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            高速列車交會激勵下雨棚振動響應-項目案例-污水池加蓋-反吊膜|膜加蓋-除臭加蓋-膜結構公司-上海華喜膜結構工程有限公司
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            高速列車交會激勵下雨棚振動響應

            發布時間:2022年6月23日 點擊數:218

            目前,國內外學者針對高速列車的氣動載荷及其對雨棚等鐵路臨近結構的振動響應進行了大量探索試驗和研究。Maeda等[1]采用實車試驗的方法,研究了列車運行時車身周圍的空氣動力學特性。Fujii等[2]研究了兩車交會情況下列車周圍的空氣動力學特性。Khayrullina等[3]采用大渦模擬法,研究了隧道內列車單車通過站臺時列車風對站臺的影響。Hemida等[4]采用數值模擬和大渦模擬的方法,研究了列車周圍的流場分布。Gerhardt等[5]研究高速列車通過站臺時臨近結構受到的列車風載荷,并提出了控制列車風的方法。Hur等[6]采用數值模擬與風洞試驗相結合的方法,研究高速列車通過時站房表面列車風載荷分布特點。Baker等[7]研究了列車單車過站時鐵路臨近結構的氣動壓力。朱志輝等[8]以天津西客站為例,研究了高速列車通過時“站橋合一”大型客運站的振動響應。唐意等[9]和米宏廣[10]采用模態疊加等理論方法,對特定車站的雨棚結構進行了振動響應分析。羅堯治等[11]運用有限元法,對北京北站站臺大跨度張弦桁架雨棚結構進行受力分析。顏鋒等[12]研究了列車通過時航站樓振動的幅值大小和時程特點。周志勇等[13]采用動網格數值模擬和風洞測壓試驗2種方法,研究列車經過時雨棚所受風壓的變化規律。楊娜等[14]采用Fluent軟件,模擬分析雨棚表面風壓分布規律、脈動特性以及雨棚自身結構對風壓值的影響。楊惠東等[15]運用流固耦合技術,研究無站臺柱雨棚在變化流場中的變形和應力情況。以往的研究中,一般只考慮單車通過時列車風致臨近結構的振動響應,然而針對兩車交會這種不利工況下雨棚的振動響應研究較少,而且針對氣動載荷或輪軌力等對雨棚振動響應起主導作用載荷及其相關規律也缺乏研究。

            本文采用流體動力學軟件Fluent和多體動力學軟件Simpack,分別仿真計算獲得激擾雨棚的外部載荷,然后在有限元軟件Abaqus中建立雨棚結構模型,輸入上述外部載荷,分析列車以不同速度級交會時雨棚振動響應,掌握雨棚振動規律,為后期高鐵車站雨棚運維提供理論支撐。

            1 雨棚結構動力仿真模型

            1.1 雨棚結構模型建立

            為了研究雨棚的振動響應規律,以某高鐵站站臺雨棚為研究對象,建立雨棚結構動力仿真模型。雨棚總長421 m,總寬58.9 m,外側支柱高度11.6 m,內側支柱高度12.56 m,站臺高1.43 m,基礎厚度1.5 m。平行股道方向標準跨為18 m,中間跨為21 m。雨棚支柱為鋼管柱,共有104根;雨棚內側縱梁為箱型截面梁;外側縱梁為工字型梁。建模時,雨棚結構基礎底部采用固結約束,雨棚與縱梁之間采用“TIE”連接,采用實體單元C3D8R。雨棚主體構件材料屬性及截面尺寸見表1,雨棚整體結構模型如圖1所示。

              

            表1 雨棚結構主體構件材料屬性及截面尺寸  下載原圖



            表1 雨棚結構主體構件材料屬性及截面尺寸

            表1 雨棚結構主體構件材料屬性及截面尺寸

            圖1 雨棚結構動力仿真模型

            圖1 雨棚結構動力仿真模型   下載原圖


            模型中,雨棚內、外側支柱分別采用直徑402mm、壁厚12 mm和直徑800 mm、壁厚14 mm的鋼管,外側縱梁采用截面尺寸為高450 mm、寬300 mm、水平壁厚12 mm、豎直壁厚12 mm的箱型梁,內側縱梁和橫梁采用高750 mm、寬300mm、水平壁厚12 mm、豎直壁厚16 mm的工字梁;雨棚長422 m,寬58.9 m,厚51.8 mm。

            1.2 雨棚結構模態分析

            雨棚結構的固有頻率是雨棚固有動力特性的綜合反映,對雨棚結構進行模態分析在一定程度上能夠反映雨棚結構有限元模型的正確性,是動車組氣動載荷和輪軌力激勵下振動響應分析的基礎。

            采用有限元軟件Abaqus,對雨棚結構進行模態分析。在許多實際工程問題中只需要求解前幾個低階自振頻率就能夠得到較為滿意的精度,因此計算時僅選取有限元模型前5階振型的自振頻率,結果見表2,前5階振型如圖2所示。

              

            表2 雨棚結構自振頻率  下載原圖



            表2 雨棚結構自振頻率

            表2 雨棚結構自振頻率

            由表2和圖2可知,雨棚的前5階自振頻率表現為低頻振動,且振動頻率較為集中。

            圖2 雨棚結構振型

            圖2 雨棚結構振型   下載原圖


            圖2 雨棚結構振型

            圖2 雨棚結構振型   下載原圖


            2 外部激勵計算

            2.1 氣動載荷計算

            基于三維非定常黏性流動的雷諾平均NavierStokes方程并結合k-ε兩方程湍流模型[16],運用動滑移網格技術,對動車組在雨棚中交會產生的非定常氣動效應進行研究。

            為了計算動車組在雨棚中交會的氣動載荷,采用Fluent軟件,建立8節編組的CR400AF型動車組,其中受電弓、轉向架影響范圍更多是近場或局部范圍,而該雨棚最低高度為11.6 m,距離受電弓、轉向架相對較遠,且轉向架產生的氣壓集中在車體底部,還會受到站臺阻擋,對頂部雨棚影響較小,因此忽略受電弓、轉向架等對計算結果影響較小的細部結構。建立的CR400AF型動車組模型如圖3所示。

            圖3 CR400AF型動車組模型

            圖3 CR400AF型動車組模型   下載原圖


            在仿真計算過程中,用有限區域模擬無限大現場環境。在保證計算時間和精度的前提下,對整個模型進行簡化,外流場區域寬度100 m(大于10倍車寬),長度2 452 m,站房距線路中心36 m;兩動車組為頭尾形狀相同的流線型車體。整個流場分成均采用結構化六面體網格的若干子塊,通過多次改變網格疏密程度,消除網格相關性,網格數量達到一定量級后計算結果趨于穩定,單車體模型網格數約1 000萬個,整體模型網格數約6 000萬個。建立的計算區域模型(含站房)如圖4所示,車體網格模型如圖5所示。

            圖4 計算區域模型

            圖4 計算區域模型   下載原圖


            圖5 車體網格模型

            圖5 車體網格模型   下載原圖


            為了獲得較為準確的氣動載荷,得到動車組等速交會時雨棚所受氣動載荷時程曲線,并分析其分布規律和變化特征,在雨棚上設置280個監控點,實時輸出雨棚所受的氣動載荷。雨棚網格及監控點布置模型如圖6所示。圖中監控點序號從左上角起始,第1排1—46,第2排47—92,第3排93—138,第4排139—142,第5排143—188,第6排189—234,第7排235—280。

            2.1.1 試驗驗證

            本文主要研究的是動車組在雨棚位置交會時的工況,但現場實測時很難監測到動車組在雨棚中交會,尤其是薄弱位置交會時的氣動載荷數據,因此通過對比動車組單車通過雨棚時的監測數據和仿真數據驗證數據的準確性。

            現場采用CYG1721風壓傳感器監測雨棚所受氣動載荷。風壓傳感器布置如圖7所示。圖中:F1-1,F1-2和F1-3為安裝在第1跨的風壓傳感器;F2,F3,F4和F12分別為安裝在第2,3,4和12跨的風壓傳感器。

            圖6 雨棚網格及監測點布置模型

            圖6 雨棚網格及監測點布置模型   下載原圖


            圖7 風壓傳感器布置位置

            圖7 風壓傳感器布置位置   下載原圖


            風壓傳感器測得的動車組以350 km·h-1速度通過雨棚時氣動載荷極值數據如圖8所示。

            圖8 實測氣動載荷數據

            圖8 實測氣動載荷數據   下載原圖


            通過仿真計算得到的雨棚前4跨和第12跨所受氣動載荷極值見表3。

            由表3和圖8可知,仿真得到的氣動載荷極值與現場實測數據基本一致,最大誤差為4.9%,驗證了仿真模型合理可靠。

              

            表3 雨棚所受氣動載荷極值  下載原圖



            表3 雨棚所受氣動載荷極值

            表3 雨棚所受氣動載荷極值

            2.1.2 仿真計算

            分別計算動車組以200,250,300,350,400和450 km·h-1速度交會時氣動載荷分布及變化規律。動車組以不同速度級等速交會時,雨棚上280個監控點監測的氣動載荷極值和峰峰值見表4,其中動車組以350 km·h-1速度級在雨棚中部等速交會時的氣動載荷云圖如圖9所示。

            由表4可知,動車組在不同交會速度工況下雨棚所受氣動載荷負壓極值絕對值最大,氣動載荷隨著車速的增加而增大。

              

            表4 交會工況下雨棚所受氣動載荷  下載原圖



            表4 交會工況下雨棚所受氣動載荷

            表4 交會工況下雨棚所受氣動載荷

            圖9 350 km·h-1交會速度下氣動載荷云圖

            圖9 350 km·h-1交會速度下氣動載荷云圖   下載原圖


            根據表4數據,對雨棚所受氣動載荷極值和峰峰值與車速的關系進行擬合,得到擬合曲線如圖10所示。

            圖1 0 動車組不同交會速度下雨棚所受氣動載荷極值

            圖1 0 動車組不同交會速度下雨棚所受氣動載荷極值   下載原圖


            由圖10可知,某動車組以不同速度級等速交會時,雨棚所受氣動載荷極值與速度的1.61~1.84次方成正比。

            為了研究氣動載荷沿雨棚不同方向分布規律,以動車組350 km·h-1速度級在雨棚中間位置交會工況為例,分析氣動載荷時程曲線以及氣動載荷沿雨棚長度、寬度和高度方向的分布規律。

            動車組在雨棚中間位置交會時雨棚中間位置和入口位置監控點監測到的氣動載荷時程曲線如圖11所示。

            由圖11可知:動車組在雨棚中間位置交會時,車頭車尾通過時雨棚所受氣動載荷會出現明顯波動,因此當動車組在雨棚中間位置交會時會出現先正后負然后由負轉正的氣動載荷;而雨棚入口位置監控到的是單車通過時雨棚所受氣動載荷,這是由于交會1車和對向駛來的交會2車經過入口位置監控點的時間不同所導致的,因此動車組通過雨棚入口位置時會出現2次先正后負然后由負轉正的氣動載荷。

            圖1 1 雨棚中間和入口位置氣動載荷時程曲線

            圖1 1 雨棚中間和入口位置氣動載荷時程曲線   下載原圖


            雨棚沿長度方向的氣動載荷極值分布規律如圖12所示,其中第1排與第7排,第2排與第6排,第3排與第5排的監控點沿線路中心線對稱分布。

            由圖12可知,當動車組在雨棚中間位置等速交會時,雨棚長度方向所受氣動載荷極值近似于以線路中心線為中心對角對稱分布,且負壓極值絕對值大于正壓極值。

            雨棚寬度方向入口和中間位置的氣動載荷極值分布規律如圖13所示。

            由圖13可知:雨棚寬度方向所受氣動載荷近似于以線路中心線為軸對稱分布,中間位置雨棚所受的氣動載荷極值最大;雨棚寬度方向上,一側是站房,另一側是開放出口,靠近站房位置的氣動載荷極值略小于遠離站房位置的氣動載荷極值,但是兩者差別很小,這主要由于該站房離正線距離較遠,且其長度相比雨棚短很多,站房對雨棚所受氣動載荷影響較小,可忽略不計。

            圖1 2 雨棚沿長度方向氣動載荷分布

            圖1 2 雨棚沿長度方向氣動載荷分布   下載原圖


            在雨棚支柱上選取距軌面不同高度的監控點,分析雨棚沿高度方向的氣動載荷極值分布規律,其中雨棚內側支柱水平方向距離線路中心6 000 mm,內側支柱高度12.56 m,得到不同高度監控點的氣動載荷極值見表5,擬合的關系曲線如圖14所示。

            由表5和圖14可知,氣動載荷極值隨著雨棚支柱高度的增加而減小,可以看出最高點(雨棚支柱頂點)的氣動載荷極值較最低點(站臺平齊高度)減小60%以上。

            2.2 輪軌力計算

            動車組運行時產生的輪軌力主要包括輪軌垂向力和輪軌橫向力,正線通過時輪軌橫向力比輪軌垂向力小很多,而且單就輪軌垂向力而言,其受車速影響極為明顯[17]。因此,主要考慮輪軌垂向力的作用。為了獲得動車組輪軌垂向力,采用Simpack軟件,建立8節編組的CR400AF型動車組車-軌耦合動力學仿真模型。動車組采用10個自由度二系懸掛彈簧阻尼單元模擬,且車體、轉向架和輪對均考慮豎向振動,車-軌耦合簡化模型如圖15所示。

            圖1 3 雨棚寬度方向入口和中間位置氣動載荷極值

            圖1 3 雨棚寬度方向入口和中間位置氣動載荷極值   下載原圖


              

            表5 350 km·h-1交會速度下沿高度方向氣動載荷極值  下載原圖



            表5 350 km·h-1交會速度下沿高度方向氣動載荷極值

            表5 350 km·h-1交會速度下沿高度方向氣動載荷極值

            圖1 4 CR400AF型動車組350 km·h-1交會時沿高度方向氣動載荷極值

            圖1 4 CR400AF型動車組350 km·h-1交會時沿高度方向氣動載荷極值   下載原圖


            圖1 5 車-軌耦合簡化模型

            圖1 5 車-軌耦合簡化模型   下載原圖


            軌道不平順采用我國高速鐵路無砟軌道不平順譜[18],如圖16所示。

            圖1 6 軌道不平順譜

            圖1 6 軌道不平順譜   下載原圖


            通過仿真計算得到不同速度級下的輪軌垂向力,詳見表6。

            由表6可知,動車組輪軌垂向力取決于車速,車速越大輪軌垂向力也越大。

              

            表6 動車組不同速度級下的輪軌垂向力  下載原圖



            表6 動車組不同速度級下的輪軌垂向力

            表6 動車組不同速度級下的輪軌垂向力

            3 雨棚結構振動響應

            動車組交會通過雨棚時產生氣動載荷和輪軌力,2種外部載荷對雨棚結構進行激勵,分別將氣動載荷施加在雨棚上,輪軌力作用在軌道板上,并進一步傳遞到雨棚結構上,主要分析雨棚的振動響應。

            3.1 雨棚振動響應影響因素

            為了分析不同外部載荷對雨棚振動響應的影響程度,以動車組350 km·h-1速度級在雨棚中部交會為例,分別計算氣動載荷和輪軌力綜合作用、氣動載荷單獨作用、輪軌力單獨作用3種工況,得到雨棚振動響應結果見表7,其振動響應云圖如圖17所示。

              

            表7 雨棚振動響應影響情況對比  下載原圖



            表7 雨棚振動響應影響情況對比

            表7 雨棚振動響應影響情況對比

            圖1 7 雨棚振動響應云圖

            圖1 7 雨棚振動響應云圖   下載原圖


            由表7和圖17可知:氣動載荷是引起雨棚振動響應的主要因素,輪軌力為次要因素,這主要由于氣動載荷直接作用在雨棚上,且雨棚表面積相對較大,所以振動響應較大;輪軌力直接作用于鋼軌,通過鋼軌傳遞到軌道板并進一步傳遞到下部土體,再通過土體傳遞到雨棚支柱的底部基礎,最后通過支柱傳遞到雨棚上部,傳遞過程較長,且下部通過土體傳遞,振動能量耗散較大,引起的雨棚振動響應相對較小。

            3.2 雨棚振動響應規律

            針對該雨棚特定結構,選擇相對不利的位置進行分析,其中中間跨跨度最大,端部跨只有一側有縱梁約束,另一側沒有縱梁連接約束且端部有延伸出的雨棚。動車組以不同速度級在上述2個不利位置交會時雨棚的振動響應極值見表8。以表8的數據為基礎,擬合出動車組分別在雨棚中部和端部交會時的雨棚振動響應與車速關系如圖18和圖19所示。

              

            表8 動車組不同交會速度下雨棚振動響應極值  下載原圖



            表8 動車組不同交會速度下雨棚振動響應極值

            表8 動車組不同交會速度下雨棚振動響應極值

            圖1 8 雨棚變形與車速間關系

            圖1 8 雨棚變形與車速間關系   下載原圖


            由表8及圖18和圖19可知:動車組以不同速度級等速交會時,雨棚的振動響應與車速有關,車速越大雨棚振動響應越大,其中端部交會時雨棚的變形與車速的1.60次方成正比,雨棚的振動速度與車速的1.88次方成正比,中部交會時雨棚的變形與車速的1.70次方成正比,雨棚的振動速度與車速的1.93次方成正比;同等速度級交會工況下,動車組在雨棚端部交會時雨棚的振動響應比動車組后期會對雨棚垂向振動標準限值進行進一步研究。

            圖1 9 雨棚振動速度與車速間關系

            圖1 9 雨棚振動速度與車速間關系   下載原圖


            目前國內尚未發布專門針對雨棚結構振動限值的相關標準,根據《建筑工程容許振動標準》(GB 50868—2013)[19]規定,建筑物頂層樓面中心位置處水平2個主軸方向的振動速度峰值為10 mm·s-1。但本文研究的雨棚振動主要以垂向振動為主,后期會對雨棚垂向振動標準限值進行進一步研究。

            4 結論

            (1)當CR400AF型動車組以不同速度在雨棚中部等速交會時,雨棚靠近線路中心位置處所受的氣動載荷最大,雨棚寬度、長度方向所受氣動載荷近似于呈對稱分布,氣動載荷隨著雨棚高度的增加而減小。

            (2)當CR400AF型動車組以不同速度等速交會時,雨棚所受的氣動載荷約與車速的平方成正比;雨棚的振動響應也約與車速的平方成正比,車速越大振動響應越大。

            (3) CR400AF型動車組在同等速度級交會工況下,雨棚的振動響應端部比中部大,而且振動響應較大值出現在兩端車頭和車尾所在位置。

            (4)氣動載荷和輪軌力對雨棚振動響應的影響程度不同,相對而言,氣動載荷對雨棚振動響應起主要作用。

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