摘要:上海虹桥综合交通枢纽磁浮站采用混合框架结构、磁浮支承结构、地铁支承结构三者合一的结构型式。为了研究三合一结构体系能否达到预期的使用功能,采用动力时程分析,建立了合理的技术路线,研究并确定了三合一结构体系的分析模型与荷载工况,计算了磁浮和地铁列车动力荷载、建筑物荷载作用下三合一结构的反应。结果表明,在最不利的荷载组合工况下,各磁浮轨道梁下的支座绝对位移均在2mm以内,支座间相对弹性位移最大值为0.30mm;地铁轨道下基础底板出现2.5208mm的竖向位移,最大转角为0.000033rad,即轨面不平顺的变化率小于0.1%。根据相关标准和资料,磁浮和地铁列车可以正常运行,建筑结构可以正常使用,将建筑结构、磁浮支承结构、地铁支承结构进行一体化设计是可行的。

关键词:混合框架结构;三合一结构;动力分析;动力响应

 

1、工程概况
      上海拟建设的虹桥综合交通枢纽中心聚集了飞机、磁浮、高铁、城市轨道、长途巴士、城市公交等各种交通工具的换乘站点。磁浮车站作为综合交通枢纽的一个重要组成部分,其地面层为磁浮列车站台层,地下一层为换乘人流通道和磁浮站厅,局部地下二层为垂直于磁浮轨道方向的地铁运行轨道,地上二层为换乘人流通道和站厅,二层顶板之上为局部4层的开发用房。图1为磁浮车站平面概况,图2为磁浮车站y向剖面图。

      磁浮虹桥站主体结构在建筑24.550m标高以下采用钢筋混凝土框架结构体系,24.550m标高以上开发用房采用钢框架结构,整体结构为钢筋混凝土与钢结构结合的混合框架结构体系。其中出站夹层和商业夹层采用钢结构。钢筋混凝土框架结构楼面采用现浇钢筋混凝土楼板,钢框架结构楼板采用钢与混凝土组合楼面结构。钢筋混凝土屋面标高24.550m,钢结构屋面标高42.150m。地下部分二层,地下二层底板结构面标高-18.470m。在标高12.050~24.550m的高架站厅层中,建筑要求柱做成圆柱,柱抗侧移刚度有所消弱,同时结构框架柱减少2/5,从而引起结构侧向刚度突变。为增加高架站厅层的抗侧移刚度,以及减小层间侧向刚度突变,在高架站厅层的x向和y向设置了屈曲约束支撑BRB,以满足GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》^[1]及相关规程的相应要求。

      为方便车站使用、减少施工难度、降低建造成本,磁浮轨道梁将直接安装在地面层的结构框架梁上,见图3。

      与目前上海磁浮列车支承结构与车站结构各自分开的作用形式不同的是,虹桥轨道交通站内磁浮列车荷载先作用于车站混合框架结构,然后通过基础传入地基。地铁在地下二层的车站基础底板上运行,而不是在隧道中运行,所以混合框架结构应承受地铁运行中的动力作用。磁浮虹桥站结构成为磁浮列车与地铁列车支承、导向以及牵引和制动的轨道基础,即上部混合框架结构、磁浮支承结构、地铁支承结构三者合一。

      在磁浮列车、地铁列车行驶过程中的动荷载作用下,三合一结构的动力响应非常复杂,磁浮列车和地铁列车能否正常行驶,上部结构能否正常使用,是进行磁浮站结构一体化设计中必须解决的课题。

      将上部混合框架结构、磁浮支承结构、地铁支承结构三者合一,需要解决如下关键技术问题:①磁浮列车、地铁列车对三合一结构的动态作用;②三合一结构边界条件的精确模拟;③磁浮与地铁列车动力荷载作用下三合一结构的动力响应分析;④对动力响应分析结果的判断,确定三合一结构满足磁浮和地铁列车正常运行、建筑物正常使用的要求。上述关键技术问题的分析和解决构成了进行磁浮站结构一体化设计研究的主要内容。

2.1 分析模型

      采用大型通用有限元软件ANSYS建立结构分析模型,梁和柱用BEAM44单元模拟,楼板用SHELL63单元模拟,结构质量用MASS21单元施加。为了精确模拟桩基础和地基对结构的支承和约束作用,采用弹簧单元和阻尼单元连接在柱底,没有采用柱底嵌固约束的假定。结合现有的理论研究成果,根据勘察报告提供的场地分层土体的物理力学参数、剪切波速以及上部结构桩位布置的方案,考虑土体分层性质、桩长、桩径等影响,确定“弹簧-阻尼”模型中的弹簧刚度和阻尼系数^[2];采用COMBIN14单元模拟弹簧和阻尼单元。坐标系中x向为与磁浮轨道梁垂直的水平方向,y向为沿磁浮轨道梁的水平方向,z向为竖直方向,参见图3。

      磁浮列车的动态作用力通过轨道梁传至建筑结构。分析中将轨道梁划分成每3.096m为一个单元,在磁浮站屋范围内一系列单元节点上输入磁浮列车的一系列动态作用力时程,模拟磁浮列车的作用力。地铁列车的动态作用力通过基础底板和基础梁传至建筑结构,在基础梁的一系列单元节点上输入地铁列车的一系列动态作用力时程,模拟地铁列车的作用力。在动态作用力时程作用下,对指定边界条件的结构模型进行动力分析,可以得到三合一结构的动力响应。

2.2 磁浮列车动力荷载

      磁浮列车是在磁浮车站地面层的轨道梁上行驶。考虑磁浮列车的三种行驶状态,即出站、时速200km过站、进站。初步计算时假定车站中只有一条线路上有磁浮列车行驶的情况,进一步计算考虑了作用的组合。实际计算时,将列车载荷转换为有限元模型相关节点上的时程载荷[3]。图4给出了线路5磁浮列车出站工况下轨道梁3187#节点三个方向的动力荷载时程曲线(线路5及3187#节点在结构中的具体位置见图1)。

 

2.3 地铁列车动力荷载

      地铁列车是在磁浮车站地下二层的基础底板上行驶。地铁列车过站时的动力载荷分别作用在z向和y向。将地铁列车载荷转换为有限元模型相关节点上的移动载荷,图5给出了轨道起点和中间点的Z向激励荷载的典型时程曲线。

2.4 荷载工况

      计算中考虑的荷载工况见表1。磁浮线路6~10上的磁浮列车对结构施加的动力荷载参考磁浮工况1~15的结果。地铁线路3和4上的地铁列车对结构施加的动力荷载参考地铁工况1~3的结果。

3.1 磁浮站整体结构模型振型及其频率

      计算了磁浮车站整体结构模型的前400阶振型及其频率,其中前15阶频率见表2。第400阶频率值为10.4105Hz。

3.2 仅磁浮列车运行分析结果

      表3给出不同荷载工况下磁浮轨道梁的最大响应结果。轨道梁的位置见图1。表4给出部分荷载工况下地铁基础底板的最大响应结果。图6、7为磁浮工况10、4下轨道梁三个方向的响应时程曲线,图中三条不同颜色曲线对应着三个方向。

      从表3和图6、7可以看出,z向响应最大,大于x、y向响应。原因是z方向荷载是以列车重量(包括自重和载重)为主,大于水平方向的荷载,说明列车重量是造成结构动力响应的主要原因。只有一条线路上有磁浮列车时,最大动力响应在该线路轨道梁跨中,最大位移响应均在1.9mm左右;而邻近轨道梁的动力响应迅速下降,最大值均小于0.2mm。从表4可以看出,磁浮工况4下地铁层基础底板的最大合成位移响应为0.1815mm。

3.3 仅地铁列车运行分析结果

      表5为地铁列车运行的不同荷载工况下,磁浮轨道梁的最大响应结果;图8、9为地铁列车过站工况(地铁工况1)下磁浮轨道梁三个方向的响应时程曲线。图中三条不同颜色曲线对应着三个方向。

      从表5和图8、9可以看出,在两列地铁列车同时沿正x向行驶时,以z向响应值为主,磁浮轨道梁上的最大合成位移响应约0.4158mm。若4条地铁线路同时有列车运行(组合工况2),磁浮轨道梁上的最大合成位移响应约0.8316mm。

      比较磁浮列车和地铁列车运行的相互影响能够发现,磁浮列车运行对地铁层的影响较小,单列磁浮列车在地铁层基础底板造成的动力响应最大值约0.1815mm,明显小于单列地铁列车对磁浮轨道梁造成的动力响应最大值0.4158mm。这是因为桩和地基土对地铁层底板的支承是弹性的,由于地铁列车的重量使得地基变形,带动了整个结构的变形,从而使整个结构都有较大的动力响应。

3.4 组合工况的分析结果

      表6列出了组合工况下磁浮轨道梁的最大动力响应。表7列出了组合工况下磁浮轨道梁支座的最大动力响应。表8列出了组合工况下地铁层基础底板的最大动力响应。表中列出的最大响应值,均以位移最大为准。表9给出了组合工况下磁浮站结构最大应力。

      表6~9的计算结果表明,如果全部磁浮列车和地铁列车同时运行(组合工况3),轨道梁跨中最大位移响应值约为3.1673mm,最大转角响应约为0.000228rad;轨道梁支座最大位移响应值约为1.6938mm,最大转角响应约为0.000030rad;地铁层基础底板最大位移响应值约为2.5208mm,最大转角响应约为0.000033rad;磁浮站结构的最大拉应力为1.1266MPa,最大压应力为1.1750MPa,最大剪应力为0.7341MPa。对于轨道梁支座间相对位移的分析表明,其最大值为0.304mm。

3.5 对分析结果的判断

      根据磁浮轨道设计有关资料[4],在各种变化载荷作用下的轨道梁结构在竖直方向上的弹性变形应作限制Uz≤L/6000。对于虹桥磁浮站室内净长度为18.576m的磁浮轨道梁来说,即要求其在磁浮列车及地铁列车作用下,轨道梁支座的最大竖向位移不超过3.096mm,相邻3跨轨道梁的支座位移间的相对位置偏差控制在1.548mm以内。从计算结果可以看出,在最不利的3种组合工况下,各个轨道梁下的支座绝对位移均在2mm以内,支座间相对弹性位移最大值为0.304mm。因此,在各种组合工况下,轨道梁下部结构的弹性位移在磁浮系统规定的变形范围内。因此,磁浮列车的正常运行基本能够保证。

      当地铁和磁悬浮同时有最不利荷载组合时,地铁轨道下基础底板出现2.5208mm的竖向位移,最大转角为0.000033rad,也即轨面不平顺的变化率小于0.1%,根据以往的研究成果和国内外的研究资料表明,在不考虑与其他不平顺组合条件下,能保证地铁列车的安全平稳运行。

      在磁浮和地铁列车的动力作用下,磁浮站屋结构的最大拉应力、最大压应力、最大剪应力均不超过混凝土强度,结构的强度要求可以满足。列车作用引起的磁浮站屋结构侧移值很小,在磁浮轨道梁所在楼层最大侧移值不大于0.5mm,包括上部开发用房的整个磁浮站屋结构的最大侧移值不大于3.0mm,远小于结构的层间位移角限值要求的结构侧移值。

      对于房屋结构的加速度响应限值,高层混凝土规程针对风载下高度超过150m的屋顶规定的限值是0.25m/s²(办公、旅馆)(水平方向);GB/T 13442《人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则》中规定:在暴露8h的情况下,在3.3~1.0Hz的范围内,竖向振动的舒适性加速度限值大约为0.12~0.21 m/s²。

      单独一列磁浮列车在线路4以200km/h过站动力作用下上部结构的最大加速度响应是0.101m/s²,单独一列磁浮列车在线路5进站动力作用下上部结构的最大加速度响应是0.016m/s², (分别是磁浮单工况的最大和最小加速度响应)均小于0.21m/s²。两列地铁列车作用下上部结构最大加速度响应是0.224m/s²(没有采取减振措施时的数值,可以采取减振措施减小加速度响应),略大于0.21m/s²。在列车动力作用下,理论上的最不利组合下(10列磁浮与4列地铁列车同时作用,加速度响应平方和开平方),上部结构的最大加速度响应约为0.5m/s²,大于0.21m/s²。归纳起来,在磁浮列车和地铁列车的动力作用下,不考虑加速度响应方面的限制,房屋结构的正常使用要求能够得到满足。同时,有必要采用地铁减振技术。

4.1 结论

      通过磁浮列车、地铁列车动力荷载作用下三合一结构的动力响应分析,得到以下研究结论:

      (1)在磁浮和地铁列车的单工况及组合工况下,轨道梁下部建筑结构的弹性位移在磁浮系统规定的变形范围内,磁浮列车的正常运行基本能够保证。

      (2)在磁浮和地铁列车的单工况及组合工况下,地铁轨道下基础底板的位移在地铁系统规定的变形范围内,能够保证地铁列车的安全平稳运行。

      (3)在磁浮和地铁列车的动力作用下,不考虑加速度响应方面的限制,房屋结构的正常使用要求能够得到满足。同时,地铁减振技术有必要采用。

      (4)将磁浮支承结构、地铁支承结构、建筑结构三者合一,进行磁浮站结构一体化设计是可行的。

4.2 展望

      在研究过程中,发现还有如下问题可以进一步探索,以获得更加精确的研究结果。

      (1)磁浮列车动力荷载与建筑结构间相关效应。

      (2)采用地铁减振技术后三合一结构的动力响应分析;对三合一结构进行实测,以检验计算结果的准确性。

      (3)采用连续介质的三维有限元模型来模拟三合一结构的边界条件,建立土体、桩基础、上部结构的整体模型进行动力响应计算。

      (4)对于合理的工况组合问题进行深入研究。

 

参考文献

      [1]　GB 50011—2001　建筑抗震设计规范[S]. (GB 50011—2001　Code for seismic design of buildings [S]. ( in Chinese))

      [2]　华东建筑设计研究院有限公司.桩土系统“弹簧-阻尼”模型弹簧刚度和阻尼系数确定[R].上海:华东建筑设计研究院有限公司, 2007. (East China Architectural Design & Research Institute Co. Ltd. Study on spring stiffness and damp coefficient for‘spring-damp’model of pile and soil[R]. Shangha:I East China Architectural Design & Research Institute Co. Ltd. 2007. ( in Chinese))

      [3]　西南交通大学. TR08磁浮列车动荷载仿真计算与分析[R].成都:西南交通大学, 2007. (Southwest Jiaotong University. Dynamic load calculation and analysis of TR08 maglev [R ]. Chengdu: Southwest JiaotongUniversity, 2007. ( in Chinese))

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