地下高铁站列车气动荷载特性试验研究

2022-05-27柳润东潘永琛刘兰华李晏良

铁路节能环保与安全卫生 2022年2期

柳润东，邢星，潘永琛，刘兰华，李晏良

（中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所，北京 100081）

0 引言

在现代城市空间建设过程中，地下空间的开发与利用十分重要，伴随我国高速铁路的大规模建设，地下高铁站的应用案例也越来越多。我国目前已经建成多座地下高铁站，如深圳福田站、天津于家堡站、成都双流机场站、八达岭长城站、北京新机场站、长沙树木岭站、海口美兰站等。高速列车通过地下高铁站时与高速列车进入隧道的气动效应有一定的相似性，会在车站内产生空气压力波，这种压力波动相当于气动荷载作用在衬砌结构和车站内各种设备上，对其疲劳耐久性产生影响。列车气动荷载对隧道与地下车站内的环境及运营安全有着重要的影响。列车风不但会将区间隧道中的大量空气带到前一地下车站，而且还能将后面地下车站内的大量空气吸到区间隧道中，从而对地下车站的气动环境产生影响；在地下高铁站内，通过列车的车速高，列车气动荷载也会相当明显。当列车在梁板结构地下站场运行时，对旅客和站场结构的气动力一般比明线过站时气动力高一个量级以上，并且存在压缩波与膨胀波的交叉传播、反射，叠加后的冲击压力荷载对砌体隔墙等车站内部结构影响更大，列车风致振动在结构整体振动响应所占的比例变得越来越高。

列车从区间隧道高速驶入地下车站时，由于对隧道内空气的挤压，在隧道与车站的交界面处会形成微气压波，此气动效应既不同于明线运行工况，也不同于隧道洞口工况，与隧道活塞风井设置、隧道-车站过渡段结构设计、列车车型、车速等因素密切相关，虽然国内对隧道微气压波进行了大量研究，但对地下高铁站的研究成果较为匮乏。

国外方面，日本学者最早利用一维假设建立了隧道压力波的一维流动理论和特征线求解方法。MIYA‐CHI T 等[1]通过列车动模型试验研究了列车通过隧道时的微气压波特性及减缓列车微气压波的工程措施；KU Y C 等[2]研究了列车鼻锥形状与微气压之间的关系，认为列车外形截面的优化可以降低对隧道及地下结构的气动效应。国内近年来在地下高铁站气动效应领域开展了一定的研究，颜峰等[3]通过仿真分析等手段对北京大兴机场站的振动响应进行了分析研究，重点研究了列车轮轨激励振动和风致振动各自造成的振动影响，研究结果表明，当列车高速通过梁板结构地下站场形式的封闭空间时，列车风致振动诱发的结构物振动响应明显；马福东等[4]对京张高速铁路八达岭站的气动效应进行了模拟分析，对车站站台的安全门设置退台距离及站内各通道之间的影响进行了分析讨论，对列车通过地下高铁站诱发站内气动效应的不同阶段进行了研究；李科等[5]对北京城际联络线车站的气动效应进行了研究，通过对比门体退台安装距离分析了列车气动荷载特性对车站结构物的影响，认为基于列车气动效设置合理的站台门退台距离应成为地下车站的一项研究内容；韩华轩等[6]对地下车站及连接隧道综合形成的站内压力波动进行了研究分析，认为地下车站结构本质上是扩大断面的隧道结构，隧道长度对车站内瞬变压力的气动效应是不容忽视的。

地下高铁站由于空间相对密闭，列车高速通过时，车头车尾携带的4 个压力波直接作用于临轨道砌体墙表面，并在极短时间内发生2 次压力换向；为缓解车站活塞风效应，在站台两侧通常设置了活塞风井，列车产生的微气压波及自身携带的风压通过活塞风井同样直接作用到上层砌体墙表面；地下车站通常还在站台设置屏蔽门，在列车气动荷载及振动反复作用下，结构物可能产生裂缝及晃动，但目前对地下高铁站内的列车气动荷载作用特性及分布规律并不明晰，本文结合现场试验开展了地下高铁站内列车气动荷载特性的试验研究。

1 试验测试概况

1.1 测试车站简介

测试车站是某城际铁路的一个地下车站，属于区间地下车站，总建筑面积26 918.8 m2，站台采用全封闭屏蔽门结构，在站台两端设有2 处活塞风井，其隧道-车站过渡断面截面变化明显，在此断面可同时测试隧道壁面与车站结构壁面上同高度位置处的列车风压值，获得列车气动荷载在隧道-车站突扩断面处的变化规律，其活塞风井设置在2 条轨道线中间，相当于在列车侧面进行了活塞风泄压，其屏蔽门设置在车站结构柱外侧，结构柱的存在会影响列车的气动荷载分布特性，由于屏蔽门是整体贯通的，结构柱的存在有可能导致屏蔽门表面的列车风压发生变化。该车站主要测点位置如图1所示。

图1 车站测点位置

1.2 测试方法

通过便携式打磨机对粘贴风压传感器安装位置进行打磨，打磨尺寸不小于8 cm×4 cm，形成光滑平面，安装好风压传感器，通过设置触发参数自动获取列车通过时的风压信号。

1.3 测试概况

列车气动荷载测试主要目的是得到隧道-车站典型结构物表面的列车风压特性，主要包括隧道-车站交界面处列车风压特性、正线轨旁砌体隔墙表面列车风压特性及正线屏蔽门表面列车风压特性。同时，结合车站结构设计、典型结构物分布及振动源强测点进行测试点位选取。由于列车进入车站与离开车站对站内结构物所产生的气动荷载并不明晰，故需对车站两侧轨旁砌体墙、隧道壁均进行测试，测试工况如表1所示。

表1 列车风压测试内容

2 试验结果及分析

2.1 列车风压时域特性

沿地下高铁车站，在隧道壁表面、进站砌体墙表面、屏蔽门立柱、站台结构柱及出站砌体墙表面布设了风压传感器，测试列车进站对结构表面形成的气动荷载特性，分别得出不同测点位置处的典型风压时程曲线，如图2所示。

由图2 可知，在测点位置处，捕捉到了2 个列车的气动冲击信号，其中后一波为列车车体所携带的膨胀波及压缩波的作用结果，而在列车到达测点位置之前，已经出现一个先正压后负压的压力变化信号，根据列车运行速度及2 个气动冲击信号出现的时间差计算可知，第一个压力信号出现的时刻，基本与列车进入隧道洞口的时刻较为接近。由此可知，当列车由明线运行至进入隧道区间的瞬间，在隧道入口形成的压缩波及列车车尾进入隧道瞬间形成的膨胀波，将会以声速向前传播至测试断面，形成第一段风压信号即列车微气压波信号，随着列车继续前进至测点附近，车身所携带的压力波作用在风压传感器表面形成车身风压主信号，其中，微气压波信号为先正压后负压，正压值大于负压值，而列车风压信号头车正压基本不明显，呈现头车信号负压、尾车信号先负压后正压的变化趋势，头车负压作用形成的压力绝对值最大。

图2 结构物表面列车风压时程曲线

出站砌体墙与进站砌体墙列车风压的波形结构较为接近，首先采集到了列车在远端进入隧道时产生的微气压的冲击作用，峰值约50 Pa 左右，已经小于隧道壁表面及进站砌体墙表面的微气压波峰值，证明在进站端活塞风井及车站结构变化的影响下，该微气压波的能量是逐渐衰减的，出站端砌体墙列车车身风压的波形结构则与进站端有一点明显的区别，即列车到达测点位置之前，列车风压已经传递到测点位置，随后列车车体经过测点时，再形成车身所携带的“正-负-负-正”的压力波变化规律，在车体到达出站端测点位置之前的列车风压波形是由于列车从隧道进入车站的过渡断面截面形式突变形成的活塞效应所导致。

2.2 地下车站列车风压极值

提取出不同断面处的风压极值，如图3 所示。在列车通过整个车站的过程中，最大正压为143.1 Pa、出现在出站砌体墙0.5 m 高度位置处，负压极值为-265.3 Pa、出现在隧道壁表面，而地下车站内的负压极值为-252.3 Pa，同样出现在出站砌体墙0.5 m 高度位置处。由此可知，列车通过地下车站时，列车风压峰值出现在车站两端，隧道壁表面风压由于其阻塞比较大，故风压绝对值最大，出隧道后，经过活塞风井墙断面时，列车风压迅速降低，在进站端砌体墙表面的列车风压处于较低水平，说明活塞风井有效减缓了列车的气动效应，但随着列车进入站台区域，风压值却逐渐增大，屏蔽门及结构柱表面风压极值在170~190 Pa区间范围，在出站砌体墙表面区域，列车风压接近隧道壁表面的风压值。

图3 地下高铁站列车风压分布

2.3 地下车站列车气动荷载分析

对高速列车从突入隧道至进入车站再出站这一全过程分析可知，站内压力波动的原因如下。

（1）由首波引起的站内压力波动。在列车突入隧道时，列车前面的空气将受到突然相对剧烈压缩，在车头前方会形成一个压缩波，即首波压缩波。当列车尾端进入隧道时，产生膨胀波并沿环状空间传播，加速环状空间气流向后运动，该膨胀波即首波车尾膨胀波。上述首波压缩波和首波车尾膨胀波以声速先后由隧道传至地下车站，会引起站内气压有一个先上升再下降的波动。此压缩及膨胀波能量小于车身所携带的压力波能量，幅值约为车身压力波的1/3左右。

（2）由列车进站引起的站内压力波动。高速列车经过隧道内某固定位置时，该位置的压力将有一个急剧降低的过程，这一过程直到列车车尾经过后才有所回升。当列车从隧道-车站过渡断面驶出后会经过活塞风井墙断面，此断面截面积远大于车后方隧道断面及车前方的站台断面，活塞风井的存在对列车气动荷载起到了减缓作用，故进站砌体墙表面的列车风压小于其他位置。

（3）由列车通过车站引起的站内压力波动。列车通过活塞风井断面后再进入车站站台区间，在此过程中发生了类似列车进入隧道洞口的气动效应，并导致出站端的结构物表面承受二次微气压波作用。列车车身通过结构物时，车头车尾携带的压力波作用在结构物表面，形成整个过程中的列车风压正负极值，并且出站端结构表面的列车风压略大于进站端，根据测试及仿真结果可知，整个过程中的最大风压极值发生在出站端，且在出站活塞风井之前的区域处。

（4）由出站反射波引起的站内压力波动。列车驶出车站的过程中，随着列车通过活塞风井墙断面，并进入隧道区间的整个过程，列车产生的压力波主要向前方传播，但也会带动后方车站内的气流向前，对整个车站形成负压作用，引发结构物表面的压力波动，但此压力波能量相对较小。