李文斌

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

站桥合一高架车站振动舒适度分析

李文斌

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

针对站桥合一高架车站的振动舒适度问题，建立高架车站结构的有限元模型，输入高铁列车的行驶荷载，计算结构振动在时域内的动力响应。基于目前常用的国际标准，评价各楼层的舒适度。

高架车站；振动舒适度；评价标准

0　引言

城市轨道交通建设中高架线路的敷设方式，实现了“节约用地、减少地块分割”的目的，在车站结构将区间结构和车站结构融合，将区间桥梁“植入”车站建筑内，派生出“站桥分离”、“站桥组合”、“站桥合一”等多种车站结构形式，使得“建筑里面跑火车”的结构形式得到多样的发展。

“站桥合一”[1]车站结构则是突破“列车动载由桥梁结构承受”的传统理念，完全用建筑构件取代桥梁构件来直接承受列车荷载的作用即与结构框架主梁完全刚结的框架纵梁——轨道梁，从而实现真正意义上“车站与区间有机融合与高度统一的”的设计理念，是突破行业限制、取得总体最优的结构形式。

虽然该类车站结构设计复杂，但由于具有能统筹建筑总体布置、优化车站功能、降低结构高度、提高结构整体性的明显优势，已经成为越来越多采用的车站形式，并有成为主流站型的趋势。

但是相对“建桥分离”、“建桥组合”两种结构形式，站桥合一结构形式也有其缺点，因为轨道梁刚接，无橡胶支座，站桥合一高架车站的车致振动问题比较严重。因此振动控制成为“站桥合一”车结构分析和设计的关键问题之一。

振动不仅对建筑结构的安全有影响，随着人们对生活品质要求的不断提高，振动对沿线建筑使用者的感官舒适度的影响也日渐受到人们的重视。

对于振动舒适度[2]的相关控制，本文采用有限元软件MIDAS来对高架车站结构进行动力时程分析，并将列车运行时站房结构所受到的荷载按照所需计算工况输入有限元模型当中作为时程激励进行相应的时程分析。再将分析结果对照国际标准ISO2631关于建筑物内振动限值进行对比。

1　地铁列车荷载人工波

根据英国铁路技术中心提出的公式[3]，单对车轮的激励力可表示为

式中：k1为考虑列车荷载的分离与叠加组合系数，取1.538；k2为考虑钢轨、轨枕对列车荷载的传递和分散作用的分散系数，取0.7；P0为车轮静载，取144 kN；M为列车簧下质量，取750 kg；Li、αi分别为某一频率下的几何不平顺的波长和失高，取L1=10 m、α1=3.5 mm；L2=2 m、α2=0.4 mm；L3=0.5 m、α3=0.08 mm；v为列车的运行速度，取22.22 m/s。则地铁列车单对车轮激振力为（取0.3 s）

按照图1所示，将车轮激振力转化为高架车站对应的节点动力荷载输入，以分析车站在此荷载下的动力时程。单列车驶过和双列车驶过两种情况，并考虑后者中两列车入站的各种时差。在输入节点荷载时，根据列车驶入过程中各车轮对结构作用的先后次序，分别定义节点动力荷载的开始作用时间。

2　列车振动下车站的响应

本文选取的是某拟建高架车站作为研究对象，运用MIDAS工程软件进行建模分析，提取各楼层的加速度时程曲线进行频域分析，再将分析结果对照国际标准ISO2631关于建筑物内振动限值进行对比。

图1　地铁列车单对车轮激励力

某拟建高架车站为路中三层岛式车站，车站主体结构采用钢筋混凝土框架式建桥合一结构型式；横向为双柱单跨双悬臂结构，在站厅层通过横梁装换为四柱三跨结构；纵向柱距12 m；基础型式为钻孔灌注桩（嵌岩桩）；除直接或间接承受列车荷载的刚接式轨道梁、站台下层横梁和立柱混凝土强度为C50外，其余梁板混凝土强度为C35，见

图2　某拟建高架车站横剖面图（单位：mm）

下面为单列车以及双列车间隔0.2 s这两种情况下，站台层板单元受列车振动影响的最大应力云图。

（1）单列车（见图3）

（2）双列车间隔0.2 s（见图4）

3　舒适度评估

按ISO2631-1[4]：1997规定的全身振动不同频率计权因子修正后得到的振动加速度级，记为VL。VL的计算公式如下

图3　单列车情况站台层楼板最大应力云图

图4　双列车间隔0.3 s的情况站台层楼板最大应力云图

式中：α0为基准加速度值，取10-6m/s2；αfrms为频率为f的振动加速度有效值；cf为为振动加速度的感觉修正值。由于人对Z向（竖向)振动最敏感,所以这个标准中规定了城市各类区域垂向Z振级VLz标准值。在舒适度分析中也仅针对所选节点的竖向加速度。

分别在站厅层和站台层楼板处布置检测点，下面仅列出一种高架车站两种情况所对应的各种工况中振级最大的点振动信息，分别包括节点竖向加速度的时程、该时程的频域形式、功率密度谱和振级VLz。

3.1单列车

（1）站台层，由式（5）得到VLz=75.8，见图5。

（2）站厅层，由式（5）得到VLz=77.5，见图6。

3.2双列车

（1）站台层，由式（5）得到VLz=81.3，见图7。

（2）站厅层，由式（5）得到VLz=82.0，见图8。

ISO2631关于建筑物内振动限值的建议见表1。

图5　站台层最大振级点的竖向加速度信息

图6　站厅层最大振级点的竖向加速度信息

图7　站台层最大振级点的竖向加速度信息

图8　站厅层最大振级点的竖向加速度信息

表1　建筑物内振动限值建议表

以“办公室”的情况考虑，车站工作人员所受振动极限值VLz为86，一般乘客限值VLz为116，可以得到该车站在地铁列车振动下的舒适度指标是合理的。

分析过程中还可以得到以下几点结论：

a.考虑列车驶过过程中对高架站台的影响，则不论是单列车还是双列车，一般来说最大振级点均在车站端部；

b.两种工况比较可得双列车工况所所产生的最大振级可以比单列车大，也可以比单列车小，这是因为双列车工况对车站的影响可视为两个单列车工况所产生的波的叠加，在一定的相位差下，两波可能产生振幅的正负叠加或相消情况；

c.同种工况下比较可得站厅层和站台层都需要考虑人体舒适度，站厅层的悬挑梁结构对于振动来说是不利的，其受列车作用会产生较大的振级。

4　结　语

本文将列车荷载作为激励输入结构模型，对高架车站的震动反应进行有限元分析，结果表明各楼层的计权加速度均方根值并为超出标准规定（ISO2631）的范围，满足舒适度要求。本文研究方法和研究成果对国内类似工程的设计、舒适度评价等具有参考价值。但仍然需要对不同车速、不同列车类型、不同人群等做更多相关研究，从而完善舒适度的评价标准。

[1]孙俊岭.城市轻轨站桥合一结构设计中的几个问题[J].建筑结构,2006,33(10):62-65.

[2]彭涛.郑州东站候车厅列车致振动力及振动舒适度分析[D].湖北武汉:武汉理工大学,2010.

[3]梁波,罗红,孙常新.高速铁路振动荷载的模拟研究[J].铁道学报, 2006,28(4):89-94.

[4]IS02631,Guide for the Evaluation of Hunmn Exposure to Whole-body vibration[S].2003.

U441+.3

A

1009-7716（2016）03-0162-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.047

2015-11-04

李文斌（1983-），男，湖南郴州人，工程师，从事结构设计工作。