“房桥合一”结构车致振动响应分析及舒适度评价

杨娜　王民　张帅

摘要：以北京南站大跨度站厅为工程背景，根据荷载实际作用位置进行结构动力时程分析；通过数值模拟结果确定高架站厅现场试验测点布置方案，获取高架站厅关键位置的动力响应。对实测数据的分析表明，列车类型与荷载作用位置对高架站厅结构振动响应影响明显。参照振动舒适度标准，高架站厅结构的实测振动强度接近甚至超过规范限值，而现场烦恼率实际值与其理论值不符，说明现有结构舒适度评价标准并不适合直接用于“房桥合一”结构体系的高架站厅结构的舒适度评价。

关键词：房桥合一；直通列车；动力响应；舒适度

中图分类号：U441.3 文献标识码：A

为满足零换乘、多模式交通转换和交通流线的立体化，大型铁路客运站多采用“房桥合一”结构体系，以实现足够的转换空间和多种交通方式衔接。由于列车在“房桥合一”轨道层结构上通过，导致结构振动效应明显，因此，车致振动响应特征分析及结构舒适度问题研究对该类结构体系的设计和使用具有重要意义。

自1825年英国修建第一条铁路，列车荷载引起的振动问题便得到了广泛的关注。Yoshioka建立高速列车高架桥地基土相互作用系统进行数值模拟分析，并对新干线高速列车对环境的影响进行现场动力测试，研究了地面、桥梁与列车的振动特征。章关永、刘进明通过环境激励方法对上海卢浦大桥进行了动力特性试验。刘哲以某城市轨道交通三跨的连续桥梁结构为研究对象，对地震与列车作用下的动力响应进行了分析。以上研究主要集中在桥梁系统的动力特性分析，国内外关于“房桥合一”结构的研究主要分布在荷载组合、设计和施工及地震响应分析与抗震设计方法方面，对于大跨度站厅在列车荷载作用下的动力特性研究较少。

结构舒适度问题随着振动问题的日益突出而被提出，何浩祥、闫维明等通过建立人与结构耦合的动力平衡方程，研究了结构动力响应与影响人舒适度的重要因素，提出了基于小波包变换求得频带能量的舒適度评价方法；宋志刚等考虑了人主观反应判断的模糊性与对振动刺激感受的随机性，系统地研究了振动舒适度问题，基于大量实验研究数据提出了能够量化任意振动水平下干扰反应比例的模型——烦恼率模型。Crolla等通过对车辆座椅悬架性能的度量与人体舒适度的研究，提出吸收功率法（AP法）来评价车辆及交通工具的舒适性。以上舒适度评价方法的建立均基于标准，然而“房桥合一”具有结构形式复杂与多重荷载作用的特征，与标准规定的适用场所存在差异。

本文以北京南站大跨度站厅为工程背景，针对通过列车在不同因素作用下对结构响应的影响以及车致结构振动舒适度评价规程适用性问题开展研究。根据通过列车实际作用轨线位置以及结构动力时程分析的数值模拟结果，确定高架站厅现场实测测点布置方案。通过车致振动效应实测获取高架站厅关键位置的动力响应，与现行舒适度评价规范对比分析。实测结果可为大跨度结构舒适度评价体系的建立提供参考依据。

1工程背景

北京南站是2008年投入使用的综合枢纽客站，坐落于北京市永外大街，地下3层地上2层。地下层为钢筋混凝土框架结构，框架柱为矩形钢筋混凝土柱；地面层为轨道层，钢框架结构，框架柱为矩形钢管混凝土柱，框架梁为钢箱梁；地上二层为钢结构刚架，结构剖面如图1所示。站房结构平面呈椭圆形，结构沿长轴方向设置2道横向变形缝，使结构分为3大块，中间部分平面呈鼓形，上下两侧部分呈半圆形。北工区为普速车场设到发线5条，3座站台，其中3号、4号轨道为直通车道，不减速行驶经过站房结构。高架站厅结构最大跨度为40.5 m，导致楼盖结构自振频率较低，且其主要为人群活动区域，因此本文对直通列车荷载作用下的结构动力特性与舒适度评价规范的适用性开展研究。

2实验方案

直通列车行驶轨线3号、4号轨道对称分布在轴线Q两侧，由框架结构空间布置可知构件力的传递途径，轮轨作用产生的结构振动一部分通过承轨梁、框架柱向下传递至地下层结构，另一部分通过框架柱向上传递至候车厅，可以假定候车厅的振动响应沿轴线Q处的主梁对称分布。为准确获取结构响应较大的节点位置，以布置测点获取结构关键位置的加速度响应，对结构模型施加列车移动荷载，进行动力时程分析，其施加位置如图2所示。

2.1列车荷载模型

文献均建立了车桥耦合体系研究动力特性，本文仅考虑列车荷载的周期性，采用移动荷载模型进行动力时程分析，列车荷载模型如图3所示。d₁为轴间距，d₂为转向架中心距，L为车厢长度，轴重简化为集中力P，列车运行速度为v。本文以拖车25 t的列车参数为例，在列车移动荷载模型中，轴间距d₁为2.5 m，转向架中心距d₂为18 m，车厢长度L为26.6 m，轴重P为165 kN，车辆运行速度v为80 km/h。

2.2数值模拟结果分析

提取大跨度站厅结构振动加速度响应，绘制加速度响应分布云图，列车移动荷载加载于3号、4号轨道，高架站厅结构响应分布如图4和图5所示，其中横纵坐标为结构坐标系x，y，单位为mm。

模拟结果与概念分析较为一致，车致振动沿框架柱向上传递至候车厅结构，振动由主梁传递至次梁与楼板，响应均沿列车行驶轨线呈近似对称分布；响应最大的节点均分布在边界处；结构开洞处响应较大，如中部两个封闭区域。根据现场商埠布置及结构响应分布情况，在图4虚线框A，B，C区域内布置加速度传感器，获取结构关键位置的动力响应。试验荷载为通过3号、4号轨道不减速的直通列车，包括客车、货车及车头，其工况见表1。

2.3测点布置

测试采用KD1300C垂直传感器进行信号拾取，KD5008C型放大器进行信号放大，然后采用INV3018型智能数据采集分析仪进行数据采集和分析，以获取结构关键部位的动力响应，采样频率为600 Hz。测试分ABC三区进行，每区12个测点，共36个测点，其中编号为1，2，3，4的测点为参考点，测点布置如图6～图8，具体结构布置位置见表2。

3实测结果分析

3.1结构振动特性分析

车致结构振动原始信号的频谱分析表明振动频带为25～110 Hz，能量主要集中在50～100 Hz，因此提取25～110 Hz频带内信号进行滤波降噪，客车与货车的加速度时程曲线相同，如图9所示，车头引起的结构加速度响应曲线如图10所示。

客货列车驶入结构前，结构振动响应较小，随着列车驶进结构，振动响应逐渐增大，达到最大后降低至稳定状态，随着列车驶出结构，振动响应几乎衰减至零，有明显的振动衰减过程；车头引起的结构振动响应时程曲线尽管有明显的增大和衰减的过程，但达到峰值后并没有平稳作用时段，虽然车头作用过程仅为客货列车作用时间的0.3倍，但其对结构的振动冲击力高达客货车的5倍。文献给出南京南站在列车制动与启动作用下的轨道层结构振动响应时程图，响应增大、衰减速度较快，没有明显的变化过程。文献给出列车荷载作用下桥梁跨中位置的加速度响应存在明显的周期性，但没有明显的增大和衰减过程。上述结果表明，可根据结构形式的时程曲线特征判断荷载类型。

分别绘制客货列车与车头作用下结构响应频谱图如图11和图12所示，客货车致结构振动响应频率带为25～110 Hz，能量主要集中在50～100 Hz，主频为72 Hz左右，车头引起梁的振动主频介于74～79 Hz，然而楼板振动的主频为40.8 Hz。这是由于车头的车体较短，同一位置荷载作用时间短，振动由框架柱向上传递至梁，再传递到板的过程中，高频振动信号迅速衰减造成的。

3.2车型对结构振动的影响

A区工况1，3，4，6均为作用在4号轨线而列车类型不同，将客车、货车2种车型作用下，各测点的均方根加速度响应绘制成图13。尽管列车类型均为客车，但其曲线图并不重合，引起的结构振动强度存在一定的差距，这与列车长度、轴重等其他参数密切相关；货车作用下，部分测点的结构响应与客车重合，甚至低于客车作用，由于2种类型列车的載重差异以及轮轨转向架构造不同，对轨道结构层的激振作用力也不相同，难以断定其对结构的冲击作用力的大小。C区工况1，6，7，2分别为客车、车头作用在3号轨线，图14所示为各测点的均方根加速度响应，工况1的振动强度增大为工况2的2～4倍，说明客车荷载导致的结构振动强度远大于车头。不同工况的结构振动响应规律呈现相同趋势，直观地反映了结构的振动特性。因此，不同车型引起的结构振动特性相同，但是不同列车类型下的结构振动响应水平存在一定的差异性，尽管车头作用峰值较大，但由于其短时作用，所以导致的结构振动强度要小于客货2种车型，其引起的人体不舒适感也会小于客货2种车型，但是，无论哪种列车荷载，其引起的结构振动响应均不容忽视。

3.3荷载位置对结构振动的影响

A区工况1，4，6列车荷载作用在4号轨道，而工况5列车荷载作用在3号轨道，3种工况下的列车类型均为客车，绘制其RMS加速度如图15所示，与模型分析结果一致，列车移动荷载作用于3号轨道对结构的影响大于4号轨道。图16所示为B区5组工况的结构振动强度，3号轨道车头导致的结构振动响应大于4号轨道客车，而前文分析表明客车对结构的振动响应影响大于车头，说明荷载位置对结构振动的影响大于列车类型。

3.4Ⅰ区结构振动强度分析

将所有测点按照A-C的顺序绘制于同一个坐标系，如图17所示。通过参考点连接3区结构响应，选取一种工况绘制结构响应3D平面图，如图18所示。

A区、C区振动强度相对相同，纵向梁上测点振动响应相对小于横向主梁的振动强度，这是由于振动沿着框架柱向上传递至主梁，再传递给次梁，导致次梁振动强度小于主梁。最大响应均出现在B区测点2及其纵向测点位置处，B区结构响应普遍较大。原因有二：其一，B区主梁较AC区主梁跨度大，刚度相对小，在外荷载作用下更容易产生振动；其二，由建筑构造可知B区和AC区由检票口开洞断开，而AC区横梁端点均有斜柱将振动上传至屋盖，同等振动强度下，B区振动能量由梁板结构全部吸收，而AC区部分振动能量由屋盖承担。由此可推断候车厅中央坐席区的振动强度大于两侧客流疏散区。

4“房桥合一”结构振动响应特征

“房桥合一”结构作为新型结构体系，目前对于其结构振动特征缺乏认识，基于现场实测的结构振动分析结果可为该类结构体系工程设计指南的不断完善提供参考。结构剖面与列车行驶位置如图19所示，列车由远及近行驶至距离结构100 m直到车尾离开结构至100 m处，其车致结构振动响应信号如图20所示。上述测试分析总结该类结构体系振动响应的特征如下：

1）车致结构振动由土层传递与结构传递两部分振动构成。如图19和图20所示，列车由远及近行进至距离轨道层结构100 m时，结构开始产生振动响应，其传播介质为土层，随着振动源向结构不断移动，振动响应峰值由0逐渐增大到近0.028 m/s²；列车匀速通过轨道层结构时，其引起的高架站厅结构振动响应峰值剧烈增大为0.04 m/s²，近1.2 s内降低至稳定值0.017 m/s²；随着车尾离开结构，响应峰值由0.017 m/s²逐渐衰减至0 m/s²。

2）如图19所示，列车通过轨道层结构时，其上高架站厅距离结构边界约50 m范围内的A和C区域，其加速度振动级的范围为71～89 dB，而结构中部区域近70 m范围的B区域，其加速度振动级的范围为74～92 dB，由于梁跨度不同，两者振动强度平均相差3 dB。

3）采用主次梁结构的高架站厅，其在列车激励下，振动由框架柱向上传递至主梁，由主梁再依次分配给次梁与楼盖，振动能量最终由楼盖消耗。因而，结构设计时，需综合考虑构件刚度与力的传递途径。

4）测点沿框架柱正线对称分布，其加速度振动级的衰减规律如图21所示，框架柱正线上方的测点振动强度较大，振动强度随着距离的增大而逐渐衰减，正线距离大于2.1 m时，其衰减速度增大，正线距离为4.2 m时，部分工况的振动级刚好达到国家标准限值75 dB，由衰减趋势及振动强度可推断距离正线8.4 m以外的区域其振动强度满足国家振动限值要求。

5舒适度评价方法探讨

“房桥合一”结构的大跨度站厅，在多种振动荷载作用下，振动水平极易达到人体感知阈限。本文采用ISO 2631规定的1/3倍频程计权计算方法，获得所有工况下的Z向加速度振动级。

目前环境振动控制标准并没有统一的模式，ISO及美国等国家制定了建筑物内的振动标准，其中ISO 2631考虑了振动类型及方向，针对振动舒适度评价的主要应用领域，制定了涵盖许多建筑物振动对使用者影响的限值；美国标准《人承受建筑物内振动评价标准》中规定的振动限值比ISO标准严格一些。我国和日本则针对广义的环境保护提出了环境振动的限值，且仅考虑了人体最敏感的z向振动，针对不同使用场所制定了环境振动限值。

选取规范ISO 2631-2，美国的ANSIS329，日本的《振动限值法》以及中国的《城市区域环境振动标准》中与客运站环境较接近的适用场所，将站厅实际振动强度与规范限值对比，如图22至图24所示。结构计权振动级基本上均超过日本限值，大部分超出了中国限值，极少部分测点振动级超出了美国限值，ISO标准相对没有那么严格，均大于测点振动级值。按照现行标准的规定，站厅结构的振动强度达到了旅客所不能接受的水平，理论上超出了人体舒适的界限，必然引起绝大多数旅客产生干扰反应，但是现场调查研究结果表明仅存在10%的旅客产生烦恼率，规范限值与实际烦恼率并不吻合，说明现行规范要求过于严格，并不适合直接用于“房桥合一”结构体系的高架站厅结构的舒适度评价。

尽管诸如“房桥合一”结构的大型铁路客运站的振动强度较高，由于其复杂的使用环境和旅客期望值的降低，实际产生的烦恼率远低于其理论值，因而在对“房桥合一”的大跨度结构进行设计和适用性评价时，可适当提高振动限值以放宽舒适度评价要求，其放宽界限需结合实测振动强度与人的实际烦恼率进一步研究和讨论。

6结论

1）“房桥合一”高架站厅结构的车致振动响应信号具有明显的增大、衰减过程，其振动频率分布在25～110 Hz，70 Hz对应的幅值较大，而车头引起的楼板振动主频为40.8 Hz，可用于荷载类型的判断。列车由远及近行驶至距离结构轨道层100 m时，由土层传递的车致振动开始引起结构产生振动响应，其响应峰值由0 m/s²逐渐增大到近0.028 m/s²，该类结构设计时需要考虑土层传递的振动对结构的影响。

2）尽管不同列车类型引起的结构振动特性相同，但其造成的结构振动强度存在差异，呈现如下规律：客车、货车>车头。由于该类结构设计跨度大，列车动力荷载引起的结构加速度振动级的范围为71～92 dB，其中距离结构边界约50 m范围内区域的振动强度平均值小于中部区域70 m范围内区域3 dB。

3）列車移动荷载作用位置对结构振动的影响大于列车类型。采用主次梁结构的高架站厅，荷载作用于不同位置引起的结构振动传递途径相同，均由框架柱向上传递至主梁，由主梁再依次分配给次梁与楼盖，振动能量最终由楼盖消耗。

4）高架站厅的振动强度沿垂直于框架柱正线的方向呈现衰减的趋势，正线距离大于2.1 m时衰减速度增大，由振动传播呈现非线性衰减趋势可知，在距离正线8.4 m以外的结构响应小于75 dB。

5）现行标准评价大跨度结构舒适度时，规范限值与实际烦恼率并不吻合，因其要求过于严格，并不适合直接用于“房桥合一”结构体系的高架站厅结构舒适度评价，因而在对这类结构进行设计和适用性评价时，可适当提高振动限值以放宽舒适度评价要求，其放宽界限需结合实测振动强度与人的实际烦恼率进一步研究和讨论。