轨道交通“桥—建”合一高架车站动力特性分析

胡京涛，毛学锋

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

采用城市轨道交通系统作为城市公共交通的骨干网络，能有效地解决大城市的交通问题［1］。为获取空间综合利用效率，降低工程运营费用，“桥—建”合一结构形式逐渐被采用。轨道与房建结构整体浇筑，在动载作用下因荷载冲击和反复作用而产生振动和变形，容易对车站乘客舒适度和设备用房造成影响，甚至可能产生共振引起结构破坏。因此，设计时如果对高架车站动力行为考虑不足，将使车站乘客舒适度和结构安全性能下降。本文以深圳地铁3号线标准高架车站为例，对此类结构的动力特性设计进行分析。

1 工程概况

高架车站为典型“桥—建”合一岛式车站结构。站厅、站台采用悬挑结构，桥梁的盖梁、墩柱、基础为桥梁结构和站房结构共用，每榀横向框架通过纵向轨道梁、站房结构梁板整体形成空间框架体系。车站采用三层:地面一层为供电系统设备用房，地上二层为站厅层，地上三层为行车道层。车站总长120 m，宽16.7 m。框架横向跨度8 m(双悬挑)，纵向柱距12 m，柱纵向尺寸1.2 m，横向尺寸1.5～2.7 m，电缆夹层底板厚400 mm，设备层底板厚200 mm，站厅层框架横梁纵向1.9 m，横向2.0 m，悬挑段由2.0 m渐变为1.5 m，纵向框架梁0.8 m×1.4 m，板厚200 mm;行车道层框架横梁1.5 m×1.5 m，轨下对中设置轨道梁0.6 m×0.9 m，纵向框架梁0.65 m×1.20 m，板厚200 mm;站台层下设200 mm厚混凝土墙，站台板厚200 mm。桥梁墩柱和轨道梁采用C50混凝土。该桥设计荷载:地铁B型车，按6辆车编组，单轴重140 kN，设计最大行车速度为100 km/h。

2 结构动力分析方法及原理

高架车站结构动力特性是评价高架车站结构运营状态和承载能力的重要指标，振动特性主要取决于它的各阶自振频率和主振型等。自振频率首先是表征高架车站结构刚性的指标，同时也是判断高架车站结构在动力作用下是否会发生车桥共振的依据。高架车站结构的固有自振特性和受迫振动响应，是动力分析的主要内容。

高架车站结构的动力方程［2］可写为

式中，［M］、［C］、［K］分别为高架车站结构的质量、阻尼、刚度矩阵¨、和δ分别为高架车站结构的加速度、速度和位移向量;F为作用于高架车站结构空间梁单元的力向量，不计作用于高架车站结构单元的外力(风力)，由高架车站结构上运行列车通过轨道结构传来的轮对力FW决定，即:F=FW。

求桥梁自振特性时，一般不考虑阻尼的影响。令［C］=0，［F］=0，则得到其无阻尼自振方程

式(2)具有非零解的条件为

也就是式(2)的特征方程(频率方程)为

3 计算模型建立

结构设计采用MIDAS软件建立空间计算模型，本车站动力有限元模型中杆件结构均采用变截面的三维空间梁单元进行模拟，楼板按实际厚度采用对应板单元模拟，模型中梁、板单元的刚度即为结构本身的刚度。结构质量除结构本身的质量外，各层楼面板装修层和设备荷载作为均布质量分配于各结构单元中，而不改变主梁梁单元的其他性质。高架车站模型中将各梁杆件处理为刚性连接，墩底设竖向约束，对水平方向采用弹性约束计入基础刚度。结构空间动力计算具体模型如图1所示。

图1 高架车站有限元模型

4 计算结果分析

4.1 模态分析

通过对结构自振特性的分析，对结构整体动力性能进行一个初步的评定，图2和表1列出了本高架车站前9阶振型图和前11阶模态自振频率。

图2 高架车站(半幅)前9阶振型

表1 高架车站(半幅)前11阶的自振特性

通过以上计算结果，可得出以下几点结论:

1)第1阶振型是以桥墩为主的纵向面内振动，与Π型门架墩振动同向，站房纵漂无变形，反映了Π型门架墩对高架车站的动力特性有较大的影响。由于高架车站结构采用空间框架结构，纵桥向保持一定的柔性对改善车站结构纵向次内力，特别是温度作用下是有利的。振动的第1阶为纵桥向，与设计初衷吻合。

2)振动的第2阶、第3阶、第4阶出现站房横桥向弯曲和主墩的侧弯，但其横向偏心值不大，受益于该结构采用Π型门架墩，横向刚度较大，相应变形也较易满足要求。

3)该桥在第5阶出现了站房扭转模态，说明该高架车站结构的抗扭刚度强于其纵向和横向刚度，这与站房每墩布置4根站厅立柱加强结构整体刚度相吻合，表明站房结构的整体性和抗扭性较强。

4)第6阶站厅层与站台层出现了纵桥向的反向漂移，表明通过站厅立柱连接的站厅层与站台层虽然连接刚度较强，但在振型后期也还是发生了比较明显的剪切作用，这在设计时应注意加强站厅立柱的刚度和节点连接措施。

5)第8阶出现了站房竖弯，表明站厅和站房双层固结结构的竖向刚度较大，利于站房内行车的平顺性，这与结构设计的理论是吻合的。

6)第11阶站厅层、站台层出现了站房和桥墩的中心面外的强耦合振动。主梁不仅有竖向挠曲变形，还有横向弯曲变形，同时桥墩和站厅立柱伴有侧弯和扭转变形，特别是1、6轴角点站厅立柱，其侧弯和扭转效应明显，但幅度不大。

4.2 耦合动力分析

设计采用MSC仿真分析程序对“车—桥—建”整体模型进行耦合动力分析，通过对“车—轨道—结构”进行整体计算并获得设计关注部分结构点的加速度值用以评价乘客舒适度，最终确认车站结构的安全性、合理性和舒适性。图3为车站结构和桥墩测点(计算点)布置示意图，表2、表3、表4分别为站台加速度﹑站厅加速度和车辆响应计算结果。

图3 车站结构和桥墩测点布置示意

表2 站台加速度响应计算结果m/s2

表3 站厅加速度响应计算结果m/s2

表4 车辆响应计算结果

由表2、表3、表4计算结果可知:

1)深圳地铁3号线高架车站的站台和站厅振动加速度满足垂向不大于0.35 g，横向不大于0.14 g的要求，满足乘客舒适度和行车安全要求;

2)采用美国五级谱转换的时域不平顺作为激励源，地铁列车以40～60 km/h速度通过时，动车和拖车各向舒适度均为优，车体加速度合格。

5 结束语

城市轨道交通“桥—建”合一车站整体动力特性关系到乘客、站内工作人员的舒适度及设备的正常运营，对结构整体动力分析是十分必要的。通过对结构自振特性的分析及控制，采用“车—桥—建”耦合模拟分析，能够达到控制结构布局、设计尺寸等目的，为结构设计提供指导和帮助。

［1］袁凤薇.城市轨道交通项目合同体系研究［J］.经济研究导刊，2010(8):172-174.

［2］李国豪.桥梁结构稳定与振动［M］.北京:中国铁道出版社，2002.