高速列车脉动风作用下车站人行天桥动力性能试验研究

刘鹏辉，韩自力，赵健业，尹 京

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

人行桥建造在车流量大、行人稠密的地段，或者交叉口、广场、铁路上面，一般只允许行人通过。人行桥常用于避免车流和人流平面相交时的冲突，保障人员安全，提高车速，减少交通事故。高速铁路车站内人行天桥跨越股道连接各站台，其主要职能与城市交通中的人行天桥类似，设计时主要考虑人行荷载激励产生的振动舒适度问题。但高速铁路车站旅客人行天桥还具有特殊性：当动车组高速通过正线时，列车将产生较大的气动力，会对跨越正线上方的人行天桥产生瞬间的推力和吸力，引起人行天桥的振动。当振动过大时，这些振动虽不足以使结构出现安全性问题，但会给行人带来不适感，可能使行人或乘客在行走过程中出现紧张甚至恐慌心理，导致人行天桥结构使用性能降低。日本东静冈车站一座跨越新干线东海道正线的四跨连续钢板梁桥进行了新干线列车通过时的振动响应测试，测试结果表明该桥最大竖向振幅达到了3mm，最后在人行天桥安装调频质量阻尼器(TMD)进行减振[1]。我国京沪高速铁路徐州东站在正线动车组速度达到300km/h 以上时，旅客在人行天桥上能明显感受到振动，而列车脉动风是引发天桥振动的主要因素[2]。高速铁路通过人行天桥时，列车气动力在车头和车尾出现峰值，作用时间很短，且列车速度越高气动效应越明显，与人行荷载作用下人行天桥的振动完全不同，因此列车高速通过时气动力引起的人行天桥振动舒适度问题应成为高速铁路车站内人行天桥设计时须考虑的主要问题之一。

本文通过对京沈高速铁路阜新站内跨线人行天桥的自振特性和动车组列车以不同速度通过时人行天桥动力性能进行分析，研究人行天桥在脉动风激励作用下的振动特点、振动水平和振动分布规律，为我国高速铁路人行天桥的振动舒适度限值制订提供技术支持。

1 人行天桥振动标准

人行荷载与列车荷载不同，人行进过程中两下肢交替运动带动整个身体前进，人行荷载具有周期性、窄带随机性等特征。一般行人步频通常在1.6～2.5步/s，平均值为1.99步/s，呈正态分布，标准差为0.178步/s，离散性较小。因此，在竖向自振频率接近2.0 Hz的人行天桥上，由于自振频率与行人步频接近，容易发生共振[3]。国外发布人行天桥振动规范的主要目的是为了避免行人(单人行走或人群结伴行走)与天桥发生共振而导致过大的振动响应，一般包括人行天桥自振频率和振动响应2类。

1.1 我国人行天桥设计标准

我国城市人行天桥设计主要依据CJJ 69—95《城市人行天桥与人行地道技术规范》[4]，为避免共振，减少行人不安全感，天桥上部结构竖向自振频率不应小于3.0 Hz。目前该规范正在修订，其修订版征求意见稿规定：当人行天桥采用梁式结构或采用铝合金结构时，其竖向固有频率不得小于3.0 Hz，横向固有频率不得小于1.2 Hz。当采用其他结构时，天桥结构竖向固有频率大于3.0 Hz，横向固有频率大于1.2 Hz，可不进行人致振动舒适度验算；天桥结构竖向固有频率小于 3.0 Hz，横向固有频率小于1.2 Hz，应进行人致振动舒适度验算；对于竖向舒适度，应分别验算频率处于1.25～3.0 Hz的竖向模态；对于横向舒适度，应分别验算频率处于0.5～1.2 Hz的横向模态。

1.2 国外人行天桥设计标准

1.2.1 自振频率

表1给出了一些国家关于人行天桥振动频率限值的规定和建议[5]。为避免人行天桥在人行荷载下发生共振，规范中要求人行天桥竖向自振频率限值一般不低于3.0 Hz或竖向自振频率避免位于1.5～2.5 Hz。

表1 人行天桥振动频率限值

1.2.2 振动响应

人对振动的反应与振动的大小、频率特性和持续时间以及人所处的环境、人自身的活动状态、人的心理反应等都有关系。而人行天桥引起人体不舒适感的主要原因是由于振动响应过大，并超出人们所能容忍的范围。一般来说人在行进中对振动的耐受力要比在建筑物内高一些。有关人行天桥振动对人体舒适度的影响，美国、英国、日本等国家做了一些研究，相关规范对人行天桥振动舒适度指标的规定较多。研究表明，在振动的位移、速度和加速度这3个因素中，影响人的生理和心理感受的主要因素是加速度。各国规范中行人过桥的舒适度指标普遍采用桥梁最大振动加速度来划分，但限值略有差别。表2、表3给出了一些国家关于人行天桥振动加速度限值的规定和建议。

表2 竖向加速度限值

表3 横向加速度限值

欧盟煤钢研究基金的报告EN 03:2008《人行桥设计指南》中对人行荷载作用下人行天桥舒适度等级和相应峰值加速度限值进行了规定，见表4。

德国工程师协会VDI 2038-2:2013《在动力荷载作用下结构舒适度分析和评估——诊断、评估、控制措施》对人行荷载作用下桥梁振动的人体舒适度准则及其对应的桥梁设计情景进行了规定，见表5。

列车脉动风作用下引起的人行天桥振动属于瞬时振动，作用时间较短且具有一定的偶然性。行人作为受振体，如果人行桥发生振动，行人会自动调整步频和相位，以适应桥梁的振动，改善自身行走特性[3]。综合以上国外人行激励天桥振动舒适性标准，高速铁路跨线天桥振动舒适度竖向振动加速度参考限值定为1.0 m/s2，横向振动加速度参考限值定为0.3 m/s2。

表5 VDI 2038-2:2013中人行荷载作用下振动的舒适度

2 京沈高速铁路阜新站人行天桥试验研究

2.1 测点布置

京沈高速铁路阜新站设2台6线，进站天桥跨越正线，最大跨度为27.1 m，桥面宽12 m。天桥结构主要为钢桁架，纵梁和横梁均为工字钢，天桥通道为全封闭，现场照片如图1。

图1 阜新站人行天桥远景

阜新站天桥振动测点共计24个，采用阵列分布，兼顾振动最大区域和传递规律研究。测点布置如图2所示。仪器采用891型拾振器和INV9500系列无线数据采集系统，采样频率为512 Hz。

图2 人行天桥测点布置

2.2 测试结果

2.2.1 自振频率和阻尼比

阜新站人行天桥自振特性采用脉动法和自由振动衰减法测试。图3为人行天桥自由振动衰减时程曲线，可以看出，振动衰减时间约为10 s，梁体1阶竖向自振频率为4.96 Hz，竖向振动阻尼比为0.70%；2阶竖向自振频率为7.23 Hz。

图3 高速铁路跨线人行天桥自振特性

表6给出了我国部分高速铁路人行天桥自振特性实测值。可以看出，人行天桥竖向自振频率远大于行走步频(1.5～2.5 Hz)且大于规范规定的3.0 Hz，横向自振频率大于规范规定的1.5 Hz，因此旅客行走激励不会使人行天桥产生共振而导致振动舒适度的问题。

表6 高速铁路人行天桥实测自振特性

2.2.2 横向振动加速度

实测列车通过时人行天桥跨中桥面横向振动加速度时程曲线见图4。实测列车以不同速度通过时天桥跨中桥面横向振动加速度最大值见图5和表7。可以看出：在动车组速度小于250 km/h时，随着行车速度的增大人行天桥横向加速度增长缓慢；动车组速度超过250 km/h时，随着列车行车速度的增大横向加速度增长加快；不同动车组高速通过时，天桥跨中桥面横向振动加速度最大值为0.14 m/s2，均小于横向加速度人体舒适度参考限值(0.3 m/s2)。

图4 人行天桥跨中桥面横向振动加速度时程曲线

图5 不同车型通过时桥面中心横向振动加速度与列车速度的关系

测试车型速度/(km·h-1)跨中桥面横向振动加速度/(m·s-2)3000.083100.103200.08CRH380BJ3300.103400.093500.133600.143700.102600.033000.053200.07CR400AF3400.063500.093600.073700.072000.022500.032600.04CR400BF(16节长编组)3000.063100.063300.093400.06

2.2.3 竖向振动加速度

列车通过时天桥跨中桥面中心竖向振动加速度典型时程曲线见图6。

图6 列车作用下天桥跨中桥面中心竖向振动加速度典型时程曲线

表8 天桥跨中桥面竖向振动加速度最大值统计结果

天桥跨中桥面中心竖向振动加速度与列车速度的关系见图7，天桥跨中桥面中心竖向振动加速度三维谱见图8。可以看出：列车速度小于300 km/h时立柱处竖向振动加速度很小，且随速度的提高增长不明显，天桥振动是以轮轨振动经过天桥墩柱传递到桥面的振动和列车脉动风致振动叠加的结果；当列车速度超过300 km/h后，随着列车速度的提高，在车头和车尾的气动力明显增大且作用时间很短，天桥振动响应表现为以天桥竖向自振频率为主的自由衰减振动且衰减时间较慢。行车速度大于300 km/h时天桥跨中桥面中心区域的竖向加速度超过人体舒适度参考限值(1.0 m/s2)。

图7 天桥跨中桥面中心竖向振动加速度与列车速度关系

图8 天桥跨中桥面中心竖向振动加速度三维谱

2.2.4 天桥桥面不同位置振动响应分布规律

根据测得的人行天桥各位置处在列车通过时的竖向振动加速度,绘制人行天桥竖向振动加速度分布云图，见图9。

(a)CRH380BJ,350 km/h

(b)CR400AF,350 km/h

(c)CR400BF长编组,340 km/h图9 人行天桥竖向振动加速度分布云图

从图9可知：在人行天桥纵向上，跨中断面竖向振动加速度最大，然后向1/4跨和立柱断面逐渐减小；在人行天桥横向上，桥面中心区域竖向振动加速度最大，然后向两侧的边缘逐渐减小;整个桥面竖向加速度最大值位于跨中的中心处。

以CRH380BJ为例，对每个速度下天桥中心处的竖向加速度进行谱分析，并按车速依次排列，得到列车以不同速度通过时天桥跨中桥面中心竖向振动加速度在频域上的分布，见图10。

图10 CRH380BJ通过时跨中桥面中心竖向振动加速度频率速度关系

3 结论

1)列车脉动风作用引起的人行天桥振动属于瞬时振动，作用时间较短且具有一定的偶然性，参考国内外步行激励人行天桥振动舒适性标准，高速铁路人行天桥振动舒适度竖向最大振动加速度参考限值为1.0 m/s2，横向最大振动加速度参考限值为0.3 m/s2。

2)我国高速铁路人行天桥竖向自振频率远大于行走步频1.5～2.5 Hz，大于规范规定的3.0 Hz的要求，横向自振频率大于规范规定的1.5 Hz要求，旅客行走激励不会使人行天桥产生共振而导致振动舒适度的问题。

3)列车速度小于300 km/h时，天桥振动主要是经过天桥墩柱传递到桥面的轮轨振动叠加列车脉动风致振动的结果；当列车速度超过300 km/h后，随着列车速度的提高，在车头和车尾的气动力明显增大，且作用时间很短，天桥振动响应表现为以天桥竖向自振频率为主的自由衰减振动，且衰减时间较慢。列车行车速度大于300 km/h时，天桥跨中桥面中心区域的竖向加速度超过人体舒适度参考限值(1.0 m/s2)。

4)人行天桥设计应考虑列车风对天桥动力响应的影响。建议对于列车速度大于300 km/h的高速铁路跨线人行天桥通过增加天桥竖向刚度、增大阻尼等方法减小列车通过时天桥的竖向振动，并采取有效措施如优化天桥外形、增大天桥高度等减小脉动风的影响。