高速列车引起的车站天桥振动分析

栾涛

(中铁建设集团有限公司，北京100040)

高速列车引起的车站天桥振动分析

栾涛

(中铁建设集团有限公司，北京100040)

高速铁路客站跨线天桥是临近高速铁路建筑物，高铁列车高速通过铁路正线时产生的列车风和振动给车站天桥结构带来了振动激励，其对结构安全的影响有必要加以研究。本文以一高铁车站旅客天桥为例，通过现场实测、理论分析对天桥振动进行了研究，确定了引起天桥结构振动的原因是列车风，并提出了高铁车站天桥设计改进建议。

高速铁路 跨线天桥 现场实测 振动

高铁客站设计须充分考虑每天数百次350 km/h高铁列车通过时带来的振动和列车风［1-2］对跨线天桥结构和建筑装饰物的影响。高速列车对跨线天桥结构振动的影响有别于对公路和铁路既有线天桥的影响。杨亦军等［3］对列车通过时东海道新干线跨线钢板梁桥的风压分布以及振动进行了现场实测与分析，结果表明跨线天桥振动是由列车风引起的，提出了设置小型调质阻尼器(TMD)的减震措施;雷波等［4］数值模拟了高速列车通过时作用在跨线天桥上的风压力，得到了天桥底面压力分布的基本特征;杨娜等［5］通过实测数值和小波分析研究了高速列车经过时跨线天桥表面风压情况。本文采用现场实测、理论分析等方式研究高铁正线列车通过时一天桥结构的振动响应，分析引起天桥结构振动的原因并提出了天桥设计建议。

1 工程概况

一高速铁路中间站为线侧平车站，坐东朝西，面向城市，设5台11线(基本站台1座，中间站台4座)。无站台柱雨棚在站房两侧对称布置，雨棚长421 m，宽117.9 m，采用3跨连续(41.0+33.5+43.0)m钢桁架(倒三角形管桁架)，柱采用钢管柱(φ800×25 mm)，净高13 m，雨棚钢结构跨越5个站台，雨棚钢结构覆盖面积近50 500 m2。纵向柱距除站中心处为21 m外，其余均为18 m。横向柱距由东向西柱距依次为55.00，41.65 m，外侧悬挑19.25 m。进站天桥长110.8 m，宽15.0 m，采用桩基础，钢管立柱，天桥上部为钢结构。

图1为车站剖面图。

图1 车站剖面示意(尺寸单位:mm;高程单位:m)

2 客站天桥振动现象

图2为天桥照片。高铁列车通过时，在天桥结构跨中能明显感觉到上下振动，振动幅值在列车尾部离开天桥时达到最大，在列车离开天桥后近1 min逐渐衰减、停止。为确保高铁行车安全，设计单位组织专业机构进行了现场测试、结构检验、分析评估和设计方案研究。

图2 天桥侧立面

2.1 振动位移测试

天桥振动位移测试内容主要为:天桥不同部位在不同方向(上行和下行)、不同编组类型正线列车通过天桥时结构振动的竖向位移。采用INV9500系列无线数据采集器、高清数码相机与拾振器相结合的方式进行测量。重点在客站天桥跨中(A点)、钢柱顶(B点)、跨中外侧(C点)、钢柱底部(D点)布置测点，如图3所示。对8节编组(小编组)、16节编组(大编组)以及双8节编组高铁列车正线以300～305 km/h过站时引发的振动位移情况进行测试。以下以大编组高铁列车正线以305 km/h高速通过时的测试为例进行分析。

图3 天桥振动位移测点布置(单位:mm)

2.1.1 加速度测试

在客站天桥跨中、柱顶、跨中外侧、柱底布置测点后，进行竖向加速度测试。

1)天桥跨中、柱顶、跨中外侧、柱底测点竖向振动的加速度时程以零点为中心在两侧对称振荡，跨中、柱顶、柱底测点加速度幅值分别为0.534，0.096，0.148，0.019 m/s2。振动从第10.5 s开始，在0.3 s内迅速增大到峰值，之后的变化为:①天桥跨中在接下来的1.5 s内振动略有减小，1.5 s后振动又略有增大，振动开始后第5 s达到第2个峰值，比第1个峰值略小，接着转化为驻波形式并逐渐衰减的自由振荡，衰减持续时间约为15 s。列车对天桥跨中竖向产生了两次激振影响，时间间隔约为5 s(如图4(a))。②柱顶、跨中外侧、柱底测点振动在之后5 s内均维持在较高水平，在5 s后加速度迅速减小，其中柱底处(图4(d))衰减的速度比柱顶处(图4(b))更快，说明大编组列车通过时对柱顶、柱底测点竖向的影响持续时间约为5 s。而跨中外侧处(图4(c))最后转化为标准的逐渐衰减的往复自由振荡，衰减持续时间约为13 s。

2)天桥柱底测点水平向振动的加速度时程以零点为中心在两侧对称振荡，加速度幅值为0.021 m/s2。振动从第10.5 s开始，在0.3 s内急速增大到峰值，在之后5 s内均维持在较高的水平，在5 s后加速度迅速减小至0，说明大编组列车通过时对柱底水平向的影响持续时间约5 s，见图5。

3)加速度最大值

各工况加速度最大值见表1。可见，最大竖向加速度为0.635 3 m/s2，小编组与大编组列车对振动幅值影响的规律性不明显，说明列车长度不是决定竖向振动大小的决定因素。

2.1.2 最大位移

数据采集分析结果表明，列车在正线高速通过时，客站天桥跨中、柱顶、柱底的最大竖向位移分别为1.160，0.100，0.003 mm。天桥主梁跨中外侧、柱底最大水平位移分别为0.022，0.003 mm，见表2。

2.2 振动频率测试

在天桥结构上布置加速度传感器，分别获得列车经过时天桥结构振动的时域信号，经处理获得其频谱。由于振动测试测点较多，下面只选择典型测点进行分析。天桥跨中、主梁跨中外侧、柱底测点振动频谱分布分别见图6、图7、图8。由图6可以发现，最大频率分量为4.6 Hz，与结构自振频率吻合，其余的频率分量很小。由图7、图8可以发现，天桥主梁跨中外侧测点竖向振动加速度的最大频率分量为4.6及5.8 Hz。柱底测点竖向振动加速度的频谱则分布广泛，最大频率分量在33，36，43及50 Hz，且在10 Hz处也较大。

图4 竖向加速度

图5 水平加速度(柱脚测点)

表1 客站天桥不同工况各部位竖向加速度最大值m/s2

表2 客站天桥竖向位移最大值统计mm

3 天桥振动分析

3.1 振动原因

天桥结构振动可能的原因有两种［6-7］:①列车通过时轨道振动由大地通过天桥基础传递到天桥结构上，造成天桥结构的振动;②列车高速通过天桥时造成的气压变化对结构形成激励，引起振动。为确定天桥振动的原因，进行了轨道层振动现场测试。结果表明，正线列车所产生的振动波的传播路径为:振动经桥梁结构轨道梁往下传递至天桥基础，然后沿大地的场地土水平传递至天桥柱，再往上传递至天桥结构梁、板。振动波随着传播路径逐渐衰减。通过大地传递给天桥柱底部的激励主要集中在40～60 Hz频率段，与天桥振动频率频段不同。车速对所有监测结构部位的主要振动频率的影响不大。故可以判定天桥结构的振动并非由列车和轨道振动所致，而是由列车通过时造成的气压变化引起的。

图6 天桥跨中结构振动频谱分布

图7 天桥主梁跨中外侧测点振动频谱分布

图8 天桥柱底测点振动频谱分布

对天桥两端玻璃栏板进行测试发现，其水平自振频率与天桥竖向自振频率基本一致，判定由天桥振动激发了玻璃栏板很大一部分水平振动，直接导致栏板玻璃水平振动响应较大，说明栏板玻璃自振频率应尽量远离天桥竖向自振频率。

3.2 列车风实测与分析

天桥受到列车风和自然风的共同影响，二者相互交织、干扰，使列车周围的空间流场极为复杂。可以通过对比结构的自振频率与风致振动的频率来确定振动的类型，以便有针对性地制定振动控制方案。通过试验分析得知，列车速度对空气动力影响大，空气动力与列车速度的平方成正比;与列车距离越近，空气动力越大;此外，车头造形对列车头部空气动力有重要影响。

要准确测量天桥风速，必须考虑自然风的影响。将列车过站进入测量范围之前的数据经过分析处理后作为自然风风速的测量结果，以此对列车风风速加以修正。经实测，16:02当两列小编组相连的车体通过时，车站风速的测量结果较大，最大值达到6.22 m/s，如表3所示。

表3 车站最大风速连续测量结果

测试结果表明，列车引起的大地振动传递到跨中振动加速度为34 mm/s2，加列车风荷载跨中振动加速度为569 mm/s2。环境风作用下天桥结构振动计算结果见图9，最大振动加速度为509 mm/s2。计算得到的风速与实测值很接近，振动波形也相似。

图9 环境风下天桥结构振动计算结果

3.3 计算分析结果

由测试结果可以判定天桥振动主要由列车环境风引起。列车环境风引发的天桥振动比列车通过大地传递到天桥基础引发的振动大一个数量级。该振动为受迫振动而非自由振动。对天桥结构建模进行结构检算，检算结果表明，该结构的原设计符合规范要求，可以保证结构的安全与正常使用。

天桥跨中的竖向自振频率为4.6 Hz，玻璃栏板水平向自振频率为4.6 Hz，二者一致。由于玻璃栏板水平振动很大一部分是由天桥振动激发的，直接导致天桥玻璃栏板水平振动响应较大，应进一步改进。经过专家论证会深入讨论，设计单位改进了天桥栏板的设计，见图10。

图10 天桥钢制栏板示意

4 结论与建议

客站设计时必须考虑高速铁路列车风对站台、天桥、雨棚结构造成的影响，应细化专门设计。本文通过一高铁车站天桥结构在高速列车作用下结构振动现象的实例分析得出，天桥结构的振动是高速列车通过时列车风带来的气压变化引起的结构受迫可视振动，经过疲劳验算，其对主体结构的安全没有影响。

对高速铁路客站天桥设计提出如下建议:

1)高速列车经过产生的列车风可能造成天桥结构的振动，设计过程中需考虑动态下的结构安全，保证必要的刚度、合理的柱网和柱间距。

2)天桥建筑设计中避免使用玻璃栏板，宜采用更安全的建筑材料及结构形式。

［1］贺德馨.风工程和工业空气动力学［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［2］田红旗.列车空气动力学［M］.北京:中国铁道出版社，2007.

［3］杨亦军，王庆云，林志兴.高速列车通过时跨线钢板梁桥的风致振动及其对策研究［J］.世界桥梁，2005(1):46-49.

［4］雷波，刘应清.高速列车作用在跨线天桥上风压力的数值模拟［J］.西南交通大学学报，1999，34(3):259-262.

［5］杨娜，郑修凯，张建，等.高速列车经过时跨线天桥表面风压小波分析［J］.振动与冲击，2015，34(4):53-58.

［6］周星德，姜冬菊.结构振动主动控制［M］.北京:科学出版社，2009.

［7］尹国高，张高明，李敬学，等.京沪高铁徐州东站旅客人行天桥振动研究［J］.建筑结构，2014(1):53-57.

(责任审编李付军)

U441+.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.09

1003-1995(2015)05-0034-04

2015-01-10;

2015-03-16

栾涛(1970—)，男，辽宁沈阳人，高级工程师，硕士。