关于无站台柱雨棚钢结构设计中若干问题的探讨

文章对北京站无站台柱雨棚钢结构设计中有关桁架、檩条及结构计算允许应力和温度应力等一系列问题提出建设性意见 ,为今后类似工程的设计和施工提供借鉴     

列车风引起的张弦梁雨棚振动分析

研究目的:大跨度张弦梁结构形式简洁,受力合理,建筑造型优美,但具有柔度较大、重量轻的特点,属于风敏感结构。列车高速过站时,列车风压力可能对建筑物的局部产生较为强烈的作用,使下弦张拉弦索刚度退化,改变结构的受力性能或引起结构共振,对结构产生不利的影响。本文以京沪高速铁路济南西客站无站台柱张弦梁雨棚为例,分析列车高速通过引起无站台柱雨棚上的列车风压力和变化规律以及对雨棚结构的影响,为设计提供依据。研究结论:通过研究可以得出如下结论:(1)列车风压力沿高度方向衰减较快,沿宽度方向近似线性变化;(2)列车风压力引起的张弦梁的Z、Y的位移及钢梁及索的应力变化幅度均较小;(3)列车风压力引起的雨棚结构的风致振动频率与结构自振频率相差较大,不会引起共振;(4)本研究成果对大跨度雨棚等站场设施的设计可提供指导。     

高速列车经过雨棚时的列车风致效应研究

列车风荷载是铁路邻近结构设计和确定相关建筑限界时必须考虑的问题。雨棚是一种典型铁路邻近结构,高速列车经过时雨棚表面受到的列车气动力不可忽视。基于计算流体力学软件Fluent,结合k-ε两方程湍流模型,采用滑移网格技术,对雨棚周围的三维非定常可压缩流场进行数值模拟,分析雨棚表面风压分布规律及雨棚开口宽度、外形对其表面风压的影响。结果表明:高速列车经过时雨棚表面受到瞬时脉冲荷载作用;雨棚开口宽度0~8m时列车风压受到明显影响,随着雨棚开口宽度增加结构表面风压极值逐渐变小,开口宽度对列车风压影响范围为正线两侧10m;雨棚外形对列车风压有明显影响,拱形雨棚表面风压极值最小,雨棚外形对列车风压影响范围为正线两侧10m。     

高速铁路车站雨棚附属结构动力响应

为研究列车风激扰下雨棚附属结构的动力响应，以某高铁车站雨棚附属结构为研究对象，建立雨棚附属结构及高速列车仿真模型，分析高速列车以不同速度级通过时雨棚附属结构所受列车风的压力（简称“列车风压”）分布规律；基于此，研究雨棚附属结构的动力响应和疲劳寿命，确定列车风与8级环境风共同作用极限条件下采用不同连接方案时雨棚附属结构的合理设计高度。结果表明：在同等高度下，雨棚附属结构所受列车风压极值随车速的提高而增大；在相同速度级下，列车风压极值随高度的增加而减小；当高速列车以相同速度级通过雨棚时，LED屏应力极值最大，车站站牌应力极值次之，出站口指示牌应力极值最小；雨棚附属结构疲劳寿命随车速提高不断降低，在现有运营条件下雨棚附属结构服役100 a不会发生疲劳破坏，其中LED屏的疲劳寿命最短，疲劳破坏最先发生在顶部连接部位；极限条件下雨棚附属结构最优连接方案下的合理设计高度范围为5.72～10.50 m。     

车站无柱雨棚流固耦合及多种载荷组合分析研究

研究目的：应用ANSYSCFX高级流体动力学软件模拟高速列车通过车站时站内流场和压力场的变化情况，并用ANSYS独有的流固耦合分析技术，研究这种流场、压力场的变化对无柱雨棚结构变形、应力等的影响。 研究结论：高速列车单向通过时，竖直方向的最大变形量为0．662mm；双向通过时，竖直方向最大变形量为0．775mm。不考虑温度影响时，在其它各种组合载荷的作用下，雨棚桁架竖直方向的变形最大，并且方向向下。考虑温度影响时，负温度使雨棚收缩，增大了雨棚桁架竖直向下的变形；正温度使雨棚膨胀，抵消了一部分竖直向下的变形，使雨棚桁架竖直向下的变形量减小。从强度角度来看，在所计算的载荷条件下，最大应力均低于材料的屈服极限，该雨棚是可行的。     

悬挂胶轮列车与钢桥的振动试验及仿真研究

为评价悬挂胶轮列车及钢轨道梁桥的结构性能,以开封悬挂式单轨示范线为背景开展现场试验与仿真研究。开发了胶轮列车-钢轨道梁桥耦合振动分析程序,根据现场实测的胶轮车辆的空气弹簧、走行轮刚度和阻尼等力学参数,建立胶轮列车模型。对车桥动力响应的现场试验与动力仿真分析结果进行综合比较,采用相关规范对列车走行性以及轨道梁桥的动力性能进行综合评估。结果表明：车桥动力特性及其振动响应的理论与实测结果基本吻合,车桥耦合分析方法可应用于悬挂式胶轮单轨交通系统振动性能研究;轨道梁竖向挠跨比小于相关规范的限值,竖向刚度设计合理;在列车竖向静活载作用下,相邻两跨轨道梁梁端竖、横向转角之和最大值分别为 4.5‰和 1.5‰;车速 80 km/h 下轨道梁纵、横向应力动力系数最大值分别为 1.17 和 1.14;考虑到悬挂式胶轮列车没有脱轨风险,列车轮重减载率及钢轨道梁桥横向加速度较传统铁路偏大,其相应限值可较现行铁路规范适当放松。     

铁路桥式车站轻型站台雨棚设计要点分析

简述我国铁路站房站台雨棚的发展历程。随着西部铁路的快速发展,出现了越来越多的高架站站房,桥式车站轻型站台雨棚便应运而生。针对桥式车站轻型站台雨棚特殊的边界条件,讨论雨棚风荷载、列车风及地震作用的合理计算方式,并给出合理取值建议;作为桥上结构,提出整体式雨棚柱柱脚构造,既方便雨棚柱后期的安装,又保证雨棚柱柱脚的嵌固刚度;通过优化屋面檩条体系、细化单层压型钢板屋面构造及大样,有效地提升了桥式车站轻型站台雨棚的美观和安全性,对推动铁路站台有柱雨棚标准化建设具有积极的意义。     

重载铁路隧道铺底结构动力响应分析

通过现场实测和数值计算分析了30 t轴重列车荷载作用下,不同铺底厚度和基底不同吊空程度时红岭重载铁路隧道铺底结构的动力响应特征。结果表明:铺底结构能较好地吸收列车振动荷载,并且随着铺底厚度增大,铺底结构的竖向动应力和竖向加速度均减小,因此设计和施工过程中须保证铺底结构具有足够厚度;随着基底吊空程度增大,铺底结构的动力响应逐渐加剧,并且铺底结构底面的竖向位移和竖向加速度变化比顶面更加显著。     

北京西站无站台柱雨棚安全监测方法

无站台柱雨棚的主体结构为(22.5 2×46 20.5)m的钢桁架拱,桁架最大间距29.5 m,通过檩条形成覆盖结构。这种结构属国内首次采用,且跨度较大,为保证结构的使用安全,对桁架的应力、变形进行了长期监测。文章就监测部位、测点布置、传感器的安装、观测方法等进行了阐述。     

临时铁路便桥的动力特性分析

应用MIDAS软件建立有限元模型,计算临时铁路便桥的振动特性,分析其结构自振频率及振形。采用车桥耦合振动分析软件VBC2.0,对列车通过临时铁路便桥时引起的车辆与桥梁结构耦合振动进行数值仿真分析。通过分析和计算临时铁路便桥动力响应位置的横向振幅、横向加速度、竖向位移和竖向加速度表明,脱轨系数、轮重减载率、轮对横向力、车体竖向和横向加速度的最不利计算结果能够基本满足相关规范要求,可以保证列车安全运行。     

铁路站台雨棚风洞试验取值规律的探讨

研究目的:铁路无站台柱雨棚为四周开敞建筑,通常采用钢结构形式,为风敏感结构,本文通过对14个无站台柱雨棚风洞试验的结果进行分析,归纳总结其共性特征,并与现行《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)进行对比分析,得出无站台柱雨棚风荷载体型系数的一些分布规律,为结构计算提供参考。研究结论:(1)铁路无站台柱雨棚风压系数介于0.1～0.9之间,风吸系数介于-0.3～-2.0之间;(2)试验得出的风压体型系数一般小于《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)类似参考值,而风吸体型系数两者较为接近;(3)檐口、洞口处的风荷载具有放大效应。     

轨道型式对地铁与建筑物共建结构振动响应的影响

以上海某地铁站与建筑物共建工程为例,现场实测由于地铁运行引起的车站站厅层、上部结构各楼层的动力响应,建立道床—共建结构—地基二维动力有限元模型。通过对比分析计算和实测的共建结构竖向振动加速度的时域谱和1/3倍频程振级谱,探讨普通轨道、科隆蛋高弹扣件轨道和钢弹簧浮置板轨道在引起共建结构振动响应方面的差异。研究结果表明:采用科隆蛋高弹扣件轨道时,共建结构同一位置的加速度峰值约是普通轨道的1/2,而固有频率为6 Hz的钢弹簧浮置板轨道的加速度峰值仅为普通轨道的1/10左右,但钢弹簧浮置板轨道引起的振动周期和持时相对较长;科隆蛋高弹扣件轨道与钢弹簧浮置板轨道均有明显的减振效果,所不同的是前者对25 Hz以下、后者对25 Hz以上频段的竖向振动有较好减振效果;钢弹簧浮置板固有频率的变化对该共建结构振动响应的影响很小。     

列车振动荷载作用下膨胀岩盾构隧道的动力响应

南宁轨道交通1号线采用盾构法穿越膨胀岩分布区。考虑不同岩层组合对列车振动荷载与膨胀力共同作用下隧道管片与围岩的动力响应进行数值模拟分析。结果表明:距离管片越远列车振动荷载引起的沉降越小;荷载条件相同时岩土体阻尼比越小受列车振动荷载影响越大,因而产生的沉降越大;不同岩层组合条件下隧底相同位置的位移、速度、加速度和竖向应力时程曲线均在加载初期突变,在施加的列车振动荷载稳定后近似呈简谐波动形式;隧道腰部所受的竖向应力最大,顶部所受的竖向应力最小。     

高速列车过站对站台屏蔽门表面气压荷载的影响研究

针对高速列车不停车过站引发的列车风对站台屏蔽门表面风压荷载的影响,采用滑移网格技术对高速列车过站进行数值模拟。利用正交试验方法,揭示各因素对站台屏蔽门风压荷载影响的主次顺序及规律。结果表明：随着列车过站速度的提高,站台屏蔽门表面的正、负风压值均呈增大趋势,且最大风压与过站速度呈正相关;随着站台屏蔽门距离的增大,站台屏蔽门表面的正、负压值均呈减小趋势,且最大风压与站台屏蔽门距离呈负相关;随着雨棚高度的增大,站台屏蔽门表面的正、负压值均无明显变化。站台屏蔽门距离对站台屏蔽门表面风荷载的影响最大,雨棚高度的影响最小。试验数据方差分析与极差分析结果一致,该研究结果可为站台屏蔽门设置提供理论参考。     

重载列车作用下隧底结构动力响应分析

重载列车作用会导致铁路隧道基底结构动力响应不断增大，从而使基底结构产生破坏。采用数值模拟方法，建立单、双线隧道-围岩耦合计算模型，对重载列车作用下单、双线隧道动力响应随深度变化规律进行研究，对列车轴重、行车速度和填充层厚度对隧底结构动力响应特性的影响规律进行计算分析。结果表明：隧道横断面上的拉应力沿深度方向先增大后减小，在初支部位达到峰值，单线隧道轨下断面为最不利断面，双线隧道中线断面为最不利断面；随轴重增加，隧底仰拱各特征点竖向位移及填充层最大主应力响应均呈现线性变化趋势；随列车速度增加，各特征点竖向位移略有增大，但幅值变化不大；随填充层厚度增加，隧道仰拱最大加速度及最大主应力均呈减小趋势。     

基于概念分析的铁路客站结构优化研究

应用解释结构模型,分析铁路客站结构设计参数与工程材料用量之间的影响关系,得到结构设计参数的逻辑层级关系.在客站雨棚结构的各设计参数中,基本风压、材料强度和雨棚高度对雨棚结构的用钢量影响最大,处于逻辑关系的第1层级;结构类型、站型、基本柱网和抗震设防烈度等参数的影响较大,处于第2层级;其他处于低层级的设计参数对用钢量影响较小.结合解释结构模型的分析结果,选取影响雨棚经济性较大的前2个层级中的设计参数为主要变量,运用概念分析方法进行雨棚结构优化,得出不同条件下合理的结构形式及工程用钢量范围.结果表明,以用钢量作为优化目标时,双侧悬挑雨棚的经济性优于单侧悬挑雨棚;实腹钢梁结构适用于所有双侧悬挑雨棚;单侧悬挑结构则需根据跨度、基本风压、有无拉杆等条件具体判断其适用的结构形式.     

地铁列车振动荷载对下叠并行新建城际铁路盾构隧道的动力响应分析

以新建佛莞城际铁路盾构隧道与广州地铁3号线明挖段矩形隧道交叠并行工程为依托,研究地铁列车通过明挖隧道时产生的振动荷载对下部新建盾构隧道衬砌结构的动力响应,并对不同列车振动荷载下新建盾构隧道衬砌结构的动应力进行了分析.使用激振力函数法模拟地铁列车振动荷载,选取下部新建盾构隧道典型监测断面的监测点来研究在地铁列车振动荷载作用下衬砌结构的振动加速度、应力和竖向位移响应特性.结果 表明:轨道结构质量越差,列车运行速度越快,车体质量越大,列车振动荷载的幅值也相应增大;在地铁列车振动荷载作用下新建盾构隧道衬砌结构存在着明显的动力影响区;新建盾构隧道衬砌管片竖向位移曲线呈"W"形,且拱顶处的竖向位移幅值最大;随着地铁列车运行速度加快,新建盾构隧道的竖向沉降亦随之增大,地铁列车运行速度每增加30 km/h,隧道衬砌结构的竖向沉降平均增加2.66％.     

超长浅埋大跨河东机场高铁站结构设计研究

研究目的:为分析寒冷地区结构受温度变化的影响,研究地下站跨度大、开洞多且位于设防烈度8度区的结构抗震性能,解决西北地区屋面钢结构在风荷载作用下的连接等问题,本文以银西高铁与银川河东机场航站楼相结合的空铁交通枢纽——河东机场站为例,对该站温度、抗震及钢结构构造等方面进行系统研究。研究结论:(1)气温变化引起地下站房结构的温度应力从车站两端向中部集中,车站中部部位出现应力最大值;(2)温度应力在梁柱节点、板墙相交以及结构开孔处出现应力集中,需采取必要的构造措施和施工措施以减小裂缝;(3)地下站房在中震作用下,结构最大层间位移角均小于1/550,结构处于弹性工作阶段,抗震工况不起控制作用;在大震作用下,弹塑性层间位移未超过1/250的弹塑性层间位移角限值,结构局部处于弹塑性工作阶段;(4)本工程采用的倒三角钢桁架结构稳定性强,适用于大跨屋架结构;轴向对称球形节点,能够有效地抵抗外荷载,提高钢架的整体稳定性;(5)本站的成功实施,为地下超长复杂大跨结构积累了经验,对后期铁路枢纽站房的建设及类似工程具有参考价值和指导意义。     

紧邻铁路暗挖地铁隧道动力响应实测与数值分析

铁路下伏隧道时,其动力响应异于无隧道的情况。以深圳地铁5号线紧邻平南铁路深民区间隧道为依托,采用加速度传感器对列车荷载在隧道初支上引起的加速度进行测试,并通过弹塑性动力有限差分法对列车荷载与隧道组成的系统进行动力响应分析。研究结果表明:列车速度为40～60 km/h,紧邻铁路隧道拱肩振动加速度峰值为0.06～0.10 m/s2,较地表路肩处竖向加速度峰值衰减90%～96%;对比有无下伏隧道工况,下伏隧道使列车荷载在表层土中激发的振动减小,而在隧道周边围岩中的振动增大,延缓列车动载在地层中衰减;隧道初支内力受列车动载影响,弯矩约增大1.4%。     

国家体育场大跨度钢结构温度场测试与分析

国家体育场大跨度屋盖钢结构属于高次超静定结构,温度变化对其应力和变形影响很大.介绍了钢结构温度变化的原理及其理论分析方法.利用无线温度传感器网络系统,对国家体育场钢结构在2007年8月31日8:00～9月1日2:00期间的温度场进行了持续测试.测试结果表明,上午8:00时,钢结构各部位的平均温度非常均衡,并与钢结构合龙时的温度几乎一致;嗣后,随着环境温度的变化,钢结构不同部位在同一时刻的温度差异较大;受太阳辐射和表面风作用的影响,上弦杆的温度变化幅度比斜腹杆、下弦杆和桁架柱的大.