高速列車引起的車站大跨度鋼結構的振動分析論文

高速列車引起的車站大跨度鋼結構的振動分析論文

　　隨著我國高鐵建設的快速發展，“橋建合一”的新型結構形式由于其能提供較大的站內空間，以及具有強烈的視覺沖擊效應，因而得到了廣泛的應用。如武漢火車站、鄭州火車站、南昌火車站等。但隨之而來的問題是高速列車引起的振動荷載直接傳遞給了上部的大跨度鋼結構，而鋼結構大多是采用焊接的方式連接在一起。因此，焊接鋼結構在長期振動荷載下的疲勞特性及其疲勞壽命值得關注。

　　目前關于大跨度鋼結構、網殼結構等空間結構在風荷載以及地震荷載作用下動力響應的研究頗多，也有少量關于該類結構在簡單豎向動荷載(如周期荷載)下動力響應方面的研究，而在高速列車作用下動力響應的研究較少。本文則針對某客運專線火車站結構，采用大型通用軟件ANSYS建立其整體有限元模型，計算分析大跨度鋼結構各部位在高速列車振動荷載作用下的動力響應，為后續的振動疲勞分析提供基礎。

　　1 工程概況

　　某客運專線火車站的站房采用了上部大型建筑與下部橋梁共同組成的“站橋合一”的新型結構型式(圖1)，圖2為細節示意圖。上部大跨度鋼結構的重量通過V撐支承于主拱上，而主拱則通過橋墩頂部的預埋構件直接支撐在高架橋的橋墩上，同時，列車引起的振動通過主拱和V撐也直接傳遞給上部大跨度鋼結構。在長期的列車振動荷載作用下，上部大跨度鋼結構，特別是關鍵的焊接節點處的疲勞問題值得關注。

　　2 計算模型

　　武漢站站房上部建筑主要為由拱(主拱和半拱)、V型支撐、網殼等組合而成的空間結構體系。主拱最大跨度達116 m，高56 m(F軸)，拱結構上有樹枝狀的V型支撐，用來支撐整個屋面結構，其下端固定在高架橋橋墩上，圖3為上部大跨度鋼結構計算模型。

　　3 計算方法

　　對于“橋建合一”的新型結構型式，本文借用子結構模型的分析方法，即將整體結構劃分為列車荷載—簡支梁模型和橋墩-上部大寬度鋼結構模型，由前者計算得到簡支梁支座處的反力，再將該反力作為后者的輸入荷載。限于篇幅，本文主要針對第二個子模型，對于第一個子模型計算得到支座反力可參考文獻 [4]。這里僅給出得到的支座反力時程曲線，即本文的輸入荷載。文獻的研究表明，對于雙線簡支梁，當雙線同向同時加載時(兩列列車同時同向駛入簡支梁上)為最不利荷載模式，因此本文給出雙線加載情況下橋墩處的支座反力時程曲線，如圖4—5所示，單列車通過時支座反力僅是在幅值上有所差異，故未給出，其中 y 向為豎向方向，x 向為順軌方向，z 向為垂直軌道方向(未給出)。

　　4 分析與結論

　　由上述表格及時程曲線可得如下結論：

　　1)不同工況下結構各構件應力最大值出現的部位幾乎一致：均出現在結構縱向中部的F軸上，主要是因為該軸的跨度最大，柔度最大;

　　2)由于橋墩剛度大，由結構力學基本原理可知，剛度大分配的力也就大，上部大跨度鋼結構相對柔很多(1階自振頻率僅0.94 Hz)，橋墩吸收了絕大多數的振動能量，僅小部分的振動能量傳給了上部大跨度鋼結構，因而，各工況下上部大跨度鋼結構的動力響應相差不大;

　　3)從應力時程曲線看，除網殼部分外，其余各構件的應力峰值出現均出現在最開始的0.1 s左右，隨后由于結構阻尼，衰減較快，最后均在靜力作用時結構應力值附近波動;

　　4)結構各構件的最大應力僅 86.6 MPa，對于 Q345 鋼而言，遠小于其屈服強度值(345 MPa)，即列車振動荷載對結構的強度影響不大，因而，更多的注意應放在焊接鋼結構的長期振動疲勞方面。

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