高速列车引起的车站大跨度钢结构的振动分析

　　随着我国高铁建设的快速发展，桥建合一的新型结构形式由于其能提供较大的站内空间，以及具有强烈的视觉冲击效应，因而得到了广泛的应用。如武汉火车站、郑州火车站、南昌火车站等。但随之而来的问题是高速列车引起的振动荷载直接传递给了上部的大跨度钢结构，而钢结构大多是采用焊接的方式连接在一起。因此，焊接钢结构在长期振动荷载下的疲劳特性及其疲劳寿命值得关注。
　　目前关于大跨度钢结构、网壳结构等空间结构在风荷载以及地震荷载作用下动力响应的研究颇多，也有少量关于该类结构在简单竖向动荷载(如周期荷载)下动力响应方面的研究，而在高速列车作用下动力响应的研究较少。本文则针对某客运专线火车站结构，采用大型通用软件ANSYS建立其整体有限元模型，计算分析大跨度钢结构各部位在高速列车振动荷载作用下的动力响应，为后续的振动疲劳分析提供基础。
　　1 工程概况
　　某客运专线火车站的站房采用了上部大型建筑与下部桥梁共同组成的站桥合一的新型结构型式(图1)，图2为细节示意图。上部大跨度钢结构的重量通过V撑支承于主拱上，而主拱则通过桥墩顶部的预埋构件直接支撑在高架桥的桥墩上，同时，列车引起的振动通过主拱和V撑也直接传递给上部大跨度钢结构。在长期的列车振动荷载作用下，上部大跨度钢结构，特别是关键的焊接节点处的疲劳问题值得关注。
　　2 计算模型
　　武汉站站房上部建筑主要为由拱(主拱和半拱)、V型支撑、网壳等组合而成的空间结构体系。主拱最大跨度达116 m，高56 m(F轴)，拱结构上有树枝状的V型支撑，用来支撑整个屋面结构，其下端固定在高架桥桥墩上，图3为上部大跨度钢结构计算模型。
　　3 计算方法
　　对于桥建合一的新型结构型式，本文借用子结构模型的分析方法，即将整体结构划分为列车荷载简支梁模型和桥墩-上部大宽度钢结构模型，由前者计算得到简支梁支座处的反力，再将该反力作为后者的输入荷载。限于篇幅，本文主要针对第二个子模型，对于第一个子模型计算得到支座反力可参考文献 [4]。这里仅给出得到的支座反力时程曲线，即本文的输入荷载。文献的研究表明，对于双线简支梁，当双线同向同时加载时(两列列车同时同向驶入简支梁上)为最不利荷载模式，因此本文给出双线加载情况下桥墩处的支座反力时程曲线，如图45所示，单列车通过时支座反力仅是在幅值上有所差异，故未给出，其中 y 向为竖向方向，x 向为顺轨方向，z 向为垂直轨道方向(未给出)。
　　6 分析与结论
　　由上述表格及时程曲线可得如下结论：
　　1)不同工况下结构各构件应力最大值出现的部位几乎一致：均出现在结构纵向中部的F轴上，主要是因为该轴的跨度最大，柔度最大;
　　2)由于桥墩刚度大，由结构力学基本原理可知，刚度大分配的力也就大，上部大跨度钢结构相对柔很多(1阶自振频率仅0.94 Hz)，桥墩吸收了绝大多数的振动能量，仅小部分的振动能量传给了上部大跨度钢结构，因而，各工况下上部大跨度钢结构的动力响应相差不大;
　　3)从应力时程曲线看，除网壳部分外，其余各构件的应力峰值出现均出现在最开始的0.1 s左右，随后由于结构阻尼，衰减较快，最后均在静力作用时结构应力值附近波动;
　　4)结构各构件的最大应力仅 86.6 MPa，对于 Q345 钢而言，远小于其屈服强度值(345 MPa)，即列车振动荷载对结构的强度影响不大，因而，更多的注意应放在焊接钢结构的长期振动疲劳方面。