高速列車引起的車站大跨度鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析論文
隨著我國(guó)高鐵建設(shè)的快速發(fā)展，“橋建合一”的新型結(jié)構(gòu)形式由于其能提供較大的站內(nèi)空間，以及具有強(qiáng)烈的視覺(jué)沖擊效應(yīng)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。如武漢火車站、鄭州火車站、南昌火車站等。但隨之而來(lái)的問(wèn)題是高速列車引起的振動(dòng)荷載直接傳遞給了上部的大跨度鋼結(jié)構(gòu)，而鋼結(jié)構(gòu)大多是采用焊接的方式連接在一起。因此，焊接鋼結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期振動(dòng)荷載下的疲勞特性及其疲勞壽命值得關(guān)注。
目前關(guān)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等空間結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載以及地震荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)的研究頗多，也有少量關(guān)于該類結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)單豎向動(dòng)荷載(如周期荷載)下動(dòng)力響應(yīng)方面的研究，而在高速列車作用下動(dòng)力響應(yīng)的研究較少。本文則針對(duì)某客運(yùn)專線火車站結(jié)構(gòu)，采用大型通用軟件ANSYS建立其整體有限元模型，計(jì)算分析大跨度鋼結(jié)構(gòu)各部位在高速列車振動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，為后續(xù)的振動(dòng)疲勞分析提供基礎(chǔ)。
1 工程概況
某客運(yùn)專線火車站的站房采用了上部大型建筑與下部橋梁共同組成的“站橋合一”的新型結(jié)構(gòu)型式(圖1)，圖2為細(xì)節(jié)示意圖。上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)的重量通過(guò)V撐支承于主拱上，而主拱則通過(guò)橋墩頂部的預(yù)埋構(gòu)件直接支撐在高架橋的橋墩上，同時(shí)，列車引起的振動(dòng)通過(guò)主拱和V撐也直接傳遞給上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)。在長(zhǎng)期的列車振動(dòng)荷載作用下，上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)鍵的焊接節(jié)點(diǎn)處的疲勞問(wèn)題值得關(guān)注。
2 計(jì)算模型
武漢站站房上部建筑主要為由拱(主拱和半拱)、V型支撐、網(wǎng)殼等組合而成的空間結(jié)構(gòu)體系。主拱最大跨度達(dá)116 m，高56 m(F軸)，拱結(jié)構(gòu)上有樹枝狀的V型支撐，用來(lái)支撐整個(gè)屋面結(jié)構(gòu)，其下端固定在高架橋橋墩上，圖3為上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。
3 計(jì)算方法
對(duì)于“橋建合一”的新型結(jié)構(gòu)型式，本文借用子結(jié)構(gòu)模型的分析方法，即將整體結(jié)構(gòu)劃分為列車荷載—簡(jiǎn)支梁模型和橋墩-上部大寬度鋼結(jié)構(gòu)模型，由前者計(jì)算得到簡(jiǎn)支梁支座處的反力，再將該反力作為后者的輸入荷載。限于篇幅，本文主要針對(duì)第二個(gè)子模型，對(duì)于第一個(gè)子模型計(jì)算得到支座反力可參考文獻(xiàn) [4]。這里僅給出得到的支座反力時(shí)程曲線，即本文的輸入荷載。文獻(xiàn)的研究表明，對(duì)于雙線簡(jiǎn)支梁，當(dāng)雙線同向同時(shí)加載時(shí)(兩列列車同時(shí)同向駛?cè)牒?jiǎn)支梁上)為最不利荷載模式，因此本文給出雙線加載情況下橋墩處的支座反力時(shí)程曲線，如圖4—5所示，單列車通過(guò)時(shí)支座反力僅是在幅值上有所差異，故未給出，其中 y 向?yàn)樨Q向方向，x 向?yàn)轫樮壏较颍瑉 向?yàn)榇怪避壍婪较?未給出)。
4 分析與結(jié)論
由上述表格及時(shí)程曲線可得如下結(jié)論：
1)不同工況下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件應(yīng)力最大值出現(xiàn)的部位幾乎一致：均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)縱向中部的F軸上，主要是因?yàn)樵撦S的跨度最大，柔度最大;
2)由于橋墩剛度大，由結(jié)構(gòu)力學(xué)基本原理可知，剛度大分配的力也就大，上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)柔很多(1階自振頻率僅0.94 Hz)，橋墩吸收了絕大多數(shù)的振動(dòng)能量，僅小部分的振動(dòng)能量傳給了上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)，因而，各工況下上部大跨度鋼結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)相差不大;
3)從應(yīng)力時(shí)程曲線看，除網(wǎng)殼部分外，其余各構(gòu)件的應(yīng)力峰值出現(xiàn)均出現(xiàn)在最開(kāi)始的0.1 s左右，隨后由于結(jié)構(gòu)阻尼，衰減較快，最后均在靜力作用時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值附近波動(dòng);
4)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的最大應(yīng)力僅 86.6 MPa，對(duì)于 Q345 鋼而言，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度值(345 MPa)，即列車振動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響不大，因而，更多的注意應(yīng)放在焊接鋼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期振動(dòng)疲勞方面。
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