城市軌道交通高架車站結(jié)構(gòu)動力分析

提　要　針對高架車站結(jié)構(gòu)特點,對其在列車動載作用下的動力響應(yīng)進行分析,探索了一種高架車站動力分析的理論形式。關(guān)鍵詞　城市軌道交通, 高架車站, 動力分析

　　高架車站是城市軌道交通(地鐵、輕軌) 結(jié)構(gòu)與高架橋的有效融合,滿足了高架車站建設(shè)中出現(xiàn)的新型結(jié)構(gòu)體系。高架車站既的功能(行車和車站的綜合功能) 。目前上不是單一的房屋結(jié)構(gòu),也不是單一的橋梁結(jié)海和南京有許多空間框架式高架車站正處構(gòu),而是一種橋梁和房建相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體于規(guī)劃或建設(shè)之中。系。文獻[ 1 ] 列舉了三種結(jié)構(gòu)形式的高架車站,其中空間框架式車站結(jié)構(gòu)性能較為獨特,擬為本文的研究對象。
1 高架車站結(jié)構(gòu)特點

高架車站先形成空間框架結(jié)構(gòu)(2～ 4 層),再在其上布置行車板梁(上設(shè)軌枕、鋼軌等),供地鐵或輕軌列車行駛。連續(xù)板梁通過支座單支撐于框架中立柱上,雙支撐于圖1 　空間框架式車站結(jié)構(gòu)框架橫梁上。列車荷載通過板梁和支座傳空間框架式車站結(jié)構(gòu)實質(zhì)上把橋墩作遞至站房結(jié)構(gòu)的中立柱和框架橫梁上。室為房屋框架結(jié)構(gòu)的一部分(中立柱),框架縱內(nèi)車站設(shè)置網(wǎng)架或網(wǎng)殼屋蓋,露天車站僅設(shè)橫梁均能對橋墩起到約束作用,結(jié)構(gòu)整體性置防護欄和雨棚(圖1 中沒有畫出) 。框架和穩(wěn)定性好。高架車站不同于普通的車站建筑,它必須承受軌道列車直接的動力作用,活載占的比重大且受載點不斷變化。列車動力荷載通過板梁和支座傳遞至站房結(jié)構(gòu)的中立柱和框架橫梁上,作用于整個框架體系,這是高架車站與一般房屋建筑的本質(zhì)區(qū)別。

圖2 　高架車站細部圖(橋梁與框架的連接)
2 動力分析方法探索
針對橋建合一高架車站的結(jié)構(gòu)特點,論文提出一種分析思路,該思路綜合了橋梁和房建兩種結(jié)構(gòu)的分析理論和方法。通過建立兩個動力模型求解高架車站在列車動載作用下的動力響應(yīng)和受力變形規(guī)律。
(1) 首先把高架車站看為一個整體連續(xù)梁橋,支座以下的框架結(jié)構(gòu)部分可以看作連續(xù)梁橋的一系列橋墩。高架車站按照連續(xù)梁橋的分析方法,建立二維的列車2橋梁動力分析模型,由Newmark2β法逐步積分, 通過模擬分析求得作用在框架部分的時程荷載,也就是板梁通過支座傳給一系列橋墩(實際為高架車站的框架結(jié)構(gòu)部分) 的動反力。
(2) 在求得作用在框架結(jié)構(gòu)上的時程荷載之后,以支座動反力為外荷載,通過有限元離散化,建立框架結(jié)構(gòu)三維動力分析模型。采用國際通用的SAP93 結(jié)構(gòu)靜動力分析程序,求解高架車站在列車荷載作用下的動力響應(yīng)。其原理是采用子空間迭代法求算結(jié)構(gòu)自振頻率和振型,然后采用振型疊加計算動力響應(yīng)。這就是筆者針對框架式車站的的結(jié)構(gòu)特點所提出的“ 兩步分析法”。這種分析方法所依據(jù)的假定如下:
(1) 在建立連續(xù)梁模型時,豎向剛度很大的框架部分被視為一系列橋墩,認為是固定不動的。不考慮空間框架振動對車橋體系動力作用的影響。
(2) 為簡化分析,僅考慮了車橋體系對框架部分的豎向作用。

3 計算結(jié)果與分析
3. 1 列車-橋梁體系動力分析

圖3 　二維車橋體系動力分析模型

圖4 　支座動反力的波形圖
表1 是7 個支座沖擊系數(shù)的比較。可以看出,隨著速度的增加,各支座的動力系數(shù)相應(yīng)增大;相同速度下各支座動力系數(shù)相差不大,但中間支座動力系數(shù)大于邊支座。
各支座動力系數(shù)表1 　

3. 2 框架體系動力分析
在求得列車運行時作用在框架部分的動反力R(t)的波形后,即可以通過三維動力有限元程序(如ANAL YSIS 或SAP) 來分析框架車站模型。

圖5 　框架動力分析模型
該車站屬“ 高架三層雙側(cè)式站臺”的車站,橫向框架為三柱二跨式(圖1) 。一期建成車站總長度為150m(遠期190m) ,本工程在車站中部設(shè)一道伸縮縫,把結(jié)構(gòu)分為兩部分,每一部分六跨,每跨12m , 共72m 長。車站寬為24m 。一層高516m , 二層高418m , 三層為站臺層。各部分的截面尺寸如下:框架中柱1. 3m ×1. 3m , 框架邊柱1. 0m ×1. 0m , 框架橫梁1. 0m ×1. 4m , 框架縱梁0. 6m ×1. 1m 。預(yù)應(yīng)力混凝土梁采用C40 , 普通梁柱采用C30 , 板采用C20 。
采用空間梁單元模擬框架結(jié)構(gòu)體系,建立有限元空間模型。框架梁柱間均為剛結(jié), 柱底的邊界條件全部為固結(jié)。框架車站(三柱二跨式) 通過有限元離散化,可以分為203 個節(jié)點,240 個梁單元。在地鐵(輕軌)列車通過高架車站的整個時間范圍內(nèi),把7 個位置的動反力R(t)同時加在框架部分的7 個加載點上。通過有限元動力分析程序SAP93 進行動力時程分析,求算高架車站的動力響應(yīng)。
圖6 和圖7 為第一支座下節(jié)點的橫向彎矩和縱向彎矩時程圖(把垂直列車行進方向定為橫向,沿著列車行進方向定為縱向) 。各節(jié)點的內(nèi)力時間歷程曲線形狀基本相似。隨著車速的增加,各點內(nèi)力的峰值相應(yīng)增大,表明沖擊系數(shù)增大。節(jié)點橫向彎矩要遠小于縱向彎矩,縱向彎矩和軸力成為內(nèi)力分析中的控制因素。

圖6 　橫向彎矩時程圖( V = 40km/ h)

圖7 　縱向彎矩時程圖( V = 40km/ h)
表2 是7 個加載點的三個方向的動位移峰值表。框架結(jié)構(gòu)上各點的縱向位移(沿列車行進方向) 要比豎向位移和橫向位移大得多,一般相差了若干個數(shù)量級,因此,車站各點的縱向位移是起控制作用的因素。對于實際工程中的縱向框架,還必須考慮由于構(gòu)件溫度變化所產(chǎn)生的較大內(nèi)力。因此,如何在設(shè)計施工中加強高架車站框架部分的縱向剛度,是一個不可忽視的問題。在本算例中,框架結(jié)構(gòu)上各點的最大縱向位移均小于213mm , 符合橋梁設(shè)計標準。
動位移峰值表(單位:mm) 表2

高架車站由于橋建合一具有的橋梁特性與普通框架結(jié)構(gòu)有著顯著的區(qū)別。車站框架屬于長縱向結(jié)構(gòu),車站長度要遠大于寬度(一般寬度在20m 以內(nèi),長度可以接近200m) 。如果作為普通房屋結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)分析中為了簡化起見,可以對其采用平面模型,獨立對各榀橫向框架進行平面分析,忽略框架縱向各部分的相互影響和制約。這種框架結(jié)構(gòu)用做高架車站,由于加載方式發(fā)生改變,七個加載點全部位于中縱向框架上,使其內(nèi)力性能發(fā)生了根本性的變化,框架縱向各部分的影響制約不僅不能忽略,而且成為結(jié)構(gòu)分析的控制因素。總之,高架車站結(jié)構(gòu)分析中,縱向內(nèi)力計算,縱向剛度的大小,成為高架車站結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題。
4 結(jié)　論
(1) 針對框架式車站的結(jié)構(gòu)特點,在結(jié)構(gòu)分析中采用“ 兩步分析法”具有實用性和可行性。該分析方法力學概念清晰,從受力到傳力都明確簡潔,簡化了車橋合一高架車站的分析和設(shè)計過程。由于未考慮橋梁與框架的耦合作用,該方法是一種近似的簡化方法。
(2) 列車速度對橡膠支座的時程荷載起著重要作用。時程荷載的主要頻率等于加載頻率( f = v/L,v 為車速,L 為列車軸距)。每一個車速對應(yīng)有時程荷載峰值。隨著速度的上升,該峰值呈現(xiàn)上升趨勢,表明沖擊系數(shù)相應(yīng)增大。
(3) 同縱向動力響應(yīng)相比,橫向動力響應(yīng)相對很小。高架車站的動位移反應(yīng)中,以縱向動位移為控制因素。動內(nèi)力反應(yīng)中,以縱向內(nèi)力為控制因素。考慮到列車對車站的水平制動力,車站的縱向強度和剛度問題更加突出。
(4) 框架式車站在結(jié)構(gòu)上最突出的問題是列車動載對高架車站的動力作用。在70km/ h 的速度下,沖擊系數(shù)在1.1 左右。可以推論,由于地鐵和輕軌運行速度偏低, 雖然框架結(jié)構(gòu)體系的動力穩(wěn)定性稍差,如果在設(shè)計和施工中做好振動控制工作,采用框架式車站結(jié)構(gòu)體系是完全可行的。
(5) 高架車站結(jié)構(gòu)上各部分受列車動載影響程度是不同的,表現(xiàn)為各個位置節(jié)點動力系數(shù)的差異。結(jié)構(gòu)上各點的動力系數(shù)跟它們距加載點的距離有關(guān)。距離越近,則所受的動力影響越大。直接承受行車荷載的構(gòu)件,無論是動反應(yīng)峰值,還是動力系數(shù), 要明顯大于其他構(gòu)件。

參考文獻
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