劉伯奇，李文斌，胡海天，馮海龍，徐安東，張 騫,3

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071；3.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 高速列車系統(tǒng)集成國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266111）

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對高速列車氣動(dòng)載荷及其對雨棚結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了大量探索研究。列車高速行駛或兩車交會(huì)時(shí)，會(huì)對周圍空氣產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，列車風(fēng)對鐵路沿線設(shè)施的影響也隨之增大［1-5］。費(fèi)瑞振等［6-7］對列車通過隧道時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行研究，驗(yàn)證隧道內(nèi)相關(guān)人員的安全退避距離與隧道附屬設(shè)施的安全性。李紅梅等［8］運(yùn)用滑移網(wǎng)格技術(shù)與大渦模擬湍流的算法，研究不同列車高速通過聲屏障時(shí)水平向的脈動(dòng)風(fēng)壓分布規(guī)律。馮瑞龍［9］采用Realizablek-ε湍流模型，分析列車通過時(shí)站臺(tái)門所受的列車風(fēng)載荷。米宏廣等［10］采用有限體積法與滑移網(wǎng)格技術(shù)，對列車高速通過雨棚及張弦梁的列車風(fēng)載荷分布規(guī)律進(jìn)行研究。楊娜、鄭凱修等［11-12］運(yùn)用k-ε湍流模型與動(dòng)滑移網(wǎng)格技術(shù)，模擬CRH380A 型動(dòng)車組通過時(shí)不同外形雨棚的動(dòng)力響應(yīng)。Baker 等［13］通過建立1∶25 列車比例模型，對聲屏障、天橋、車站頂棚等基礎(chǔ)設(shè)施所受列車風(fēng)致效應(yīng)進(jìn)行測試。程建峰等［14］以1∶20 試驗(yàn)列車比例模型，模擬列車單車通過和雙車交會(huì)時(shí)雨棚所受的動(dòng)力響應(yīng)。在以往雨棚動(dòng)力響應(yīng)研究中，主要側(cè)重于對車站雨棚屋面板和雨棚主體結(jié)構(gòu)的研究，而對雨棚附屬結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究相對較少。

本文運(yùn)用FLUENT 軟件分析雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓分布規(guī)律；以此作為外部激勵(lì)，對雨棚附屬結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，確定雨棚附屬結(jié)構(gòu)薄弱部位。對現(xiàn)存典型雨棚附屬結(jié)構(gòu)的連接方式進(jìn)行分析比選，將不同連接方式互相組合，以雨棚附屬結(jié)構(gòu)的最不利工況為極限條件，對其進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，以確定不同連接方案下雨棚附屬結(jié)構(gòu)的合理高度，為車站雨棚附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安裝提供理論依據(jù)。

1 雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓

1.1 雨棚附屬結(jié)構(gòu)風(fēng)場數(shù)值模型

為仿真雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓，建立高速列車及雨棚附屬結(jié)構(gòu)數(shù)值模型。雨棚附屬結(jié)構(gòu)數(shù)值模型根據(jù)某車站雨棚實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，雨棚下方設(shè)置高為1.5 m 的站臺(tái)，保留雨棚屋面板與附屬結(jié)構(gòu)（LED 屏等迎風(fēng)體），屋面板寬度為58.9 m，長度為422.0 m，為半封閉式結(jié)構(gòu)。

運(yùn)用FLUENT 軟件建立三維黏性非定常Real?izablek-ε湍流流場模型。高速列車數(shù)值模型選用8節(jié)CR400AF 型動(dòng)車組模型，列車長209.0 m，寬3.3 m，高4.0 m，建模時(shí)忽略受電弓、轉(zhuǎn)向架等細(xì)部結(jié)構(gòu)。CR400AF型動(dòng)車組模型如圖1所示。

圖1 CR400AF型動(dòng)車組模型

為保證計(jì)算精度同時(shí)節(jié)約計(jì)算資源，對整個(gè)仿真計(jì)算模型進(jìn)行簡化，外流場區(qū)域總寬度為100 m，總長度為2 452 m。整個(gè)流場分成若干采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格的子塊，并通過改變網(wǎng)格疏密程度以消除網(wǎng)格相關(guān)性，車頭、車尾、車身周邊區(qū)域的網(wǎng)格密集，遠(yuǎn)離列車表面空間的網(wǎng)格較稀疏。高速列車模型網(wǎng)格數(shù)約1 000 萬個(gè)，整體模型總網(wǎng)格數(shù)約3 000 萬個(gè)。列車風(fēng)壓計(jì)算時(shí)雨棚附屬結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格與高速列車模型車頭網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 雨棚附屬結(jié)構(gòu)和高速列車車頭模型網(wǎng)格

選用理想空氣流場，定義列車初始運(yùn)動(dòng)時(shí)后側(cè)邊界為壓力進(jìn)口邊界，前側(cè)邊界為壓力出口邊界；選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬壁面附近的流場；設(shè)置列車與空氣之間的交界面為交互邊界，不同計(jì)算區(qū)域的數(shù)據(jù)通過交界面?zhèn)鬟f和交換。

為探究高速列車單車通過時(shí)某車站雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓分布規(guī)律，在雨棚附屬結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面中心處分別設(shè)置28 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，仿真附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓。在車站站牌、出站口指示牌、LED 屏的迎風(fēng)面上分別布置F1，F(xiàn)2和F3風(fēng)壓傳感器，在雨棚第12跨與13跨之間的屋面板上布置F4風(fēng)壓傳感器，測試實(shí)車通過時(shí)的列車風(fēng)壓。雨棚附屬結(jié)構(gòu)監(jiān)控點(diǎn)（編號1—28）和測點(diǎn)（編號F1—F4）布置俯視圖如圖3所示。

圖3 雨棚附屬結(jié)構(gòu)監(jiān)控點(diǎn)及測點(diǎn)布置俯視圖

雨棚附屬結(jié)構(gòu)的最大安裝高度為10.5 m，為探究該雨棚不同高度附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓分布規(guī)律，在高度方向設(shè)置10 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，其中監(jiān)控點(diǎn)自距站臺(tái)2 m 處開始從下向上依次布置，且監(jiān)控點(diǎn)間距為1 m。

1.2 列車風(fēng)壓數(shù)值驗(yàn)證

現(xiàn)場采用CYG1721 風(fēng)壓傳感器進(jìn)行列車風(fēng)壓測試，傳感器性能指標(biāo)精度等級見表1。

表1 CYG1721風(fēng)壓傳感器不同性能指標(biāo)下精度等級

為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，將雨棚附屬結(jié)構(gòu)實(shí)測列車風(fēng)壓數(shù)據(jù)與模擬列車風(fēng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。實(shí)測時(shí)現(xiàn)場無大風(fēng)干擾，高速列車以350 km·h-1速度級全速通過雨棚時(shí)，風(fēng)壓傳感器F3 測試的列車風(fēng)壓時(shí)程曲線與仿真LED屏所受列車風(fēng)壓時(shí)程曲線如圖4所示。實(shí)測與仿真風(fēng)壓數(shù)據(jù)對比見表2。

圖4 實(shí)測與仿真列車風(fēng)壓時(shí)程曲線對比

表2 實(shí)測與仿真風(fēng)壓數(shù)據(jù)對比

由圖4 和表2 可知：當(dāng)列車通過雨棚時(shí)，雨棚車站站牌、LED 屏的風(fēng)壓時(shí)程曲線變化趨勢均與實(shí)測變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為先正后負(fù)，再由負(fù)轉(zhuǎn)正；雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受風(fēng)壓對比的最大誤差均小于5.0%，驗(yàn)證了仿真模型合理可靠。

1.3 車速對雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受風(fēng)壓影響

為了研究列車車速對雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受風(fēng)壓的影響，分別仿真計(jì)算高速列車以200，250，300，350 和400 km·h-1速度級通過雨棚時(shí)，該雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受風(fēng)壓極值見表3。

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)，繪制出高速列車以不同速度級通過雨棚時(shí)不同類型附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓極值散點(diǎn)圖，并擬合出列車風(fēng)壓極值與列車速度的函數(shù)關(guān)系。

表3 不同雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受風(fēng)壓極值

其中LED 屏所受風(fēng)壓極值與列車速度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 LED屏所受風(fēng)壓極值與列車速度關(guān)系

由擬合函數(shù)關(guān)系可知：在同等高度下雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓極值隨著速度的提高而增大；當(dāng)高速列車以不同速度級單車通過雨棚時(shí)，LED 屏所受列車正風(fēng)壓極值約與速度的2.03次方成正比，負(fù)風(fēng)壓極值約與速度的1.98 次方成正比；車站站牌正風(fēng)壓極值約與速度的1.88 次方成正比，負(fù)風(fēng)壓極值約與速度的1.92 次方成正比；出站口指示牌正風(fēng)壓極值約與速度的1.98 次方成正比，負(fù)風(fēng)壓極值約與速度的1.94次方成正比。

1.4 高度對雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受風(fēng)壓的影響

在同一雨棚中，不同類型附屬結(jié)構(gòu)存在高度不一致的情況，為探究不同高度下雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓的影響規(guī)律，以400 km·h-1速度級為例，仿真分析列車單車通過雨棚時(shí)不同高度雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受風(fēng)壓極值，見表4。

表4 列車以400 km· h-1速度級通過時(shí)不同高度風(fēng)壓極值

根據(jù)表4 中的數(shù)據(jù)，繪制列車以400 km·h-1速度級通過雨棚時(shí)不同高度風(fēng)壓極值散點(diǎn)圖，并擬合出列車風(fēng)壓極值與高度的關(guān)系如圖6所示。

圖6 400 km· h-1速度級下風(fēng)壓極值與高度關(guān)系

由圖6 可知：雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓極值隨著高度的增加而減??；當(dāng)列車以400 km·h-1速度級通過雨棚時(shí)，列車正風(fēng)壓極值約與高度的0.67 次方成反比，負(fù)風(fēng)壓極值約與高度的0.56 次方成反比。

2 列車風(fēng)作用下雨棚附屬結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

2.1 仿真模型

選用ABAQUS 軟件對列車風(fēng)作用下的雨棚附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。以某雨棚附屬結(jié)構(gòu)LED 屏為例，建立LED 屏模型。LED 屏頂部連接方式為帶有支撐板的焊接，焊腳與支撐板厚度均為10 mm，連接桿為空心圓柱，外圓直徑為130 mm，壁厚為25 mm。連接桿與底部連接件為嵌套式結(jié)構(gòu)，并采用焊接連接，底部連接件與LED 屏之間采用M10 螺栓連接。底部連接件長度為300 mm，寬度為100 mm，厚度為20 mm，支撐板厚度為10 mm。模型中，焊縫與支撐板、連接桿間以及支撐板與鋼梁和底部螺栓間的連接均采用“TIE”約束關(guān)系模擬。LED 屏網(wǎng)格單元類型為正六面體C3D8R，網(wǎng)格數(shù)量為141 288 個(gè)。LED 屏整體模型及頂部焊接連接和底部螺栓連接模型如圖7所示。

圖7 LED屏附屬結(jié)構(gòu)模型

雨棚附屬結(jié)構(gòu)主要為Q345 鋼金屬構(gòu)件，六角螺栓材料為304 不銹鋼，LED 屏主要由Q345 鋼與有機(jī)玻璃2 種材料構(gòu)成，車站站牌與出站口指示牌主要由Q345 鋼與聚氯乙烯2 種材料構(gòu)成。相關(guān)材料參數(shù)見表5。

表5 雨棚附屬結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.2 模態(tài)分析

為分析雨棚附屬結(jié)構(gòu)的固有特性，對不同類型雨棚附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。選用ABAQUS 軟件中的lanczos 算法對附屬結(jié)構(gòu)的自振頻率進(jìn)行分析，能準(zhǔn)確且高效地獲得附屬結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型和各階頻率。不同附屬結(jié)構(gòu)自振特性見表6，其中LED屏前4階振型如圖8所示。

表6 不同附屬結(jié)構(gòu)自振特性

由表6 及圖8 可知：不同附屬結(jié)構(gòu)前3 階的自振頻率均表現(xiàn)為低頻振動(dòng)，但第4階的自振頻率相對較大；其中LED 屏的1 階振型主頻為1.16 Hz，主要表現(xiàn)為繞雨棚橫梁的前后搖擺。

圖8 LED屏前4階振型

2.3 動(dòng)力響應(yīng)

為研究雨棚附屬結(jié)構(gòu)受列車風(fēng)作用下的應(yīng)力極值并確定附屬結(jié)構(gòu)薄弱部位，對雨棚附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。選用ABAQUS/Explicit 顯式算法求解雨棚附屬結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，此算法為時(shí)域直接積分法中的中心差分法，通過微小增量步的疊加進(jìn)而計(jì)算相關(guān)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)情況，適合解決附屬結(jié)構(gòu)多個(gè)獨(dú)立構(gòu)件間復(fù)雜接觸的瞬時(shí)響應(yīng)問題。將仿真得到的雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓極值作為外部載荷，對雨棚附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，當(dāng)高速列車分別以不同速度級通過雨棚時(shí)LED屏薄弱部位應(yīng)力極值見表7。

表7 LED屏薄弱部位動(dòng)力響應(yīng)極值

由表7可知：LED屏薄弱部位應(yīng)力極值隨車速提高而增大，且應(yīng)力極值均出現(xiàn)在頂部連接部位。

在400 km·h-1速度級下LED 屏薄弱部位應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 LED屏附屬結(jié)構(gòu)薄弱部位應(yīng)力云圖

由表7及圖9可知：當(dāng)高速列車以400 km· h-1速度級通過該雨棚時(shí)，LED 屏表現(xiàn)為繞雨棚橫梁的前后搖擺；頂部連接部位應(yīng)力極值為71.46 MPa，底部連接件應(yīng)力極值為65.41 MPa，螺栓應(yīng)力極值為42.12 MPa，應(yīng)力極值均小于Q345鋼許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

高速列車以不同速度級通過雨棚時(shí)，車站站牌、出站口指示牌的應(yīng)力極值變化規(guī)律與LED 屏相似。雨棚附屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值隨著速度提高而增大；在相同速度級下，LED 屏應(yīng)力極值最大，車站站牌次之，出站口指示牌最??；LED屏在3種附屬結(jié)構(gòu)中安全性最低。

2.4 疲勞壽命

雨棚附屬結(jié)構(gòu)受到列車風(fēng)壓反復(fù)作用，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［15］中的規(guī)定，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)n≥5×104次時(shí)應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。據(jù)現(xiàn)場觀察統(tǒng)計(jì)，每日通過該車站的列車頻次不少于80 次（包含上下行），依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》［16］，鐵路永久性建筑物的設(shè)計(jì)壽命為100 a，可知連接件載荷循環(huán)次數(shù)應(yīng)大于5×104次，因此，須對雨棚附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析。

基于疲勞累積損傷理論，運(yùn)用疲勞分析軟件FE-SAFE 計(jì)算在列車風(fēng)致應(yīng)力極值的作用下，循環(huán)載荷對附屬結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。將ABAQUS 軟件中計(jì)算得到的雨棚附屬結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果文件導(dǎo)入FE-SAFE 軟件，并針對雨棚附屬結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。該結(jié)構(gòu)表面粗糙度介于1.6～4.0 μm。當(dāng)列車以400 km·h-1速度級通過該雨棚時(shí)，應(yīng)力較大、疲勞壽命較短的LED 屏頂部連接部位和底部連接螺栓疲勞壽命分布如圖10 所示。圖中：藍(lán)色表示該部位疲勞壽命相對較短，紅色反之。

圖10 頂部連接部位和底部連接螺栓疲勞壽命分布

由圖10 可知：高速列車以400 km·h-1速度級通過該雨棚時(shí)，LED 屏頂部連接部位疲勞損傷主要發(fā)生在頂部支撐板與鋼梁接觸部位，疲勞壽命為106.460=2 884 031 次，底部連接螺栓疲勞損傷主要發(fā)生在螺栓受剪切位置，螺栓疲勞壽命為106.940=8 709 635次，其疲勞壽命高于頂部連接部位。

通過對雨棚附屬結(jié)構(gòu)薄弱部位疲勞壽命計(jì)算，得到高速列車以不同速度級通過時(shí)雨棚附屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命見表8。

表8 高速列車以不同速度級通過時(shí)雨棚附屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命

由表8 可知：雨棚附屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命隨著車速提高而降低，其中LED 屏疲勞壽命小于列車以相同速度級通過時(shí)車站站牌、出站口指示牌的疲勞壽命；雨棚附屬結(jié)構(gòu)頂部連接部位的疲勞壽命小于底部連接件的疲勞壽命，且LED 屏頂部連接部位的疲勞壽命最短。

由現(xiàn)場觀察統(tǒng)計(jì)可知，每日高速列車上下行通過該雨棚最高頻次為148 次，其單側(cè)通過頻次最高為74 次?？紤]列車車速、頻次等對雨棚附屬結(jié)構(gòu)疲勞損傷的最不利影響，在現(xiàn)有運(yùn)營條件下，假設(shè)每天列車均以350 km·h-1最高運(yùn)營速度在附屬結(jié)構(gòu)的鄰側(cè)線路通過，通過次數(shù)為74 次，則100 a 內(nèi)通過次數(shù)約為2.70×106次，小于LED 屏附屬結(jié)構(gòu)載荷循環(huán)次數(shù)，則該雨棚附屬結(jié)構(gòu)服役100 a 不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

3 環(huán)境風(fēng)與列車風(fēng)共同作用下雨棚附屬結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

前面分析了列車風(fēng)作用下雨棚附屬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，而在實(shí)際工況中，雨棚附屬結(jié)構(gòu)不僅受到列車風(fēng)作用，還會(huì)受到環(huán)境風(fēng)影響。將環(huán)境風(fēng)和列車風(fēng)疊加在一起作為外部載荷，明確共同作用下的極限條件，進(jìn)而通過對雨棚附屬結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析，確定最低設(shè)計(jì)高度。

3.1 雨棚附屬結(jié)構(gòu)不同連接方式動(dòng)力響應(yīng)

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，附屬結(jié)構(gòu)頂部和底部存在多種連接方式且不統(tǒng)一，為了研究不同組合方案下，雨棚附屬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，對連接方式及組合方案進(jìn)行標(biāo)號如表9、圖11所示。

表9 連接方式及組合方案標(biāo)號

圖11 連接方式及組合方案標(biāo)號

當(dāng)列車以400 km·h-1速度級通過雨棚時(shí)，保持底部連接方式不變，對3種不同頂部連接方式的LED 屏附屬結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，應(yīng)力極值見表10。

表10 400 km· h-1速度級下3種頂部連接方式應(yīng)力極值

由表10可知：在3種頂部連接方式中，螺栓連接的應(yīng)力極值最大，焊接連接的應(yīng)力極值次之，帶有支撐板的焊接連接應(yīng)力極值最小。

當(dāng)列車以400 km·h-1速度級通過雨棚時(shí)，保持頂部連接不變，對底部螺栓連接時(shí)3種不同螺栓排布方式的LED 屏附屬結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，應(yīng)力極值見表11。

表11 400 km· h-1速度級下3種底部連接方式應(yīng)力極值

由表11可知：在3種底部連接方式中，應(yīng)力集中區(qū)域均位于螺栓連接部位，其中螺栓單排排布連接的應(yīng)力極值最大，螺栓四角分布連接的應(yīng)力極值次之，2排螺栓連接的應(yīng)力極值最小。

由表10 和表11 的數(shù)據(jù)分析可知：頂部連接方式中帶有支撐板的焊接連接應(yīng)力極值最小，底部連接中2 排螺栓連接應(yīng)力極值最小，因此，上述2 種連接方式的組合方案為最優(yōu)方案，該方案對應(yīng)標(biāo)號3-C。

3.2 極限條件下雨棚附屬結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

在實(shí)際工況中，雨棚附屬結(jié)構(gòu)不僅受到列車風(fēng)作用，還會(huì)受到環(huán)境風(fēng)影響。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28591—2012《風(fēng)力等級》［17］可知：當(dāng)環(huán)境風(fēng)的風(fēng)力達(dá)到9 級烈風(fēng)時(shí)會(huì)對建筑物造成部分損傷，故選取出現(xiàn)頻次相對較高且不造成結(jié)構(gòu)主體破壞的8級風(fēng)的風(fēng)壓極值作為雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受環(huán)境風(fēng)極限條件；400 km·h-1速度級單車通過雨棚時(shí)，風(fēng)壓極值隨著附屬結(jié)構(gòu)高度的增高而減小，而雨棚附屬結(jié)構(gòu)的最低設(shè)計(jì)高度要求不低于3 m，因此選擇附屬結(jié)構(gòu)高度3 m 處的風(fēng)壓極值作為雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)極限條件。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28591—2012《風(fēng)力等級》［17］可得8 級大風(fēng)的最大風(fēng)速為20.7 m· s-1，考慮最不利工況，取風(fēng)攻角為0°。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［18］可知基本風(fēng)速與基本風(fēng)壓轉(zhuǎn)換式為

式中：ρ0為基本風(fēng)壓，kN·m-2；ρ為空氣密度，kg· m-3；v0為基本風(fēng)速，m· s-1。

由式（1）可得8 級風(fēng)風(fēng)壓為267.81 Pa，將該風(fēng)壓與列車以400 km·h-1速度級單車通過雨棚且附屬結(jié)構(gòu)高度3 m 處的風(fēng)壓極值進(jìn)行疊加，且假設(shè)列車風(fēng)壓和大風(fēng)風(fēng)壓作用方向一致，可得雨棚附屬結(jié)構(gòu)受列車風(fēng)與環(huán)境風(fēng)二者共同作用的風(fēng)壓極值為469.53 Pa，即為極限條件下的風(fēng)壓極值。

為了確定極限條件下雨棚附屬結(jié)構(gòu)的合理安裝高度，將8 級風(fēng)風(fēng)壓與400 km·h-1速度級下不同高度列車風(fēng)壓進(jìn)行疊加，總風(fēng)壓極值見表12。

表12 環(huán)境風(fēng)與不同高度列車風(fēng)壓疊加后總風(fēng)壓極值

將上述極限條件中的風(fēng)壓極值469.53 Pa 作為外部載荷，對最優(yōu)組合方案3-C 的LED 屏附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，薄弱部位的應(yīng)力云圖見圖12。

由圖12 可知：在極限條件下最優(yōu)組合方案的LED 屏附屬結(jié)構(gòu)頂部連接部位應(yīng)力極值為466.0 MPa，底部連接件應(yīng)力極值為354.6 MPa，應(yīng)力極值大于Q345 鋼的屈服極限，附屬結(jié)構(gòu)連接部位會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形，造成列車運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 極限條件下最優(yōu)組合方案的頂部連接部位與底部連接件應(yīng)力云圖

由于應(yīng)力極值位于頂部焊接部位，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》［19］，建筑Q345 鋼結(jié)構(gòu)角焊縫許用應(yīng)力為167.0 MPa，螺栓連接件許用應(yīng)力為172.5 MPa，以此為限定條件，確定不同組合方案下LED 屏的合理高度范圍，其中最優(yōu)組合方案下LED 屏高度與應(yīng)力極值的關(guān)系如圖13所示。

圖13 最優(yōu)組合方案下LED屏應(yīng)力極值與高度關(guān)系

由圖13 中擬合函數(shù)可計(jì)算出最低設(shè)計(jì)高度為5.72 m。考慮到該雨棚高度為11.50 m，LED屏高為1.0 m，則LED屏底面和站臺(tái)之間的最大凈高為10.50 m。所以在該雨棚最優(yōu)組合方案下LED 屏的合理設(shè)計(jì)高度范圍為5.72～10.50 m。

將疊加后的總風(fēng)壓極值作為外部載荷，分別對LED 屏附屬結(jié)構(gòu)不同組合方案進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，得到9種組合方案下應(yīng)力極值與高度的擬合函數(shù)見表13。

由表13 可知：1-A，1-B 和1-C 這3 種方案的最低設(shè)計(jì)高度基本相同，主要是頂部螺栓連接部位為應(yīng)力集中區(qū)域，在這3種組合方案下，雖然底部3 種連接方式A，B 和C 均存在優(yōu)劣，但是與頂部連接方式1 進(jìn)行組合后，均為頂部螺栓連接部位最先受到破壞，在整個(gè)組合方案中上述3種方案均為最不利組合方案。在最優(yōu)組合方案3-C中，滿足極限條件下的最低設(shè)計(jì)高度為5.72 m。

表13 9種組合方案應(yīng)力極值與高度的擬合函數(shù)

4 結(jié)論

（1）在同等高度下，雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓極值隨著車速的提高而增大；在同等車速下，雨棚附屬結(jié)構(gòu)所受列車風(fēng)壓極值隨著高度的增加而減小，當(dāng)列車以400 km·h-1速度級通過雨棚時(shí)，列車正風(fēng)壓極值約與高度的0.67 次方成反比，列車負(fù)風(fēng)壓極值絕對值約與高度的0.56次方成反比。

（2）當(dāng)列車以相同速度級通過該雨棚時(shí)，LED 屏附屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力極值最大，車站站牌附屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力極值次之，出站口指示牌附屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力極值最小，其中LED 屏附屬結(jié)構(gòu)所受列車正風(fēng)壓極值約與速度的2.03 次方成正比，負(fù)風(fēng)壓極值絕對值約與速度的1.98次方成正比。

（3）雨棚附屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命隨著車速提高而降低，在相同工況下，3種典型雨棚附屬結(jié)構(gòu)中LED屏附屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命最短，且LED 屏附屬結(jié)構(gòu)頂部連接部位的疲勞壽命最短，但在現(xiàn)有運(yùn)營條件下，該雨棚附屬結(jié)構(gòu)服役100 a不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

（4）擬合得出LED 屏附屬結(jié)構(gòu)的9 種不同組合方案應(yīng)力極值與高度的函數(shù)關(guān)系，其中最優(yōu)組合方案下該雨棚附屬結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)高度范圍為5.72～10.50 m。