城市轨道交通高架车站结构动力分析
提 要 针对高架车站结构特点,对其在列车动载作用下的动力响应进行分析,探索了一种高架车站动力分析的理论形式。
关键词 城市轨道, 高架车站, 动力分析
高架车站是城市轨道交通(地铁、轻轨) 结构与高架桥的有效融合,满足了高架车站建设中出现的新型结构体系。高架车站既的功能(行车和车站的综合功能) 。目前上不是单一的房屋结构,也不是单一的桥梁结海和南京有许多空间框架式高架车站正处构,而是一种桥梁和房建相结合的结构体于规划或建设之中。系。[ 1 ] 列举了三种结构形式的高架车站,其中空间框架式车站结构性能较为独特,拟为本文的研究对象。
1 高架车站结构特点
高架车站先形成空间框架结构(2～ 4 层),再在其上布置行车板梁(上设轨枕、钢轨等),供地铁或轻轨列车行驶。连续板梁通过支座单支撑于框架中立柱上,双支撑于图1 空间框架式车站结构框架横梁上。列车荷载通过板梁和支座传空间框架式车站结构实质上把桥墩作递至站房结构的中立柱和框架横梁上。室为房屋框架结构的一部分(中立柱),框架纵内车站设置网架或网壳屋盖,露天车站仅设横梁均能对桥墩起到约束作用,结构整体性置防护栏和雨棚(图1 中没有画出) 。框架和稳定性好。高架车站不同于普通的车站建筑,它必须承受轨道列车直接的动力作用,活载占的比重大且受载点不断变化。列车动力荷载通过板梁和支座传递至站房结构的中立柱和框架横梁上,作用于整个框架体系,这是高架车站与一般房屋建筑的本质区别。
图2 高架车站细部图(桥梁与框架的连接)
2 动力分析方法探索
针对桥建合一高架车站的结构特点,提出一种分析思路,该思路综合了桥梁和房建两种结构的分析理论和方法。通过建立两个动力模型求解高架车站在列车动载作用下的动力响应和受力变形。
(1) 首先把高架车站看为一个整体连续梁桥,支座以下的框架结构部分可以看作连续梁桥的一系列桥墩。高架车站按照连续梁桥的分析方法,建立二维的列车2桥梁动力分析模型,由Newmark2β法逐步积分, 通过模拟分析求得作用在框架部分的时程荷载,也就是板梁通过支座传给一系列桥墩(实际为高架车站的框架结构部分) 的动反力。
(2) 在求得作用在框架结构上的时程荷载之后,以支座动反力为外荷载,通过有限元离散化,建立框架结构三维动力分析模型。采用国际通用的SAP93 结构静动力分析程序,求解高架车站在列车荷载作用下的动力响应。其原理是采用子空间迭代法求算结构自振频率和振型,然后采用振型叠加动力响应。这就是笔者针对框架式车站的的结构特点所提出的“ 两步分析法”。这种分析方法所依据的假定如下:
(1) 在建立连续梁模型时,竖向刚度很大的框架部分被视为一系列桥墩,认为是固定不动的。不考虑空间框架振动对车桥体系动力作用的影响。
(2) 为简化分析,仅考虑了车桥体系对框架部分的竖向作用。
3 计算结果与分析
3. 1 列车-桥梁体系动力分析
图3 二维车桥体系动力分析模型
图4 支座动反力的波形图
表1 是7 个支座冲击系数的比较。可以看出,随着速度的增加,各支座的动力系数相应增大;相同速度下各支座动力系数相差不大,但中间支座动力系数大于边支座。
各支座动力系数表1
3. 2 框架体系动力分析
在求得列车运行时作用在框架部分的动反力R(t)的波形后,即可以通过三维动力有限元程序(如ANAL YSIS 或SAP) 来分析框架车站模型。
图5 框架动力分析模型
采用空间梁单元模拟框架结构体系,建立有限元空间模型。框架梁柱间均为刚结, 柱底的边界条件全部为固结。框架车站(三柱二跨式) 通过有限元离散化,可以分为203 个节点,240 个梁单元。在地铁(轻轨)列车通过高架车站的整个时间范围内,把7 个位置的动反力R(t)同时加在框架部分的7 个加载点上。通过有限元动力分析程序SAP93 进行动力时程分析,求算高架车站的动力响应。
图6 和图7 为第一支座下节点的横向弯矩和纵向弯矩时程图(把垂直列车行进方向定为横向,沿着列车行进方向定为纵向) 。各节点的内力时间历程曲线形状基本相似。随着车速的增加,各点内力的峰值相应增大,表明冲击系数增大。节点横向弯矩要远小于纵向弯矩,纵向弯矩和轴力成为内力分析中的控制因素。
图6 横向弯矩时程图( V = 40km/ h)
图7 纵向弯矩时程图( V = 40km/ h)
表2 是7 个加载点的三个方向的动位移峰值表。框架结构上各点的纵向位移(沿列车行进方向) 要比竖向位移和横向位移大得多,一般相差了若干个数量级,因此,车站各点的纵向位移是起控制作用的因素。对于实际工程中的纵向框架,还必须考虑由于构件温度变化所产生的较大内力。因此,如何在设计施工中加强高架车站框架部分的纵向刚度,是一个不可忽视的问题。在本算例中,框架结构上各点的最大纵向位移均小于213mm , 符合桥梁设计标准。
动位移峰值表(单位:mm) 表2
高架车站由于桥建合一具有的桥梁特性与普通框架结构有着显著的区别。车站框架属于长纵向结构,车站长度要远大于宽度(一般宽度在20m 以内,长度可以接近200m) 。如果作为普通房屋结构,在结构分析中为了简化起见,可以对其采用平面模型,独立对各榀横向框架进行平面分析,忽略框架纵向各部分的相互影响和制约。这种框架结构用做高架车站,由于加载方式发生改变,七个加载点全部位于中纵向框架上,使其内力性能发生了根本性的变化,框架纵向各部分的影响制约不仅不能忽略,而且成为结构分析的控制因素。总之,高架车站结构分析中,纵向内力,纵向刚度的大小,成为高架车站结构的关键问题。
4 结 论
(1) 针对框架式车站的结构特点,在结构分析中采用“ 两步分析法”具有实用性和可行性。该分析方法力学概念清晰,从受力到传力都明确简洁,简化了车桥合一高架车站的分析和设计过程。由于未考虑桥梁与框架的耦合作用,该方法是一种近似的简化方法。
(2) 列车速度对橡胶支座的时程荷载起着重要作用。时程荷载的主要频率等于加载频率( f = v/L,v 为车速,L 为列车轴距)。每一个车速对应有时程荷载峰值。随着速度的上升,该峰值呈现上升趋势,表明冲击系数相应增大。
(3) 同纵向动力响应相比,横向动力响应相对很小。高架车站的动位移反应中,以纵向动位移为控制因素。动内力反应中,以纵向内力为控制因素。考虑到列车对车站的水平制动力,车站的纵向强度和刚度问题更加突出。
(4) 框架式车站在结构上最突出的问题是列车动载对高架车站的动力作用。在70km/ h 的速度下,冲击系数在1.1 左右。可以推论,由于地铁和轻轨运行速度偏低, 虽然框架结构体系的动力稳定性稍差,如果在设计和施工中做好振动控制工作,采用框架式车站结构体系是完全可行的。
(5) 高架车站结构上各部分受列车动载影响程度是不同的,表现为各个位置节点动力系数的差异。结构上各点的动力系数跟它们距加载点的距离有关。距离越近,则所受的动力影响越大。直接承受行车荷载的构件,无论是动反应峰值,还是动力系数, 要明显大于其他构件。
[ 1 ] 温宇平,高 日,刘智敏 城市轨道高架车站结构研究 铁道建筑,2000(3)
[ 2 ] 林秋萍 城市轨道交通高车架站结构设计 上海铁道科技,1998(2)
[ 3 ] 张 弥,夏 禾 轻轨列车与高架桥系统的动力响应分析1 北方交通大学学报,1994(1)
[ 4 ] Moorthy R. Design and construction of Ele2 vated Station on the MR TS , Madras. India Concrete Journal , 1996(5) :279～281
[ 5 ] 文望青 京沪高速铁路高架车站的探索1 铁道标准设计,1999(3)