型(图2)，其中P、J、D三条线分别代表京沪场正线桥、沪汉蓉场正线桥、宁安城际场正线桥。地下室部分，柱和框架结构采用梁单元、楼板和剪力墙结构采用板单元模拟，地下室顶板在正线桥附近预留部分0.6 m的结构缝，但整个楼板在地铁区域完全联通。主站房首层(乘轨层)，钢筋混凝土柱与框架结构采用梁单元模拟(图3)，其中部分框架梁和直接承托列车荷载的轨道梁采用组合材料的梁单元。正线桥的梁部和钢臂墩采用板单元，活动墩采用梁单元模拟，梁部横截面的截面形式根据板单元的厚度变化来模拟，并计入了由二期恒载换算成的重度(130 kN/m3)。候车层桁架结构采用桁架单元，柱和钢梁部分采用梁单元模拟(图4)，柱与桁架刚接，钢梁与桁架的连接处释放梁端约束，同样通过释放梁端约束的方式将分开的三部分楼面进行铰接。夹层部分，框架结构采用梁单元，楼板采用板单元模拟。顶层部分，柱和屋盖网架结构采用梁单元模拟(图5)，网架与柱连接处进行铰接，网架梁单元之间进行铰接。材料均假设为弹性，钢材和混凝土的密度、重量以及强度均按照规范选取，各部分构件的材料特性见表1。

图4 候车层钢桁架局部放大

图5 屋盖结构局部放大

表1 模型构件的材料特性

另外，在工程实际设计与施工中，由于乘轨层顶板梁需要满足铁路客运列车到、发站使用功能的要求和轨道平顺度及稳定性要求，三条正线桥与到、发线是完全脱开的。但是在实际的检测过程中发现，正线桥发生振动(比如列车过桥)时对乘轨层还是有一定的影响，这说明正线桥与到、发线之间没有完全脱开。考虑到正线桥与到、发线之间的间隙非常小，究其原因可能有两个:一是施工误差导致两者之间有接触;二是有杂物落入两者之间的空隙中使之产生连接效应。为模拟这种状况，模型中将正线桥桥面板与乘轨层框架梁之间用多个刚臂进行连接，见图6。

图6 乘轨层与正线桥连接局部放大

3 自振特性分析

由于车站结构复杂，杆件数量庞大，为充分考察结构各部分的振动状态，利用建立的有限元模型，对结构前500阶振型进行计算分析，部分见表2。

表2 屋盖、候车层、乘轨层结构前3阶振型

计算结果表明，结构的自振多为局部振动，只有极少数的整体振型，自振频率范围从第1阶的0.612 Hz到第500阶的6.892 Hz。结构第1阶振动为屋盖边缘的振动，X向质量参与系数为0.08%，Z向质量参与系数为0.01%;前13阶主要是顶层屋盖和柱的振动，直到第14阶，部分候车层楼板、乘轨层框架梁以及 D线正线桥才出现 X向(顺轨向)的振动，振动频率为1.147 Hz，X向质量参与系数为16.61%;到第18阶，出现了以候车层楼板和正线桥为主的振动，振动在J线正线桥附近达到最大值，全部为X向，振动频率为1.291 Hz，X向质量参与系数为15.27%;第21阶出现了以乘轨层框架梁和正线桥为主的振动，振动频率为1.358 Hz，X向质量参与系数为0.46%;第40阶出现了以候车层楼板为主的振动，振动分布比较均匀，全部为Y向(横轨向)，振动频率为1.999 Hz，Y向质量参与系数为35.55%;在其它阶的振型中，候车层和乘轨层偶尔会出现局部的振动，并且参与系数都非常低，所以不再一一阐述。

4 列车过站时的动力响应分析

南京南站通行线路共包括11条到发线和3条正线(图2)。本文对列车通过正线桥时结构的动力响应进行了时程分析。

结构的动力平衡方程为

式中，［M］，［C］，［K］分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。

将实际结构的阻尼简化为结构总刚度阵和质量阵的线性组合，即

式中，阻尼矩阵C中的质量阻尼系数α和刚度阻尼系数β由结构的一阶、二阶自振频率ω1，ω2与相应的阻尼比ξ1，ξ2确定。本文采用站房结构第一阶模态和第二阶模态对应的频率和阻尼比进行计算，求得结构的系数 α和系数 β分别为0.079 5和0.005 029;列车荷载选择国产CRH2列车进行模拟，将每个轮对简化成实际轴重大小的竖向荷载，对正线桥桥面板相应节点输入列车荷载对各节点的激励时程;计算车速取为60 km/h，80 km/h。

图7～图9为列车以80 km/h分别通过三条正线桥时，候车层楼板的最大竖向加速度时程曲线。

图7 列车通过P线正线桥时候车层楼板最大竖向加速度时程

图8 列车通过J线正线桥时候车层楼板最大竖向加速度时程

图9 列车通过D线正线桥时候车层楼板最大竖向加速度时程

由于三条正线桥 P，J，D位于车站不同的位置，所以列车过站时引起的振动对候车层的影响会有所不同。当列车以60 km/h，80 km/h的速度分别通过三条正线桥时引起的候车层的最大位移响应和最大加速度响应见表3，表4所示。从表中可以看出:列车通过D线时引起的候车层结构在三个方向的位移响应值最大，其中顺轨向响应最为明显，这是由于D线正线桥只有一边与乘轨层框架梁有刚臂连接;而列车通过D线时引起的候车层结构竖向和顺轨向加速度响应最大，通过P线时引起的横轨向加速度响应最大;随着车速从60 km/h到80 km/h的增大，列车单线通过P线正线桥时，候车层的最大竖向位移和最大横轨向加速度变小，其它各项最大响应值则增大;列车单线通过J线时候车层的各项最大响应值都增大;列车单线通过D线正线桥时，候车层最大竖向位移变小，而其它各项最大响应值则都增大。

表3 列车通过正线桥引起的候车层最大位移响应

通过上述比较分析可以看出，对于列车单线通过正线桥时引起的候车层的响应，线路和车速都是比较重要的影响因素。一般来说，除了个别响应值外，列车通过D线时候车层的最大响应值要比列车通过其它两条线路时的响应值大，列车以80 km/h过站时引起的候车层最大响应要比以60 km/h过站引起的候车层最大响应值大。当列车以80 km/h通过D线时，候车层楼板的最大竖向位移仅为0.059 mm，最大竖向加速度为20.763 mm/s2，折合0.002 g。根据美国钢结构协会标准《人类活动引起的楼面振动》(AISC-11)，火车站候车大厅等区域在4～8 Hz频率范围内的竖向振动加速度限值为0.015 g，而本文的计算结果远小于该值。同样，在其它几种行车工况下候车层的最大响应也没有超出舒适度的最大限值，表明由正线运行列车引起的候车层楼板的振动响应，都不会造成旅客的不舒适感，从而说明新南京南站具有较好的动力性能。