运营列车对旅客天桥结构风动影响的思考

桓玉柱

（南昌铁路局工程质量监督站,江西 南昌 330002）

0 引言

高速铁路客站建设中的跨正线旅客天桥，不仅需要解决旅客乘降列车的方便问题，为旅客提供舒适的上下车通道环境，还与铁路运营的安全紧密相关。为此，需要充分考虑运营列车对旅客天桥结构风动的影响，并根据实际情况来进行设计和施工。

1 风动对旅客天桥结构的影响

目前全路高铁运营里程已超过4万km，旅客站房进站天桥基本上跨既有线路，且设计结构安全等级为一级。在两列动车按设计速度350 km/h在区间站邻线通过时，会对上跨正线天桥产生共振频率，长期受此振幅影响，需对天桥结构的安全性、可靠度、舒适度进行分析，以确保高铁运营安全及旅客舒适度符合要求[1-2]。

2 现有设计标准和技术规范的相关要求

铁路旅客天桥因考虑安装便捷基本采用钢结构，《钢结构设计标准》（GB50017—2017）中仅要求对直接承受动力荷载重复作用的钢结构进行疲劳计算，对于高铁通过的风动效应间接作用在钢结构上的影响，则没有相关疲劳验算规定。《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ69—2010）规定人行天桥的上部结构竖向自振频率不小于3 Hz时才能满足行人舒适度的要求，《铁路旅客车站设计规范》（TB10100—2018）第7.9.3条规定“旅客天桥跨越正线时应考虑列车运行产生的振动和风压对结构舒适度的影响”。因此，目前现有的规范要么没有钢结构的疲劳及共振影响方面的规定，要么对旅客天桥的风动效应仅是定性的要求，没有明确具体的控制数量及技术参数。从设计到施工，针对旅客天桥因风动效应导致的最不利结构影响无法进行质量源头控制，亟待进行相关研究并确定现阶段最有效可行的保障措施，消除可能存在的运营安全隐患。

3 旅客天桥的安全性、可靠度及舒适度分析

由于现行钢结构设计规范中没有对旅客天桥结构进行疲劳验算的要求，但铁路旅客天桥在设计100年寿命期内需反复承受列车交会导致的风动荷载，根据铁路行业特点及实际工况，为确保行车安全，需认真对待，该文因条件所限，无法针对风振导致钢结构疲劳破坏进行深入研究，现重点围绕天桥的结构可靠度及舒适度进行分析和探讨。为此，笔者以九景衢铁路景德镇北站的跨线天桥为例，采用有限元软件SAP2000 V17.3.0来核算该天桥的结构挠度及自振频率是否符合要求，从而验算风振对结构可靠度及舒适度影响。

3.1 工程概况

景德镇北站跨线天桥位于景德镇市。该天桥最大跨度为27.200 m，宽10.800 m。其抗震设防类别：丙类；抗震等级：四级；建筑结构安全等级：二级；重要性系数：γ0＝1.0；设计使用年限：50年。天桥采用桁架形式，通过成品铰支座落于混凝土圆柱上，纵向主梁为站台雨棚混凝土梁，其下为混凝土圆柱，天桥两侧桁架上下弦杆及腹杆均采用焊接H型钢，天桥屋面、楼面的斜撑采用圆钢管，天桥两侧结构为钢梯和罩棚结构。

3.2 计算模型

钢结构有限元分析采用整体三维模型，其中罩棚钢梁下端和站台雨棚混凝土梁连接的钢梁一端采用单向滑动铰支座模拟，而实际设计中采用的是单向滑动节点做法。

3.3 荷载

3.3.1 天桥荷载

（1）天桥恒载：屋面恒载：6.7 kN/m2；楼面恒载：5.0 kN/m2（考虑屋面楼面混凝土及建筑做法荷载）。

（2）天桥活载：屋面活载：0.5 kN/m2；楼面活载：3.5 kN/m2。

3.3.2 荷载效应组合

（1）承载力极限状态荷载效应组合：

1）无地震作用。表1为无地震作用载力极限状态荷载效应组合。

表1 无地震作用载力极限状态荷载效应组合

2）有地震组合。表2为有地震参与组合的承载力极限状态荷载效应组合。

表2 有地震参与组合的承载力极限状态荷载效应组合

（2）正常使用极限状态荷载组合。表3为正常使用极限状态荷载组合。

表3 正常使用极限状态荷载组合

3.4 构件内力和变形

该工程钢结构及总装结构分别采用由美国CSI（Computers&Structures,Inc.）公司开发的商用有限元软件SAP2000 V17.3.0。

3.4.1 控制指标

（1）变形控制指标。钢梁挠度为L/400（悬臂梁为L/200）；天桥部分主梁挠度为L/600；钢柱柱顶位移为H/150。

（3）应力指标。杆件主梁最大组合设计应力不大于0.85f（f为钢材设计强度）。

3.4.2 结构内力分析

结论：

（1）梁柱的应力比基本在0.3~0.8之间。

（2）梁柱的设计以竖向荷载组合为控制工况。

3.4.3 结构变形分析

正常使用状态下，天桥结构件最大位移值如下:

（1）恒+活作用下天桥各结构件的最大挠度：

1）恒+活作用下天桥桁架上下弦的最大挠度：

左跨上弦：26 mm 跨度为27.2 m，f/L=26/27 200<1/600，满足规范要求。

左跨下弦：26 mm跨度为27.2 m，f/L=26/27 200<1/600，满足规范要求。

右跨上弦：16 mm跨度为22.95 m，f/L=16/22 950<1/600，满足规范要求。

右跨下弦：16 mm跨度为22.95 m，f/L=16/22 950<1/600，满足规范要求。

2）恒+活作用下天桥屋面次梁的最大挠度：

53 mm跨度为10.8 m，f/L=53/10 800<1/200，满足规范要求。

3）恒+活作用下天桥楼面次梁的最大挠度：

42 mm 跨度为10.8 m，f/L=42/10 800<1/200，满足规范要求。

（2）振动频率计算结果为8.35 Hz。

3.5 结论

根据计算结果，景德镇北站旅客天桥正常荷载作用下所有结构挠度变形值均在规范允许范围内，天桥出现竖向振动时的最大频率为8.35 Hz，大于《城市人行天桥与人行地道技术规范》（CJJ69—2010）中关于人行天桥的上部结构竖向自振频率不宜小于3 Hz的要求，列车运行产生的振动和风压满足《铁路旅客车站设计规范》中行人舒适度的要求。因此，景德镇北站旅客天桥结构可靠度及舒适度符合现有规范要求，同时，通过采取以下结构优化措施来减少列车通过并交会导致的风动影响，从而避免结构疲劳产生质量安全隐患。

（1）通过选用合适结构形式来减少风动效应。天桥的结构设计采用桁架形式来替代梁式天桥，增加天桥的竖向刚度，减小列车通过时对天桥的振动影响。

（2）通过大空间减少气流阻隔来减少风动效应。结构及建筑定案过程中，在满足行人及接触网通过等各项指标的前提下，尽量提高天桥底部标高，以减小风动荷载。

（3）通过天桥支座弹性来减少风动效应。采用成品铰支座替代橡胶支座，增加支座的竖向刚度以减小支座位置的竖向振动，从而降低因列车通过产生的风动对天桥结构的影响。

（4）通过合理构造来减少风动效应。天桥设计过程中应严格采用天桥上下弦杆通长且连续的做法，即使列车通过对该跨天桥产生影响，也可以使振动及变形向邻跨部分转移，以抵消列车通过带来的部分负面影响。

4 质量控制要点

旅客天桥上跨既有线且结构耐久性要满足100年使用期，必须加强质量控制，从结构材料选用到现场拼装均要严格把控，关键部位及关键工序需进行过程旁站，现场作业要严格执行“三检”制度。一是宜选用高强度优质钢材及匹配焊材，从材质源头上提高结构抗疲劳性能，进场进行抽样复验，钢材含碳量及其他指标必须符合规范要求；二是减少杆件接头数量，弦杆应通长下料，主弦杆禁止拼接，主要受力部位宜采用高强螺栓连接；三是加强焊接质量控制，施焊前必须进行焊接工艺试验，焊工必须持有特殊工种上岗证并培训合格，禁止雨天及大风天进行焊接作业，所有焊缝应进行100%无损探伤检测，合格后才能进入下道工序；四是钢结构防腐涂装应严格进行质量控制，现场应分层进行涂装，防腐涂料应进行涂层附着力现场抽样检验，涂层漆膜厚度应分层抽测；五是结构安装几何尺寸及水平、垂直度偏差控制在规范允许范围内，杆件交汇轴线偏移应控制在±2 mm以内，支座安装偏差应不超过±10 mm。

5 建议措施

目前，九景衢铁路自2017年开通至今景德镇北站旅客天桥已正常使用5年，根据景德镇北站旅客天桥的结构形式及核算结果，建议在高铁旅客天桥设计时可参照该站结构形式，通过构造措施的合理设置来减少列车通过时风动效应对天桥结构的不利影响，并严格进行旅客天桥现场施作质量控制，加强关键部位及关键工序施作质量的管控，加强施作过程的质量验收环节，确保从设计到施工均能满足现有标准规范要求。

6 结语

综上所述，高铁运营安全是一切工作的重点，涉及既有线的部分关键结构检算指标参照地方公路、市政等标准仍有需要改进的地方。针对涉及运营安全的旅客天桥，建议选用现行具有代表性的旅客天桥结构形式来建模进行风洞试验，模拟高铁以350 km/h设计速度在区间站交会通过时最不利工况对旅客天桥产生的风动影响值，可以依据试验数据进行结构疲劳等安全性验算，从而在天桥设计时可以有的放矢，选择最佳结构形式，确保高铁运营安全及旅客舒适度。