综合交通枢纽车站结构的人致振动特性研究*

2019-02-15崔聪聪雷晓燕

城市轨道交通研究 2019年1期

崔聪聪雷晓燕张凌

(华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，330013，南昌//第一作者，硕士研究生)

随着高速铁路的迅猛发展，国内外相继建成一些具有标志性的集铁路、地铁、公交、航空等多种交通方式为一体的“站桥合一”的大型综合交通枢纽工程。

近年来，国内外学者在人致振动的研究上做了大量工作，也取得了一定成绩。文献[1]对大跨度屋顶结构的振动及控制方法进行了相关研究；文献[6]考虑梁板结构和人体耦合的作用，研究了相关方法对结构的动力特性的响应。

以往的人致振动响应主要研究大跨度建筑物和人行天桥。综合交通枢纽是一种新的建筑形式，关于这方面的人致振动响应研究较少。综合交通枢纽的楼板跨度大、结构自身阻尼小，而且在综合交通枢纽中容易出现人员密集的情况，在人群荷载激励下容易出现共振，因此有必要对综合交通枢纽的大跨度楼板的振动特性进行分析。本文主要研究不同跨度、不同形式楼板的人致振动响应。

1 人致振动分析

为模拟人行荷载激励，本文采用的人行荷载曲线为国际桥梁及结构工程协会(IABSE)提供的步行时程曲线，式(1)为其表达式。

(1)

为了提高计算精度，可以考虑人行荷载的前3阶荷载频率，从而得到更精确的结果，见式(2)。

(2)

式中：

F——行人激励；

t——时间；

G——人的体重，按70 kg/人考虑；

fs——步行频率；

ai——竖向力的第i阶动载因子，ai=0.4+0.25(fs-2),a2=a3=0.1；

φi——初始相拉角，φ1=1,φ2=φ3=π/2。

本文以IABSE的单人步行荷载模型为基础，采用人群荷载激励模拟。考虑到同频率不同相位的影响，采用频率服从均值为2 Hz、方差为0.173的正态分布，人群行走相位差服从[-π，π]的均匀分布。

2 综合交通枢纽车站计算模型

南昌西站、南京南站站房结构为“建桥分离”的结构体系。由下到上依次为地下层、轨道层、高架层、高架夹层。南昌西站站房主体最高点距离地面41.7 m，建筑外墙南北进深385.5 m，东西宽133 m；南昌西站的楼板采用双向预应力钢筋混凝土框架结构，候车厅层标高约8.5 m。南京南站建筑外墙南北进深450 m,东西宽156 m；南京南站楼板采用了钢桁架-混凝土组合楼板结构，候车厅层位于整个站房结构地上二层，标高约11 m。

在综合交通枢纽站房有限元模型中，钢轨用空间梁单元 BEAM188模拟，钢轨扣件和轨道板支座采用弹簧阻尼单元COMBIN14模拟，轨道梁采用实体单元SOLID45模拟，上部结构中的梁、柱和杆件采用 BEAM181单元进行模拟，各层楼板采用SHELL163单元模拟。

3 综合交通枢纽车站结构的动力特性分析

3.1 模态分析

建立综合交通枢纽车站有限元模型，进行模态分析。南昌西站和南京南站的部分自振频率及振型见表1。

表1 南昌西站和南京南站的部分自振频率及振型

由表1可以看出，当结构的自振频率在3～5 Hz时，楼板出现竖向振动。而人行荷载的频率一般处在1.7～3.5 Hz之间，结构的自振频率与人行荷载的的主要频率较为接近，因此应该考虑人致振动舒适度问题。

3.2 确定性人行荷载下结构振动响应分析

3.2.1 综合交通枢纽车站楼板区域划分

将南昌西站划分为3个区域，本文研究区域介绍如下：南昌西站楼板区域通过伸缩缝分隔划分：A、B、C这3个区域位于楼板25 m跨中，D区域位于楼板18 m跨中，F区域位于大跨度商业夹层。南京南站楼板区域通过正线分隔划分为区域A和区域B。

在以下分析中，南昌西站区域A(跨度为32 m×25 m)为楼板区域一，区域D(跨度为25 m×18 m)为楼板区域二，区域C(跨度为25 m×15 m)为楼板区域三，区域B(跨度为25 m×25 m)为楼板区域四，大跨度商业夹层区域F为楼板区域五。如图1～2所示。

在南京南站的荷载工况中，区域A(板跨中27 m跨度一般区域)为楼板区域一，区域B(板跨中27 m跨度正线区域)为楼板区域二。如图3所示。

图1 南昌西站楼板区域划分

图2 南昌西站大跨度商业夹层区域

图3 南京南站楼板区域划分

3.2.2 人行荷载工况

本文所谓的同频率不同相位是指选取的位置区域人群荷载中各人的步频、动载因子等均相同，各排人的相位不一样，该方法可以考虑一定概率的荷载同步调。

工况A：荷载时程曲线按原地踏步施加在节点上，该节点为竖向振型位移最大的点，在模态分析时可以得到节点位置。通过比较不利振动点的位移，分别对大跨度悬挑结构、候车厅楼板竖向位移最大的点施加单人荷载时程曲线。

工况B: 行人慢走(走动频率1.7 Hz)、普速(走动频率2 Hz)、慢跑(走动频率2.5 Hz)、快跑(走动频率3 Hz)，所有人具有相同频率不同相位，按1人/m2作用楼板10 m×10 m位置区域。

工况C：在不同的人行荷载频率下，所有人具有相同频率同相位，按1人/m2作用楼板10 m×10 m位置区域。

工况D: 在不同的人行荷载频率下，所有人具有相同频率不同相位，按2人/m2作用楼板10 m×10 m位置区域。

工况E: 在不同的人行荷载频率下，所有人具有相同频率同相位，按2人/m2作用楼板10 m×10 m位置区域。

3.2.2.1 工况A

工况A情况下的典型荷载曲线如图4所示。

图4 工况A情况下的典型荷载曲线(步频1.7 Hz)

将不同步行频率下的典型荷载曲线加载到南昌西站楼板与大跨度商业夹层，得到的峰值加速度见表2。

将不同步行频率下的典型荷载曲线加载到南京南站楼板，得到的峰值加速度见表3。

表3 工况A情况下不同区域的加速度峰值(南京南站)

从以上分析的数据可知，南昌西站、南京南站两种结构的楼板在人致振动作用下的响应规律较为一致；随着步行频率的增加，激励点的峰值加速度先是呈现增加的趋势，当达到一定的值时又出现下降趋势。

3.2.2.2 工况B

工况B加载到有限元模型不同区域上的典型时域曲线如图5所示。

图5 工况B情况下的典型时域曲线

由图5可以看到，在加载的初始阶段，突加荷载效应导致的响应比较大。对于实际情况来说，并不存在计算中的荷载突加阶段，因为人群行走荷载是一直存在的，故在下文所有的工况中，均采用加速度时程进入稳定状态以后的稳定响应来计算和评价楼板的振动舒适度，这样得到的评价结果也更加接近实际情况。图5考虑加速度以0.019 m/s2为平衡位置。

3.2.2.3 工况C

工况C加载到有限元模型不同区域上的典型时域曲线与频谱曲线如图6所示。

综合以上分析，将上述分析得到的荷载曲线加载到有限元模型上，将有限元模型进行加载，得到如下的加速度变化响应：

(1)南昌西站不同区域在同步调不同相位作用下，不同步行频率的峰值加速度变化响应如图7所示。