桓玉柱

（南昌鐵路局工程質(zhì)量監(jiān)督站,江西 南昌 330002）

0 引言

高速鐵路客站建設(shè)中的跨正線旅客天橋，不僅需要解決旅客乘降列車的方便問題，為旅客提供舒適的上下車通道環(huán)境，還與鐵路運(yùn)營(yíng)的安全緊密相關(guān)。為此，需要充分考慮運(yùn)營(yíng)列車對(duì)旅客天橋結(jié)構(gòu)風(fēng)動(dòng)的影響，并根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。

1 風(fēng)動(dòng)對(duì)旅客天橋結(jié)構(gòu)的影響

目前全路高鐵運(yùn)營(yíng)里程已超過4萬km，旅客站房進(jìn)站天橋基本上跨既有線路，且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。在兩列動(dòng)車按設(shè)計(jì)速度350 km/h在區(qū)間站鄰線通過時(shí)，會(huì)對(duì)上跨正線天橋產(chǎn)生共振頻率，長(zhǎng)期受此振幅影響，需對(duì)天橋結(jié)構(gòu)的安全性、可靠度、舒適度進(jìn)行分析，以確保高鐵運(yùn)營(yíng)安全及旅客舒適度符合要求[1-2]。

2 現(xiàn)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求

鐵路旅客天橋因考慮安裝便捷基本采用鋼結(jié)構(gòu)，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017—2017）中僅要求對(duì)直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞計(jì)算，對(duì)于高鐵通過的風(fēng)動(dòng)效應(yīng)間接作用在鋼結(jié)構(gòu)上的影響，則沒有相關(guān)疲勞驗(yàn)算規(guī)定?！冻鞘腥诵刑鞓蚺c人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69—2010）規(guī)定人行天橋的上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不小于3 Hz時(shí)才能滿足行人舒適度的要求，《鐵路旅客車站設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10100—2018）第7.9.3條規(guī)定“旅客天橋跨越正線時(shí)應(yīng)考慮列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)和風(fēng)壓對(duì)結(jié)構(gòu)舒適度的影響”。因此，目前現(xiàn)有的規(guī)范要么沒有鋼結(jié)構(gòu)的疲勞及共振影響方面的規(guī)定，要么對(duì)旅客天橋的風(fēng)動(dòng)效應(yīng)僅是定性的要求，沒有明確具體的控制數(shù)量及技術(shù)參數(shù)。從設(shè)計(jì)到施工，針對(duì)旅客天橋因風(fēng)動(dòng)效應(yīng)導(dǎo)致的最不利結(jié)構(gòu)影響無法進(jìn)行質(zhì)量源頭控制，亟待進(jìn)行相關(guān)研究并確定現(xiàn)階段最有效可行的保障措施，消除可能存在的運(yùn)營(yíng)安全隱患。

3 旅客天橋的安全性、可靠度及舒適度分析

由于現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有對(duì)旅客天橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞驗(yàn)算的要求，但鐵路旅客天橋在設(shè)計(jì)100年壽命期內(nèi)需反復(fù)承受列車交會(huì)導(dǎo)致的風(fēng)動(dòng)荷載，根據(jù)鐵路行業(yè)特點(diǎn)及實(shí)際工況，為確保行車安全，需認(rèn)真對(duì)待，該文因條件所限，無法針對(duì)風(fēng)振導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞進(jìn)行深入研究，現(xiàn)重點(diǎn)圍繞天橋的結(jié)構(gòu)可靠度及舒適度進(jìn)行分析和探討。為此，筆者以九景衢鐵路景德鎮(zhèn)北站的跨線天橋?yàn)槔捎糜邢拊浖AP2000 V17.3.0來核算該天橋的結(jié)構(gòu)撓度及自振頻率是否符合要求，從而驗(yàn)算風(fēng)振對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度及舒適度影響。

3.1 工程概況

景德鎮(zhèn)北站跨線天橋位于景德鎮(zhèn)市。該天橋最大跨度為27.200 m，寬10.800 m。其抗震設(shè)防類別：丙類；抗震等級(jí)：四級(jí)；建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)：二級(jí)；重要性系數(shù)：γ0＝1.0；設(shè)計(jì)使用年限：50年。天橋采用桁架形式，通過成品鉸支座落于混凝土圓柱上，縱向主梁為站臺(tái)雨棚混凝土梁，其下為混凝土圓柱，天橋兩側(cè)桁架上下弦桿及腹桿均采用焊接H型鋼，天橋屋面、樓面的斜撐采用圓鋼管，天橋兩側(cè)結(jié)構(gòu)為鋼梯和罩棚結(jié)構(gòu)。

3.2 計(jì)算模型

鋼結(jié)構(gòu)有限元分析采用整體三維模型，其中罩棚鋼梁下端和站臺(tái)雨棚混凝土梁連接的鋼梁一端采用單向滑動(dòng)鉸支座模擬，而實(shí)際設(shè)計(jì)中采用的是單向滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)做法。

3.3 荷載

3.3.1 天橋荷載

（1）天橋恒載：屋面恒載：6.7 kN/m2；樓面恒載：5.0 kN/m2（考慮屋面樓面混凝土及建筑做法荷載）。

（2）天橋活載：屋面活載：0.5 kN/m2；樓面活載：3.5 kN/m2。

3.3.2 荷載效應(yīng)組合

（1）承載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合：

1）無地震作用。表1為無地震作用載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合。

表1 無地震作用載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合

2）有地震組合。表2為有地震參與組合的承載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合。

表2 有地震參與組合的承載力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合

（2）正常使用極限狀態(tài)荷載組合。表3為正常使用極限狀態(tài)荷載組合。

表3 正常使用極限狀態(tài)荷載組合

3.4 構(gòu)件內(nèi)力和變形

該工程鋼結(jié)構(gòu)及總裝結(jié)構(gòu)分別采用由美國(guó)CSI（Computers&Structures,Inc.）公司開發(fā)的商用有限元軟件SAP2000 V17.3.0。

3.4.1 控制指標(biāo)

（1）變形控制指標(biāo)。鋼梁撓度為L(zhǎng)/400（懸臂梁為L(zhǎng)/200）；天橋部分主梁撓度為L(zhǎng)/600；鋼柱柱頂位移為H/150。

（3）應(yīng)力指標(biāo)。桿件主梁最大組合設(shè)計(jì)應(yīng)力不大于0.85f（f為鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度）。

3.4.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

結(jié)論：

（1）梁柱的應(yīng)力比基本在0.3~0.8之間。

（2）梁柱的設(shè)計(jì)以豎向荷載組合為控制工況。

3.4.3 結(jié)構(gòu)變形分析

正常使用狀態(tài)下，天橋結(jié)構(gòu)件最大位移值如下:

（1）恒+活作用下天橋各結(jié)構(gòu)件的最大撓度：

1）恒+活作用下天橋桁架上下弦的最大撓度：

左跨上弦：26 mm 跨度為27.2 m，f/L=26/27 200<1/600，滿足規(guī)范要求。

左跨下弦：26 mm跨度為27.2 m，f/L=26/27 200<1/600，滿足規(guī)范要求。

右跨上弦：16 mm跨度為22.95 m，f/L=16/22 950<1/600，滿足規(guī)范要求。

右跨下弦：16 mm跨度為22.95 m，f/L=16/22 950<1/600，滿足規(guī)范要求。

2）恒+活作用下天橋屋面次梁的最大撓度：

53 mm跨度為10.8 m，f/L=53/10 800<1/200，滿足規(guī)范要求。

3）恒+活作用下天橋樓面次梁的最大撓度：

42 mm 跨度為10.8 m，f/L=42/10 800<1/200，滿足規(guī)范要求。

（2）振動(dòng)頻率計(jì)算結(jié)果為8.35 Hz。

3.5 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，景德鎮(zhèn)北站旅客天橋正常荷載作用下所有結(jié)構(gòu)撓度變形值均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，天橋出現(xiàn)豎向振動(dòng)時(shí)的最大頻率為8.35 Hz，大于《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》（CJJ69—2010）中關(guān)于人行天橋的上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不宜小于3 Hz的要求，列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)和風(fēng)壓滿足《鐵路旅客車站設(shè)計(jì)規(guī)范》中行人舒適度的要求。因此，景德鎮(zhèn)北站旅客天橋結(jié)構(gòu)可靠度及舒適度符合現(xiàn)有規(guī)范要求，同時(shí)，通過采取以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施來減少列車通過并交會(huì)導(dǎo)致的風(fēng)動(dòng)影響，從而避免結(jié)構(gòu)疲勞產(chǎn)生質(zhì)量安全隱患。

（1）通過選用合適結(jié)構(gòu)形式來減少風(fēng)動(dòng)效應(yīng)。天橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用桁架形式來替代梁式天橋，增加天橋的豎向剛度，減小列車通過時(shí)對(duì)天橋的振動(dòng)影響。

（2）通過大空間減少氣流阻隔來減少風(fēng)動(dòng)效應(yīng)。結(jié)構(gòu)及建筑定案過程中，在滿足行人及接觸網(wǎng)通過等各項(xiàng)指標(biāo)的前提下，盡量提高天橋底部標(biāo)高，以減小風(fēng)動(dòng)荷載。

（3）通過天橋支座彈性來減少風(fēng)動(dòng)效應(yīng)。采用成品鉸支座替代橡膠支座，增加支座的豎向剛度以減小支座位置的豎向振動(dòng)，從而降低因列車通過產(chǎn)生的風(fēng)動(dòng)對(duì)天橋結(jié)構(gòu)的影響。

（4）通過合理構(gòu)造來減少風(fēng)動(dòng)效應(yīng)。天橋設(shè)計(jì)過程中應(yīng)嚴(yán)格采用天橋上下弦桿通長(zhǎng)且連續(xù)的做法，即使列車通過對(duì)該跨天橋產(chǎn)生影響，也可以使振動(dòng)及變形向鄰跨部分轉(zhuǎn)移，以抵消列車通過帶來的部分負(fù)面影響。

4 質(zhì)量控制要點(diǎn)

旅客天橋上跨既有線且結(jié)構(gòu)耐久性要滿足100年使用期，必須加強(qiáng)質(zhì)量控制，從結(jié)構(gòu)材料選用到現(xiàn)場(chǎng)拼裝均要嚴(yán)格把控，關(guān)鍵部位及關(guān)鍵工序需進(jìn)行過程旁站，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要嚴(yán)格執(zhí)行“三檢”制度。一是宜選用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋼材及匹配焊材，從材質(zhì)源頭上提高結(jié)構(gòu)抗疲勞性能，進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行抽樣復(fù)驗(yàn)，鋼材含碳量及其他指標(biāo)必須符合規(guī)范要求；二是減少桿件接頭數(shù)量，弦桿應(yīng)通長(zhǎng)下料，主弦桿禁止拼接，主要受力部位宜采用高強(qiáng)螺栓連接；三是加強(qiáng)焊接質(zhì)量控制，施焊前必須進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，焊工必須持有特殊工種上崗證并培訓(xùn)合格，禁止雨天及大風(fēng)天進(jìn)行焊接作業(yè)，所有焊縫應(yīng)進(jìn)行100%無損探傷檢測(cè)，合格后才能進(jìn)入下道工序；四是鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量控制，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)分層進(jìn)行涂裝，防腐涂料應(yīng)進(jìn)行涂層附著力現(xiàn)場(chǎng)抽樣檢驗(yàn)，涂層漆膜厚度應(yīng)分層抽測(cè)；五是結(jié)構(gòu)安裝幾何尺寸及水平、垂直度偏差控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，桿件交匯軸線偏移應(yīng)控制在±2 mm以內(nèi)，支座安裝偏差應(yīng)不超過±10 mm。

5 建議措施

目前，九景衢鐵路自2017年開通至今景德鎮(zhèn)北站旅客天橋已正常使用5年，根據(jù)景德鎮(zhèn)北站旅客天橋的結(jié)構(gòu)形式及核算結(jié)果，建議在高鐵旅客天橋設(shè)計(jì)時(shí)可參照該站結(jié)構(gòu)形式，通過構(gòu)造措施的合理設(shè)置來減少列車通過時(shí)風(fēng)動(dòng)效應(yīng)對(duì)天橋結(jié)構(gòu)的不利影響，并嚴(yán)格進(jìn)行旅客天橋現(xiàn)場(chǎng)施作質(zhì)量控制，加強(qiáng)關(guān)鍵部位及關(guān)鍵工序施作質(zhì)量的管控，加強(qiáng)施作過程的質(zhì)量驗(yàn)收環(huán)節(jié)，確保從設(shè)計(jì)到施工均能滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

6 結(jié)語

綜上所述，高鐵運(yùn)營(yíng)安全是一切工作的重點(diǎn)，涉及既有線的部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)檢算指標(biāo)參照地方公路、市政等標(biāo)準(zhǔn)仍有需要改進(jìn)的地方。針對(duì)涉及運(yùn)營(yíng)安全的旅客天橋，建議選用現(xiàn)行具有代表性的旅客天橋結(jié)構(gòu)形式來建模進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，模擬高鐵以350 km/h設(shè)計(jì)速度在區(qū)間站交會(huì)通過時(shí)最不利工況對(duì)旅客天橋產(chǎn)生的風(fēng)動(dòng)影響值，可以依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞等安全性驗(yàn)算，從而在天橋設(shè)計(jì)時(shí)可以有的放矢，選擇最佳結(jié)構(gòu)形式，確保高鐵運(yùn)營(yíng)安全及旅客舒適度。