虹桥枢纽磁浮—地铁—站屋耦合振动研究策略

王 淼

1 研究背景

虹桥交通综合枢纽是包括航空、城际铁路、高速铁路、磁悬浮(连接浦东与虹桥、沪杭磁悬浮)、城市地铁交通、长途客运、市内公交等多种换乘方式于一体的交通“巨无霸”,也是将来上海最大的铁路客运站。规划中的虹桥磁浮站屋主体结构共有4层,其上有商用及办公建筑8层。地面一层有10条磁浮线路,地下二层有两条地铁交通线在站屋下穿磁浮线,两种交通线路正交。为便于车站使用、减少施工难度、降低建造成本,磁浮轨道梁直接安装在建筑结构框架上,磁浮列车先作用于车站建筑结构框架梁,通过建筑物传递到地基上,此外,地铁是在车站地下二层的基础底板上运行,因此,虹桥磁浮站屋实为建筑结构、磁浮支撑结构和地铁支撑结构三合一的车站结构。为最终确定结构设计方案,必须从动力学入手,对磁浮列车和地铁列车的动力相互影响及其对枢纽站屋的耦合动力相互影响进行研究,以验证建筑结构、磁浮支撑结构和地铁支撑结构三者合一的情况下,磁浮列车、地铁车辆能否正常运行、站屋结构能否正常使用。

2 研究现状

已开展的研究主要包括磁浮列车与轨道梁间的耦合振动研究和地铁车辆与轨道之间的耦合振动研究。其中前者的动力作用不仅与车辆结构和磁铁控制系统有关,还与磁浮轨道结构相关,特别是高速运行条件下,磁浮列车与轨道的耦合作用十分显著。迄今为止,国内外磁浮列车系统动力学研究的主要目的是研究磁浮列车与轨道梁的耦合动力响应,该研究主要是通过分析磁浮列车的组成,建立磁浮列车车辆力学模型,同时,根据轨道梁截面特性,建立磁浮轨道梁力学模型,反映轨道梁的质量和刚度特性,通过磁浮轨道梁间的不平顺谱,将磁浮列车的振动与轨道梁的振动形成耦合[1-4](见图 1)。

地铁与轨道间的耦合振动研究更为广泛,分别建立地铁车辆和轨道的力学模型,通过轨面不平顺谱,将地铁车辆的振动与轨道的振动形成耦合[5,6]。

3 磁浮列车—地铁—站屋耦合振动研究策略

考虑到磁浮列车、地铁列车与站屋间的耦合振动研究开展较少,为合理考虑三合一结构间耦合振动,可采用理论分析与试验相结合的方法,将结构系统分解为地铁和站屋以及磁浮车辆与站屋两个子系统,分步骤研究两者间的耦合振动,两个子系统通过站屋结构的振动联成大系统,通过这样的研究策略,实现在三合一体系中,考虑磁浮列车、地铁列车与站屋相互耦合振动的影响。具体研究技术路线如图2所示。

在研究中,首先根据已有地铁列车测试结果,对列车动力学模型进行修正,然后结合虹桥枢纽站结构形式,对列车的减振技术进行研究,利用合理的减振方案,建立减振后的虹桥车站内的地铁列车与轨道间耦合振动模型,将轨道振动响应输入到车站建筑有限元模型中,求得车站建筑各个关键点处的动力响应,再提取车站建筑中支撑磁浮轨道梁的框架梁的振动响应,来修正磁浮轨道梁不平顺谱,求得地铁列车运行时的磁浮列车以及轨道梁的振动响应。为考虑磁浮列车与车站建筑以及地铁列车间的耦合振动影响,将轨道支座处的振动响应作为振动源,输入到车站结构有限元模型中,求得车站结构在磁浮列车运行时的站内各关键点处的振动响应,提取车站结构中支撑地铁轨道梁处节点的振动响应,修正地铁轨道的轨面不平顺谱。

在结果分析中,提取磁浮列车与轨道梁相关指标,如三向加速度、轨道梁的梁端相对折角等参数,分析这些关键参数是否满足磁浮系统规格书[7]中规定的限值要求。提取地铁列车振动参数,考察列车的舒适度和脱轨安全度等关键指标是否满足地铁运营的相关标准。最后,综合分析磁浮列车、磁浮轨道梁、地铁列车以及车站结构关键点处的振动指标,以确定三合一的车站结构是否可行。

4 初步研究成果

以磁浮列车与支撑在车站支撑横梁上的轨道梁间的耦合振动初步分析结果为例,介绍利用上述三合一结构耦合振动研究策略的初步研究成果[8]。虹桥磁浮车站规划为10线磁浮线路,线路间距相同,对称布置。在计算中,根据磁浮列车的运营工况,分别模拟了虹桥磁浮车站第1,3和5线上列车同时以200 km/h过站、进站和出站工况下线路1,3和5的中部轨道梁跨中节点的磁浮列车动态荷载,结果如图3～图5所示。通过将仿真计算与已有的上海磁浮示范线实测结果的对比,可得两者基本吻合,趋势相同,说明本文三合一结构耦合振动研究策略方法正确。

5 结论与建议

本文通过分别研究磁浮列车与磁浮轨道梁间耦合振动和地铁列车与轨道间的耦合振动,通过循环迭代,间接实现了考虑三合一结构间的耦合振动,为三合一车站结构的可行性提供了必要的设计依据。仿真计算结果与上海磁浮示范线实测结果基本吻合,趋势相同,说明本文研究磁浮列车对磁浮站屋的动力仿真计算方法是可行的。

但是,这种简化的三合一结构间的耦合振动分析,忽略了结构间真实的耦合条件,未全面反映三合一结构间的耦合关系,在今后研究中,应考虑分别建立磁浮列车动力学模型、磁浮轨道梁模型、车站结构有限元以及地铁列车动力学模型,分析各个系统间的耦合关系,在统一的系统中进行耦合振动分析,从而提高三合一复杂耦合振动系统的分析精度,为今后大型复杂交通枢纽站的设计提供分析基础。

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