“房桥合一”结构车致振动研究现状及发展趋势

徐永波 （安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

随着铁路的快速发展及人民生活水平的提高，铁路客站的功能与空间布局也不断发生变化，旅客要求铁路客站具备换乘便捷、零距离换乘等特点，于是车站结构体系逐渐从“房桥分离”体系变化为“房桥合一”结构体系。“房桥合一”铁路综合枢纽包含轨道层、高架候车层与屋顶层，同时具有房屋和桥梁的结构特征。“房桥合一”结构体系能满足零换乘、多模式交通转换和交通流的立体化，实现足够的转换空间和多种交通方式衔接[1]。国内外有许多“房桥合一”结构的综合枢纽站，如北京南站、天津西站、武汉站、郑州东站、济南西站、柏林中央火车站等[2]。如见图1所示。

图1 “房桥合一”铁路客站

与传统的“房桥分离”铁路客站相比，“房桥合一”结构体系的轨道层结构是站房整体结构的一部分，主要有空间框架结构体系和桥梁结构体系，如图2所示。

图2 “房桥合一”结构体系

“房桥合一”结构是一种建筑与桥梁之间既相互独立又密切相关的结构，轨道层作为结构体系的一部分，而列车动荷载是轨道层结构的常态荷载，列车通过轨道层引起的振动必然会通过桥梁和竖向支撑传递至站房结构，导致整个站房的振动响应，影响旅客候车和换乘的舒适性，并对站房结构本身产生不利影响[3，4]。因此，研究车致振动响应及其控制措施对“房桥合一”铁路综合枢纽站的设计具有重要意义。

2 “房桥合一”结构特点

“房桥合一”结构体系中的桥梁结构体系适用于用地范围小、客流少、车站体量小的地段，桥梁结构体系由基础、墩台、梁等构件，先形成桥梁结构，然后在桥上建造站台，结构型式简单，占地小，由于整体结构属于“上大下小”型，结构重心位于整个结构的上部，抗震能力较差，对结构刚度和稳定性要求较高。

空间框架结构体系适用于用地面积大、客流大的地方，整个车站先形成空间框架结构，再在框架结构上布置板梁。空间框架结构体系整体性和稳定性好，刚度较大，抗振能力强，但由于框架体系大，框架结构容易出现受载不均匀，一旦基础出现不均匀沉降，将损坏结构。

“房桥合一”结构体系与传统的房建结构和桥梁结构相比，具有如下特点：

2.1 结构体系新，设计复杂

“房桥合一”结构是建筑结构与桥梁结构相结合的新型结构体系，结构的破坏机理和设计方法既不同于建筑结构，也与桥梁结构存在很大差异，设计时必须采用不同规范对不同型式的构件进行设计验算，计算过程复杂[5]。

2.2 车站结构振动时常发生

由于支承列车运行的轨道结构位于“房桥合一”结构体系的轨道层，列车通过结构时常发生，而列车通过车站时产生的振动必然传递给车站的所有构件，引起车站的振动，影响旅客的舒适度、站房结构的安全性[6]，同时站房结构的振动又反过来影响列车通过车站的安全性和平稳性。

2.3 存在人致振动的可能性

随着综合枢纽站的跨度增大，竖向自振频率降低，若与人行频率较为接近，可能产生人致振动，结构振动进而影响旅客的舒适度。

由于引起“房桥合一”结构振动的因素很多，如图3所示，频繁的振动也将影响结构的使用和安全[7]。从引起站房振动的影响因素来看，列车通过引起的振动频次更高，因此国内外学者目前主要集中于“房桥合一”结构车致振动问题，本文也主要分析“房桥合一”车致振动研究现状及控制措施，从而为“房桥合一”结构体系设计提供参考。

图3 影响车站振动的因素

3 “房桥合一”结构车致振动研究现状

随着交通运输的发展及越来越多的“房桥合一”结构的建设，“房桥合一”的车致振动问题逐渐引起国内外学者的关注，并对该问题进行了大量的理论研究与实测验证。

针对德国柏林的中央火车站，Feldmann 等[8，9]建立了柏林中央火车站站房及上部网壳结构的计算模型，研究了列车通过时桥梁和网壳结构的振动响应。2000年～2005年，北京交通大学的温宇平和高日等[10-13]通过将车桥耦合模型计算得到的列车荷载时程曲线施加于框架模型，从而对框架式高架车站的车致振动响应进行了研究，并对设计参数的选择进行了探讨，然而计算中未考虑桥梁与框架之间的耦合作用。2004年～2006年，西南交通大学的单德山和杨兴旺等[14，15]通过列车荷载模拟为列车匀速通过的荷载对桥梁式高架车站的车致振动进行了计算与分析。结合武广客运专线的建设，武汉理工大学的王国平、徐薇、于艳丽等[16-18]对武汉站的车致振动引起的上部大跨结构的振动加速度和内力进行了计算，并对武汉站楼板的舒适度进行了评价。2013年～2015年，刘海鑫、康军立等[19，20]采用 ZK活载及秦沈客专综合试验列车的激励数据对某“房桥合一”的铁路高架车站的车致振动进行了分析，但没有进行现场实测。2013年～2016年，杨娜等[21-23]采用现场实测和数值仿真相结合的方法，研究了天津西站、北京南站的车致振动响应规律，并对舒适性进行评价。中南大学的朱志辉、方联民等[24，25]以天津西站为研究对象，建立了轨道-客运站整体三维模型，对客运站的模态及车致振动响应进行了分析，认为天津西站的结构设计安全，具有较高的安全储备。李正川、冉汶民、李小珍等[26，27]以重庆沙坪坝综合交通枢纽为研究对象，采用频域加载分析方法，研究了站台和站房的振动响应规律。张凌、崔聪聪、雷晓燕等[28-30]以南昌西站为研究对象，对南昌西站车站站房的车致振动响应进行了理论仿真及实测，研究了列车高速过站时站房的动力响应及传播衰减规律。

近年来，国内外学者通过大量的理论和现场测试对“房桥合一”车致振动及传播规律进行了探索，并取得了一定的成果。然而“房桥合一”结构体系的振动的评价标准暂无合适的标准，同时受仿真手段及测试手段和数据的限制，对“房桥合一”车致振动的普遍规律还应进行更进一步的分析。另外，多振源作用下“房桥合一”结构体系振动也是今后的研究方向。同时为了满足“房桥合一”结构的安全性和适用性，还应研究相应的设计方法及养护维修措施。

4 “房桥合一”结构车致振动减隔振措施

由于结构体系的固有特征，“房桥合一”结构的车致振动问题不可避免，但车致振动过大将影响站房结构的使用安全与旅客的舒适度，需要采取响应的减隔振措施来控制“房桥合一”结构的车致振动问题。从“房桥合一”的结构组成来看，主要可以从轨道结构、桥梁结构及站房结构三个方面进行振动控制[31-33]。

4.1 轨道结构减振措施

目前轨道结构减振措施主要有保持轨道的平顺性、采用减振钢轨、减振型扣件、减振型轨道结构等措施。

4.2 桥梁减振措施

目前桥梁减振措施主要有增大桥梁刚度、采用减振支座、在桥梁上安装动力吸振器、多重调谐质量阻尼器等。

4.3 站房结构减振措施

对于建筑结构，常用的减振措施有在楼板上安装调谐质量阻尼器或在站房柱子底部安装减振支座等。

不论是采用何种减隔振措施，会产生新的问题，如采用轨道减振，对轨道结构本身的变形及受力不利。因此，“房桥合一”结构体系振动控制措施还需进一步研究与验证。

5 结论

为满足零换乘和交通流线的立体化，现代大型铁路客站普遍采用“房桥合一”结构体系，伴随“房桥合一”结构体系出现的车致振动问题不可避免。本文通过介绍“房桥合一”结构体系的特征、车致振动研究现状及减隔振控制措施，对房桥合一车致振动研究趋势提出了展望。

基于未来“房桥合一”结构体系会更加广泛的应用，并成为城市的标志性建筑，国内外学者应对“房桥合一”结构体系设计方法、车致振动的普遍规律、评价标准、减隔振措施及多振源下的振动响应与控制进行研究，使“房桥合一”结构体系更加完善。