城市軌道交通高架車站結構動力分析

提　要　針對高架車站結構特點,對其在列車動載作用下的動力響應進行分析,探索了一種高架車站動力分析的理論形式。關鍵詞　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) 結構與高架橋的有效融合,滿足了高架車站建設中出現的新型結構體系。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構,也不是單一的橋梁結海和南京有許多空間框架式高架車站正處構,而是一種橋梁和房建相結合的結構體于規劃或建設之中。系。文獻[ 1 ] 列舉了三種結構形式的高架車站,其中空間框架式車站結構性能較為獨特,擬為本文的研究對象。
1 高架車站結構特點

高架車站先形成空間框架結構(2～ 4 層),再在其上布置行車板梁(上設軌枕、鋼軌等),供地鐵或輕軌列車行駛。連續板梁通過支座單支撐于框架中立柱上,雙支撐于圖1 　空間框架式車站結構框架橫梁上。列車荷載通過板梁和支座傳空間框架式車站結構實質上把橋墩作遞至站房結構的中立柱和框架橫梁上。室為房屋框架結構的一部分(中立柱),框架縱內車站設置網架或網殼屋蓋,露天車站僅設橫梁均能對橋墩起到約束作用,結構整體性置防護欄和雨棚(圖1 中沒有畫出) 。框架和穩定性好。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構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區別。

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構特點,論文提出一種分析思路,該思路綜合了橋梁和房建兩種結構的分析理論和方法。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和受力變形規律。
(1) 首先把高架車站看為一個整體連續梁橋,支座以下的框架結構部分可以看作連續梁橋的一系列橋墩。高架車站按照連續梁橋的分析方法,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構部分) 的動反力。
(2) 在求得作用在框架結構上的時程荷載之后,以支座動反力為外荷載,通過有限元離散化,建立框架結構三維動力分析模型。采用國際通用的SAP93 結構靜動力分析程序,求解高架車站在列車荷載作用下的動力響應。其原理是采用子空間迭代法求算結構自振頻率和振型,然后采用振型疊加計算動力響應。這就是筆者針對框架式車站的的結構特點所提出的“ 兩步分析法”。這種分析方法所依據的假定如下:
(1) 在建立連續梁模型時,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 個支座沖擊系數的比較。可以看出,隨著速度的增加,各支座的動力系數相應增大;相同速度下各支座動力系數相差不大,但中間支座動力系數大于邊支座。
各支座動力系數表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一道伸縮縫,把結構分為兩部分,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 。預應力混凝土梁采用C40 , 普通梁柱采用C30 , 板采用C20 。
采用空間梁單元模擬框架結構體系,建立有限元空間模型。框架梁柱間均為剛結, 柱底的邊界條件全部為固結。框架車站(三柱二跨式) 通過有限元離散化,可以分為203 個節點,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,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。
圖6 和圖7 為第一支座下節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) 。各節點的內力時間歷程曲線形狀基本相似。隨著車速的增加,各點內力的峰值相應增大,表明沖擊系數增大。節點橫向彎矩要遠小于縱向彎矩,縱向彎矩和軸力成為內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。框架結構上各點的縱向位移(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,還必須考慮由于構件溫度變化所產生的較大內力。因此,如何在設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,框架結構上各點的最大縱向位移均小于213mm , 符合橋梁設計標準。
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構有著顯著的區別。車站框架屬于長縱向結構,車站長度要遠大于寬度(一般寬度在20m 以內,長度可以接近200m) 。如果作為普通房屋結構,在結構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。這種框架結構用做高架車站,由于加載方式發生改變,七個加載點全部位于中縱向框架上,使其內力性能發生了根本性的變化,框架縱向各部分的影響制約不僅不能忽略,而且成為結構分析的控制因素。總之,高架車站結構分析中,縱向內力計算,縱向剛度的大小,成為高架車站結構的關鍵問題。
4 結　論
(1) 針對框架式車站的結構特點,在結構分析中采用“ 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)。每一個車速對應有時程荷載峰值。隨著速度的上升,該峰值呈現上升趨勢,表明沖擊系數相應增大。
(3) 同縱向動力響應相比,橫向動力響應相對很小。高架車站的動位移反應中,以縱向動位移為控制因素。動內力反應中,以縱向內力為控制因素。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) 框架式車站在結構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, 雖然框架結構體系的動力穩定性稍差,如果在設計和施工中做好振動控制工作,采用框架式車站結構體系是完全可行的。
(5) 高架車站結構上各部分受列車動載影響程度是不同的,表現為各個位置節點動力系數的差異。結構上各點的動力系數跟它們距加載點的距離有關。距離越近,則所受的動力影響越大。直接承受行車荷載的構件,無論是動反應峰值,還是動力系數, 要明顯大于其他構件。

參考文獻
[ 1 ] 　溫宇平,高　日,劉智敏 城市軌道交通高架車站結構研究 鐵道建筑,2000(3)
[ 2 ] 　林秋萍 城市軌道交通高車架站結構設計 上海鐵道科技,1998(2)
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[ 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 京滬高速鐵路高架車站的探索1 鐵道標準設計,1999(3)