徐永波 （安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230001）

1 引言

隨著鐵路的快速發(fā)展及人民生活水平的提高，鐵路客站的功能與空間布局也不斷發(fā)生變化，旅客要求鐵路客站具備換乘便捷、零距離換乘等特點(diǎn)，于是車(chē)站結(jié)構(gòu)體系逐漸從“房橋分離”體系變化為“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系?！胺繕蚝弦弧辫F路綜合樞紐包含軌道層、高架候車(chē)層與屋頂層，同時(shí)具有房屋和橋梁的結(jié)構(gòu)特征?！胺繕蚝弦弧苯Y(jié)構(gòu)體系能滿足零換乘、多模式交通轉(zhuǎn)換和交通流的立體化，實(shí)現(xiàn)足夠的轉(zhuǎn)換空間和多種交通方式銜接[1]。國(guó)內(nèi)外有許多“房橋合一”結(jié)構(gòu)的綜合樞紐站，如北京南站、天津西站、武漢站、鄭州東站、濟(jì)南西站、柏林中央火車(chē)站等[2]。如見(jiàn)圖1所示。

圖1 “房橋合一”鐵路客站

與傳統(tǒng)的“房橋分離”鐵路客站相比，“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系的軌道層結(jié)構(gòu)是站房整體結(jié)構(gòu)的一部分，主要有空間框架結(jié)構(gòu)體系和橋梁結(jié)構(gòu)體系，如圖2所示。

圖2 “房橋合一”結(jié)構(gòu)體系

“房橋合一”結(jié)構(gòu)是一種建筑與橋梁之間既相互獨(dú)立又密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)，軌道層作為結(jié)構(gòu)體系的一部分，而列車(chē)動(dòng)荷載是軌道層結(jié)構(gòu)的常態(tài)荷載，列車(chē)通過(guò)軌道層引起的振動(dòng)必然會(huì)通過(guò)橋梁和豎向支撐傳遞至站房結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整個(gè)站房的振動(dòng)響應(yīng)，影響旅客候車(chē)和換乘的舒適性，并對(duì)站房結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生不利影響[3，4]。因此，研究車(chē)致振動(dòng)響應(yīng)及其控制措施對(duì)“房橋合一”鐵路綜合樞紐站的設(shè)計(jì)具有重要意義。

2 “房橋合一”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系中的橋梁結(jié)構(gòu)體系適用于用地范圍小、客流少、車(chē)站體量小的地段，橋梁結(jié)構(gòu)體系由基礎(chǔ)、墩臺(tái)、梁等構(gòu)件，先形成橋梁結(jié)構(gòu)，然后在橋上建造站臺(tái)，結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單，占地小，由于整體結(jié)構(gòu)屬于“上大下小”型，結(jié)構(gòu)重心位于整個(gè)結(jié)構(gòu)的上部，抗震能力較差，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性要求較高。

空間框架結(jié)構(gòu)體系適用于用地面積大、客流大的地方，整個(gè)車(chē)站先形成空間框架結(jié)構(gòu)，再在框架結(jié)構(gòu)上布置板梁?？臻g框架結(jié)構(gòu)體系整體性和穩(wěn)定性好，剛度較大，抗振能力強(qiáng)，但由于框架體系大，框架結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)受載不均勻，一旦基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降，將損壞結(jié)構(gòu)。

“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)的房建結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)相比，具有如下特點(diǎn)：

2.1 結(jié)構(gòu)體系新，設(shè)計(jì)復(fù)雜

“房橋合一”結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)與橋梁結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新型結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理和設(shè)計(jì)方法既不同于建筑結(jié)構(gòu)，也與橋梁結(jié)構(gòu)存在很大差異，設(shè)計(jì)時(shí)必須采用不同規(guī)范對(duì)不同型式的構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，計(jì)算過(guò)程復(fù)雜[5]。

2.2 車(chē)站結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)常發(fā)生

由于支承列車(chē)運(yùn)行的軌道結(jié)構(gòu)位于“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系的軌道層，列車(chē)通過(guò)結(jié)構(gòu)時(shí)常發(fā)生，而列車(chē)通過(guò)車(chē)站時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)必然傳遞給車(chē)站的所有構(gòu)件，引起車(chē)站的振動(dòng)，影響旅客的舒適度、站房結(jié)構(gòu)的安全性[6]，同時(shí)站房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)又反過(guò)來(lái)影響列車(chē)通過(guò)車(chē)站的安全性和平穩(wěn)性。

2.3 存在人致振動(dòng)的可能性

隨著綜合樞紐站的跨度增大，豎向自振頻率降低，若與人行頻率較為接近，可能產(chǎn)生人致振動(dòng)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)而影響旅客的舒適度。

由于引起“房橋合一”結(jié)構(gòu)振動(dòng)的因素很多，如圖3所示，頻繁的振動(dòng)也將影響結(jié)構(gòu)的使用和安全[7]。從引起站房振動(dòng)的影響因素來(lái)看，列車(chē)通過(guò)引起的振動(dòng)頻次更高，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前主要集中于“房橋合一”結(jié)構(gòu)車(chē)致振動(dòng)問(wèn)題，本文也主要分析“房橋合一”車(chē)致振動(dòng)研究現(xiàn)狀及控制措施，從而為“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)提供參考。

圖3 影響車(chē)站振動(dòng)的因素

3 “房橋合一”結(jié)構(gòu)車(chē)致振動(dòng)研究現(xiàn)狀

隨著交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展及越來(lái)越多的“房橋合一”結(jié)構(gòu)的建設(shè)，“房橋合一”的車(chē)致振動(dòng)問(wèn)題逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了大量的理論研究與實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

針對(duì)德國(guó)柏林的中央火車(chē)站，F(xiàn)eldmann 等[8，9]建立了柏林中央火車(chē)站站房及上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，研究了列車(chē)通過(guò)時(shí)橋梁和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。2000年～2005年，北京交通大學(xué)的溫宇平和高日等[10-13]通過(guò)將車(chē)橋耦合模型計(jì)算得到的列車(chē)荷載時(shí)程曲線施加于框架模型，從而對(duì)框架式高架車(chē)站的車(chē)致振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇進(jìn)行了探討，然而計(jì)算中未考慮橋梁與框架之間的耦合作用。2004年～2006年，西南交通大學(xué)的單德山和楊興旺等[14，15]通過(guò)列車(chē)荷載模擬為列車(chē)勻速通過(guò)的荷載對(duì)橋梁式高架車(chē)站的車(chē)致振動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算與分析。結(jié)合武廣客運(yùn)專(zhuān)線的建設(shè)，武漢理工大學(xué)的王國(guó)平、徐薇、于艷麗等[16-18]對(duì)武漢站的車(chē)致振動(dòng)引起的上部大跨結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度和內(nèi)力進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)武漢站樓板的舒適度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。2013年～2015年，劉海鑫、康軍立等[19，20]采用 ZK活載及秦沈客專(zhuān)綜合試驗(yàn)列車(chē)的激勵(lì)數(shù)據(jù)對(duì)某“房橋合一”的鐵路高架車(chē)站的車(chē)致振動(dòng)進(jìn)行了分析，但沒(méi)有進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。2013年～2016年，楊娜等[21-23]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，研究了天津西站、北京南站的車(chē)致振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，并對(duì)舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。中南大學(xué)的朱志輝、方聯(lián)民等[24，25]以天津西站為研究對(duì)象，建立了軌道-客運(yùn)站整體三維模型，對(duì)客運(yùn)站的模態(tài)及車(chē)致振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了分析，認(rèn)為天津西站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全，具有較高的安全儲(chǔ)備。李正川、冉汶民、李小珍等[26，27]以重慶沙坪壩綜合交通樞紐為研究對(duì)象，采用頻域加載分析方法，研究了站臺(tái)和站房的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。張凌、崔聰聰、雷曉燕等[28-30]以南昌西站為研究對(duì)象，對(duì)南昌西站車(chē)站站房的車(chē)致振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了理論仿真及實(shí)測(cè)，研究了列車(chē)高速過(guò)站時(shí)站房的動(dòng)力響應(yīng)及傳播衰減規(guī)律。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)大量的理論和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)“房橋合一”車(chē)致振動(dòng)及傳播規(guī)律進(jìn)行了探索，并取得了一定的成果。然而“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系的振動(dòng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)暫無(wú)合適的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)受仿真手段及測(cè)試手段和數(shù)據(jù)的限制，對(duì)“房橋合一”車(chē)致振動(dòng)的普遍規(guī)律還應(yīng)進(jìn)行更進(jìn)一步的分析。另外，多振源作用下“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)也是今后的研究方向。同時(shí)為了滿足“房橋合一”結(jié)構(gòu)的安全性和適用性，還應(yīng)研究相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法及養(yǎng)護(hù)維修措施。

4 “房橋合一”結(jié)構(gòu)車(chē)致振動(dòng)減隔振措施

由于結(jié)構(gòu)體系的固有特征，“房橋合一”結(jié)構(gòu)的車(chē)致振動(dòng)問(wèn)題不可避免，但車(chē)致振動(dòng)過(guò)大將影響站房結(jié)構(gòu)的使用安全與旅客的舒適度，需要采取響應(yīng)的減隔振措施來(lái)控制“房橋合一”結(jié)構(gòu)的車(chē)致振動(dòng)問(wèn)題。從“房橋合一”的結(jié)構(gòu)組成來(lái)看，主要可以從軌道結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)及站房結(jié)構(gòu)三個(gè)方面進(jìn)行振動(dòng)控制[31-33]。

4.1 軌道結(jié)構(gòu)減振措施

目前軌道結(jié)構(gòu)減振措施主要有保持軌道的平順性、采用減振鋼軌、減振型扣件、減振型軌道結(jié)構(gòu)等措施。

4.2 橋梁減振措施

目前橋梁減振措施主要有增大橋梁剛度、采用減振支座、在橋梁上安裝動(dòng)力吸振器、多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等。

4.3 站房結(jié)構(gòu)減振措施

對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)，常用的減振措施有在樓板上安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器或在站房柱子底部安裝減振支座等。

不論是采用何種減隔振措施，會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題，如采用軌道減振，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)本身的變形及受力不利。因此，“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)控制措施還需進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。

5 結(jié)論

為滿足零換乘和交通流線的立體化，現(xiàn)代大型鐵路客站普遍采用“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系，伴隨“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)的車(chē)致振動(dòng)問(wèn)題不可避免。本文通過(guò)介紹“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系的特征、車(chē)致振動(dòng)研究現(xiàn)狀及減隔振控制措施，對(duì)房橋合一車(chē)致振動(dòng)研究趨勢(shì)提出了展望。

基于未來(lái)“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系會(huì)更加廣泛的應(yīng)用，并成為城市的標(biāo)志性建筑，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)對(duì)“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法、車(chē)致振動(dòng)的普遍規(guī)律、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、減隔振措施及多振源下的振動(dòng)響應(yīng)與控制進(jìn)行研究，使“房橋合一”結(jié)構(gòu)體系更加完善。