列车哺呒芮攀娇驼抉詈舷低痴穸响应分析

    朱志辉 王力东 蒋小金 余志武 蔡成标

    

    

    

    摘要： 针对中国高速铁路“站桥合一”大型枢纽客站的车致振动问题，以新长沙南站为例，利用自主开发的计算分析软件TRBFDYNA建立了列车轨道客站耦合系统空间整体动力学分析模型，研究车致客站振动响应的分布规律、传播和衰减规律。车辆采用31自由度车辆模型，采用有限元方法建立轨道客站三维整体动力学模型，轮轨之间采用空间非线性接触模型。开展了单线和双线行车工况下的列车轨道客站耦合振动分析。结果表明：受列车竖向动力荷载控制，客站以竖向振动为主；无砟轨道结构可以过滤轮轨高频激励，降低列车对轨道层主梁的冲击作用；桥式结构体系可以较好地减小轨道层振动对上部结构振动的影响；双线行车引起的客站振动响应高于单线行车，但均能满足舒适性要求；车辆行车安全性指标符合规范要求，表明该客站结构设计具有较高的安全储备。关键词： 高速列车； 客站； 动力响应； 轮轨接触； 无砟轨道

    中图分类号： U238；TU248文献标志码： A文章编号： 10044523（2016）04065610

    DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.013

    引言

    为方便旅客的出行和换乘，集铁路、城市地铁和地面公共交通体系于一体的新型“站桥合一”高速铁路客站在中国迅速兴起[1]，常见的“站桥合一”客站结构体系主要有框架式和桥梁式两种。与传统线侧分离式客站不同，“站桥合一”客站融轨道层、高架候车层、屋顶层于一体，兼具房屋结构和桥梁结构的特征。当正线列车高速通过“站桥合一”客站轨道层时，列车将引起轨道层以及与轨道层相连的上部候车层和屋顶层的振动[2]。车致结构振动响应虽不至于造成结构破坏，但会对高架层旅客候车环境舒适性造成不利影响[3]。因此许多学者针对“站桥合一”客站的车致振动开展了相关研究工作，并取得了一些研究成果。

    列车激励源模拟是研究车致“站桥合一”客站振动响应分析的首要问题。与以往研究车桥耦合振动问题不同的是，由于“站桥合一”客站结构的复杂性，建立列车客站耦合系统动力分析模型具有较大的难度，通常采用两步法的研究方案。首先将轨道层独立出来，建立列车轨道梁相互作用模型，计算得到作用在轨枕或扣件处的动力时程曲线；然后用该力替代移动列车模型作为“站桥合一”客站模型的激励源，计算客站的动力响应[47]。王国波[4]、丁阳[5]、郭向荣[6]、傅学怡[7]、郭薇薇[8]、Feldman[9]等分别针对武汉站、天津西站、长沙南站（武广线）、广州站、深圳北站、南京南站和柏林站开展了车致振动响应研究。将“列车轨道客站”耦合系统分解为 “列车轨道梁”和“轨道梁客站”两个子系统的求解模式虽然降低了建模及求解难度，但由于忽略了车辆、桥梁、客站之间的动力相互作用，难以真实反映系统间的耦合振动效应[10]。同时，以往的车致客站振动研究主要关注高架层振动响应，对列车走行性能、客站整体振动响应以及振动在客站内传递和衰减规律研究不足[1112]。

    基于已有研究基础，本文以位于沪昆高铁上采用桥梁式“站桥合一”结构体系的新长沙南站为研究对象，利用自主开发的车线结构耦合振动分析软件TRBFDYNA建立列车轨道客站耦合系统整体动力学分析模型，研究单线及双线行车工况下列车及客站各部分的动力响应，分析客运站各楼层的动力响应及其振动传递规律。

    Abstract： In order to research the vibration of integrated buildingbridge railway station （IBBRS） induced by train， the spatial dynamic model of traintrackstation building coupled system of the new Changsha South Railway Station was established by selfdeveloped software TRBFDYNA and the vibration propagation and attenuation of IBBRS are discussed in this paper. The train model with 31 freedoms is built by using multirigid dynamic theory， the railstation building system model is established by FEM， and the spatial nonlinear contact model is used to simulate the wheelrail contact. The spatial coupling vibration of traintrackstation building system under different running cases of train was conducted. The results show that the vibration of railway station is controlled by train vertical dynamic loading and mainly with vertical vibration. The ballastless track can filter out the high frequency excitation induced by wheelrail interaction and reduce the impaction of train acted on the track level. The bridge structural system can reduce the effect of vibration induced by train on the vibration of superstructure of railwaystation. The vibration responses of doublelane case are larger than singlelane case. The dynamic responses of railway station and train running safety indexes meet the railway code requirements and China's current IBBRS designs have enough safety degree.

    Key words： highspeed train； railway passenger station； dynamic response； wheelrail contact； ballastless track