杭州萧山国际机场三期结构列车振动影响研究*

赵 明,陈 华,王春华

(1.中国建筑第八工程局有限公司,上海 200120; 2.杭州萧山国际机场有限公司,浙江 杭州 310000)

0 引言

随着我国经济的高度发展,持续推进交通强国战略,以满足人民对于出行的需求,空铁联运综合交通枢纽逐渐成为城市交通建设的发展趋势[1-2]。空铁联运综合交通枢纽是一种由机场航站楼、铁路车站、地铁车站、综合交通换乘中心和邻近地表结构等共同组成的新型结构形式,各部分结构并行汇集,立体交叉重叠,结构形式复杂,断面差异大[3-4]。

由于铁路线路与航站楼的高度融合,铁路的运行振动对结构物及对站内旅客舒适度的影响不可忽视[5-8]。因此,对此进行深入研究显得尤为重要。在列车振动影响分析中,土体模型常采用等效弹簧-阻尼器系统来模拟。本文推导等效边界单元模型,并在杭州萧山国际机场三期项目结构列车振动影响研究中进行了成功应用。

1 工程概况

杭州萧山国际机场三期项目包含新建T4航站楼、新建综合交通中心、旅客过夜用房及配套业务用房、高铁设施等,航站区总平面如图1所示。航站楼近期采用主楼加3指廊的构型,远期采用7指廊构型,主楼屋面最大建筑高度约45m。

图1 航站区示意

在航站区内设置了地铁站和高铁站,如图2所示。地铁站长约500m,包含了地铁站台及折返线。向东,地铁线利用T3航站楼预留的6个盾构区间通道下穿航站楼;向西,地铁线基本沿北侧13号线路走线,然后3条地铁线分别散开各自走线。高铁站台长450m,含250km/h正线2条。本期项目与向东离场地铁同步实施结构部分。高铁线路基本沿东西走向,利用T1,T2航站楼之间区域设置盾构井下穿T1航站楼指廊及空侧机坪。

图2 航站区高铁、地铁规划交通示意

航站楼主体均为钢筋混凝土框架结构体系(见图3),北侧部分竖向构件与穿越而过的地铁区域共建,南侧部分竖向构件与穿越而过的高铁区域共建,混凝土结构部分通过伸缩缝分为若干个结构单元,屋盖连为一体,为大跨度空间钢结构体系。结构采用的方案为航站楼上部结构的立柱直接落在-2.500m标高的高铁站房转换梁上,不设置弹簧支座等隔振装置。

图3 航站楼结构典型剖面

航站楼本次研究范围为航站楼-高铁结合区,该区域地上4层,地下2层(非高铁站区域为地下1层),结构形式为钢筋混凝土框架结构。梁、板混凝土强度等级为C40,柱混凝土采用C60,地下室外墙混凝土采用C35,钢筋均采用HRB400。

2 列车振动分析方法

2.1 列车对机场振动影响分析的求解方法

列车对机场结构的振动影响分析是一个十分复杂的问题,本研究将整个车辆-航站楼系统的动力学相互作用分析求解分解成两部分。

1)求解列车轮轨激励时程 对高速铁路隧道相关范围内、相关深度内的土体进行建模,联合下部的桩基和筏板形成一个新的车辆-承轨结构系统。然后,利用现有的无限长车-轨耦合模型动力相互作用计算的研究成果,对该车辆-轨道系统进行动力相互作用计算,得到列车车辆对轨道各节点的激励时程。

2)航站楼结构振动响应求解 对航站楼相关范围内的结构、隧道、土体、桩基和筏板进行建模,在轨道各节点输入列车车辆对轨道各节点的激励时程,进行航站楼结构的动力时程计算,得到结构各部分的动力响应,综合分析计算结果,对航站楼结构的安全性和舒适性进行评判,并提出振动控制的相关建议。

2.2 列车轮轨激励求解方法

根据杭州萧山国际机场三期的线路特点,考虑列车编组为:高铁列车采用CRH380A车型,其正线运行速度为250km/h,采用8节编组。

计算中视包含若干节车辆的列车为单一车辆模型。具有二系悬挂四轮对的车辆单元具有如下结构:车辆单元由1个车体、2个转向架、4个轮对组成。每个车体和每个转向架均具有y,z,Rx,Ry,Rz方向的自由度,每轮对具有y,Rz方向的自由度。这样,每一车辆单元共有23个自由度。车体与前、后转向架之间由弹簧和阻尼器相连,转向架左右两侧各有x,y,z方向的线性弹簧和黏滞阻尼器各1个;前、后转向架与各相应轮对之间由弹簧和阻尼器相连,轮对左右两侧各有x,y,z方向的线性弹簧和黏滞阻尼器各1个。车辆结构如图4所示。

图4 二系悬挂四轮对车辆模型

2.3 航站楼结构的动力响应计算模型

2.3.1计算模型

动力响应计算采用ANSYS软件建立有限元模型。所有模型均按照施工图纸建立桩基和筏板模型,按照地质勘察报告建立了分层土体,并建立桩基模型,土体最外侧为半无限黏弹性边界单元。航站楼有限元模型如图5所示。

图5 航站楼模型

2.3.2单元及材料设定

结构模型中,梁、柱分别按实际截面建模,以空间梁单元模拟,楼板采用面单元。所有构件均采用弹性材料类型。

钢材和混凝土的密度、质量及强度均按照相关规范选取,在考虑动力荷载影响时,对混凝土的弹性模量乘以1.2的增大系数,土体参数按照地质勘察报告中各土层参数选取,并考虑土体动弹性模量的放大系数。

质量源取1.0倍的恒荷载和0.5倍的活荷载。

2.3.3边界条件设定

推导八节点六面体单元来模拟三维一致黏弹性边界,等效替换传统的三维黏弹性边界,能够方便地应用于近场波动问题和土-结构动力相互作用问题,如图6,7所示。

图6 常规三维黏弹性人工边界条件

图7 等效三维六面体单元

边界单元的等效剪切模量和弹性模量分别为:

(1)

(2)

3 技术评判标准

杭州萧山国际机场航站楼在高铁站房附近区域的建筑功能如图8所示,考虑到该区域内无过夜旅客,其商业、安检、值机候机区域可参考混合区商业区的昼间,Z振级容许值为昼间75dB,首层的道路区域不做要求。

图8 航站楼相关区域各层建筑功能

对于安全性的评判,基于机场航站楼计算得到的速度反应来进行评判,具体如下:在建筑物基础处的容许振动速度峰值限值为5mm/s(1～100Hz),上层楼面处容许振动速度峰值限值为10mm/s(1～10Hz)。

4 激励荷载结果

列车过站时典型的节点竖向激励力幅值在150kN左右,全为负值。从竖向激励的变化可以看出整个列车通过该节点的过程。第3秒竖向激励从0开始增长并出现第1个峰值,表示该时刻列车第1轮对到达该节点。6秒竖向激励又减少至0,说明列车已经完全通过该节点,如图9所示。

图9 典型节点竖向力时程

y向激励幅值在20kN左右,偏向一侧。y向激励出现幅值的时间点与竖向激励幅值时间点重合,如图10所示。

图10 典型节点横轨向力时程

5 结构振动响应结果分析

5.1 加速度极值

列车运行时航站楼结构低频段的最大竖向加速度响应如表1所示。横轨向及顺轨向加速度响应相对较小,比竖向小一个数量级,不再详细列出。

表1 航站楼结构最大响应-竖向加速度

5.2 速度极值

列车运行时航站楼结构低频段的最大竖向速度响应如表2所示。横轨向及顺轨向加速度响应相对较小,比竖向小一个数量级,不再列出。

表2 航站楼结构最大响应-竖向速度

列车以250km/h的速度通过时,基础处的最大振动速度为2.23mm/s,4层楼面处的最大振动速度为0.84mm/s,均小于GB 50868—2013《建筑工程容许振动标准》规定的振动速度限值,满足结构振动响应速度安全性的要求。

5.3 Z振级极值

航站楼结构各层最大Z振级如表3所示。列车以250km/h的速度通过时,航站楼2～4层在站房上部区域的Z振级值大于GB 10070—88《城市区域环境振动标准》中75dB的限值,不满足规范要求。1层相关区域的建筑功能为道路,不做要求。

表3 航站楼结构最大Z振级

计算结果表明,不设北侧抗震缝时,该缝所在位置北侧的结构振动响应已相对较小,北侧结构的最大Z振级为73.1dB,说明不设缝时其北侧上部结构的振动响应也可满足规范要求。

超限区域主要集中在站房正上方区域及北侧南侧各一跨区域,建议对2～4层相关区域进行楼板加厚处理。试算结果表明,楼板厚度增大至250mm时,相关区域的振动满足规范限值要求,具体结果如表3所示。

5.4 人员舒适性评价预测

列车运行对杭州萧山国际机场三期航站楼结构造成的振动影响,在人员舒适性方面有如下结论。

1)列车以250km/h的速度在航站楼范围内通过时,航站楼2～4层在站房正上方区域振级值大于《城市区域环境振动标准》中75dB的限值,不满足规范要求。建议对2～4层相关区域进行楼板加厚处理。从目前建筑功能图来看,1层振动较大的相关区域建筑功能为道路,不做要求。

2)计算结果表明,不设北侧抗震缝时,该缝所在位置北侧的结构振动响应已相对较小,说明不设缝时其北侧上部结构的振动响应也可满足规范要求。

3)试算结果表明,振动超限区域楼板厚度增大至250mm时,相关区域的振动满足规范限值要求。后期可根据建筑功能和距离远近,在不上人的区域和距离较远的区域适当减小楼板增加厚度。

考虑到楼板加厚这种减振方法效率较低,加厚后结果仍很接近限值,且存在将来轨道施工质量和后期磨损等不可控因素。建议与轨道设计单位沟通确认道床形式,并咨询轨道方面专家是否可在航站楼正下方局部采用轨道减振方法,如局部使用有砟轨道或使用聚氨酯垫道床等,这样直接从振源源头减少振动效率更高,效果更好。

6 结语

本文应用有限元计算方法,研究了列车振动对杭州萧山国际机场三期结构影响。研究得到,列车以250km/h的速度通过时,基础处的最大振动速度为2.23mm/s,4层楼面处的最大振动速度为0.84mm/s,均小于《建筑工程容许振动标准》规定的振动速度限值,满足结构振动响应速度安全性的要求。

另外,由于有限元计算不能完整理想地考虑所有影响因素,振动预测也不能完全代表将来的实际振动情况。为了保证将来机场、高铁运营过程中的振动舒适性,建议在上部机场结构采取相关措施的基础上,高铁设计方应在轨道方面采取一定的措施,以期能对振源振动减少10dB以上,保证机场和高铁的高品质运营。