列车风激励下高速铁路客站刚架结构雨棚的振动响应

2022-07-11刘伯奇冯海龙王博胡海天张勇

铁道建筑 2022年6期

刘伯奇冯海龙王博胡海天张勇

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

高速铁路客站雨棚作为重要的临线（跨线）结构，为旅客乘降提供了必要的空间。2012年前我国建设的高速铁路客站雨棚主要为无站台柱雨棚。结构形式包括钢框架结构、钢桁架结构、刚架结构、张弦梁结构等。

当高速列车快速通过雨棚区域时，车身对周围空气挤压产生的气动荷载作用于雨棚结构表面，导致雨棚产生振动响应。雨棚在长期受气动荷载作用条件下，易出现结构疲劳和附属部件脱落，因此需对雨棚所受气动荷载和振动响应进行研究。文献［1-4］运用数值模拟、风洞试验、现场测试等方法对高速列车通过车站时雨棚、天桥等站内建筑物表面的风压分布特性和规律进行了研究。文献［5-7］对高速列车通过时客站结构的振动响应进行了研究。文献［8］研究了张弦梁结构雨棚在列车气动荷载作用下的振动响应规律。文献［9］研究了大跨度分区框架结构雨棚在高速列车通过时的振动响应规律。

当前雨棚振动响应尚缺乏明确的参考限值，对刚架结构雨棚振动响应规律的研究较少。本文以一高速铁路客站刚架结构雨棚为研究对象，采用现场测试和仿真分析相结合的方法，研究雨棚所受气动荷载以及气动荷载激励下刚架结构雨棚振动响应规律，为高速列车以400 km/h 及更高速度通过时雨棚的振动响应提供理论依据，为研究明确雨棚振动响应限值提供支撑。

1 工程概况

大跨度刚架结构雨棚主要结构构件为钢管柱、H 型钢梁，纵向布置H 型钢作为檩条。雨棚构件参数见表1。雨棚覆盖面积21 483 m2，共有104 根雨棚柱，以第12 跨呈轴对称。雨棚纵向投影总长421 m，纵向标准跨为18 m，正中跨（P13、P14 柱间）为21 m。横向每榀刚架4 根雨棚柱横向间距分别为21.55、12.60、21.55 m。站台高1.43 m，基础厚度1.50 m。

表1 雨棚构件参数

2 现场测试

2.1 测试内容及方法

现场试验的测试内容包括：雨棚所受气动荷载、雨棚竖向振动速度。

1）气动荷载。气动荷载采用CYG1721 型风压传感器进行测试。CYG1721 风压传感器具有较好的时漂稳定性，测量时基本不会影响空气的流场分布，量程为0 ～ 2.5 kPa，固有频率不小于200 Hz。

列车气动荷载主要作用于雨棚檐口板和吊顶板，测试中将风压传感器布置于雨棚檐口板侧面［图1（a）］，共布置3个风压传感器，位于2 ～4跨。

2）振动速度。振动速度采用891-2 振动传感器进行测试。891-2 振动传感器适用于低频的微弱振动信号测量，灵敏度高且性能稳定，频率范围为0.5 ～100 Hz。因刚架结构纵向刚度低，檩条振动较为显著，故将振动传感器布置于纵向檩条上端。为测得檩条的最大振动速度，振动传感器均位于檩条跨中［图1（b）］。

图1 现场传感器测点布置（单位：m）

2.2 测试工况

高速列车通过该站时，通过速度为285 ～350 km/h，动车组的主要运行速度级为300、350 km/h。由于不同车型的车体截面不同，产生的气动荷载不同，因此本次测试仅选择车体截面相同的复兴号动车组CR400AFBF作为测试列车。测试工况见表2。

表2 测试工况

2.3 测试结果

2.3.1 气动荷载及振动响应时程曲线

复兴号动车组CR400AF 以300 km/h 高速通过雨棚时，风压传感器记录的列车气动荷载时程曲线如图2 所示。可见，气动荷载出现较明显的头波、尾波，在车厢连接处通过时出现较密集的正负压交错现象，且头波、尾波的负压绝对值均大于正压。动车组通过后，气动荷载并未迅速消失，由于在列车后部出现了尾迹流动［10］，气动荷载仍在小范围内波动。

图2 气动荷载时程曲线

复兴号动车组CR400AF 以300 km/h 高速通过雨棚时雨棚振动响应时程曲线见图3。可知，受气动荷载头波、尾波作用，雨棚振动时程曲线出现两次较明显波峰，头波到达时雨棚振动速度峰峰值比尾波时大。第一跨跨中振动速度比第二、三跨振动速度显著增大。

图3 雨棚振动响应时程曲线

2.3.2 气动荷载分布规律

当高速列车以300、350 km/h 的速度通过雨棚时，雨棚上测点F2—F4 风压传感器测得的气动荷载极值见图4。可知：①雨棚各跨测得气动荷载无显著差别，同速度级条件下气动荷载波动范围为-15.11% ～4.49%。②与车速300 km/h 相比，复兴号动车组以350 km/h 高速通过时，雨棚所受高速列车气动荷载显著增大，不同位置传感器测得气动荷载比300 km/h 通过时增大26.85%～33.79%。

图4 雨棚监测点气动荷载极值

2.3.3 振动速度分布规律

雨棚监测点Z1—Z23 振动速度极值见图5。可知，①受高速列车快速通过的影响，雨棚在两边跨（第一跨及第二十三跨）振动响应最明显。原因是该客站雨棚边跨位置的屋面板为封闭结构，其余跨在线路上方为开敞结构，导致边跨雨棚受气动荷载面积增大。②中间跨（第十二跨）振动速度略大于其他跨（端部两跨除外），主要由于中心跨的跨度比其他跨更大，在相同截面尺寸、相同材料的条件下其刚度较低。③受气动荷载显著增大的影响，复兴号动车组由300 km/h 提速至350 km/h，雨棚振动速度增大48.29%～136.22%，其中边跨增大约50%。

图5 雨棚监测点振动速度极值

3 雨棚结构振动响应仿真分析

3.1 仿真模型

基于有限体积法，建立三维、非定常、不可压缩、黏性紊流流动计算模型并结合k-εRNG 两方程湍流模型［式（1）—式（2）］，对动车组通过雨棚的非定常气动荷载进行计算。

式中：ρ为密度；k为湍流动能；t为时间；ui是速度；μ为空气动力黏度；μt为涡黏性系数；Gk为平均速度梯度引起的湍流动能；Gb为浮力产生的湍流动能；ε为湍流耗散率；YM为可压缩瑞流中波动膨胀对总耗散率的贡献；Sk、Sε为有效速度模型参数；C1ε、C2ε、C3ε为湍流模型系数，为常数。σk、σε分别是k和ε的湍流普朗特数，为常数。

气动荷载模拟计算的外流场区域选择大于车长10 倍宽度，总宽度为100 m；两车距离雨棚长度大于1个车长，总长度为2 453 m。

雨棚屋面板上设置280 个监测点监测300、350、400、450 km/h 运行速度下的气动荷载［11］，其中测点145、147、149 与图1 风压测点一致。雨棚屋面板上监测点共设置成7 排，线路中心上方雨棚屋面板中间位置是镂空状态，仅在雨棚屋面板两端各设置2 个监控点，线路中心两侧雨棚屋面板各设置3排监测点，每排有46个监测点。

因振动响应主要由头波、尾波激励产生，为减少仿真计算量，本次动车组模型将仅采用8 节编组。将气动荷载和轮轨垂向力［11］加载至动力响应仿真模型，其中基础底部采用固结约束，雨棚屋面板和纵梁之间采用TIE连接，采用实体单元C3D8R，截面及材料参数与实际结构一致。为CR400AF以350 km/h通过时，雨棚第一跨振动速度达到99.62 mm/s，见图6。

图6 雨棚振动速度仿真结果（单位：m/s）

3.2 模型验证

选取CR400AF 复兴号动车组以300 km/h 单车通过时的实测值与仿真计算值进行对比。为减少仿真计算量，仿真模型采用8 节编组与实测16 节编组不同，故车体中部时程数据存在差异。气动荷载的主要作用成分（头波、尾波）仿真计算值与实测值较为吻合（图7），说明气动计算模型能够较为准确反映气动荷载作用情况。

图7 雨棚所受气动荷载仿真计算值与实测值对比

选取CR400AF 复兴号动车组以300、350 km/h单车通过时雨棚第一跨振动速度的测试值分别为 66.08、100.77 mm/s，仿真计算值分别为 67.19、99.62 mm/s。两种速度工况下，仿真计算值分别比实测数据相差+1.68%，-1.14%，表明仿真模型较为合理，能够反映雨棚的真实受力情况和动力响应。

3.3 不同速度级下雨棚振动响应分析

复兴号动车组以不同速度级通过时，雨棚第一跨的振动加速度极值见表3。

表3 动车组以不同速度级通过时第一跨振动速度极值

由表3 可知：复兴号动车组以不同速度级通过雨棚时，雨棚的振动响应随车速的提高而增大。当CR400AF、CR400BF 从 350 km/h 提高到 400 km/h，雨棚振动速度的增长率分别为20.36%、22.88%；从400 km/h 提高到450 km/h 时，雨棚振动速度的增长率分别为29.36%、31.68%。CR400AF、CR400BF通过条件下，每提高50 km/h 速度等级，雨棚振动响应增长率分别增大了9.00%、8.80%。