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1、城市轨道交通高架车站结构动力分析论文.freelark2β法逐步积分,通过模拟分析求得作用在框架部分的时程荷载,也就是板梁通过支座传给一系列桥墩(实际为高架车站的框架结构部分)的动反力。(2)在求得作用在框架结构上的时程荷载之后,以支座动反力为外荷载,通过有限元离散化,建立框架结构三维动力分析模型。采用国际通用的SAP93结构静动力分析程序,求解高架车站在列车荷载作用下的动力响应。其原理是采用子空间迭代法求算结构自振频率和振型,然后采用振型叠加计算动力响应。这就是笔者针对框架式车站的的结构特点所提出的“两步分析法”。这种分析方法所依据的假定如下:(1)在建立连续梁模型时,竖
2、向刚度很大的框架部分被视为一系列桥墩,认为是固定不动的。不考虑空间框架振动对车桥体系动力作用的影响。(2)为简化分析,仅考虑了车桥体系对框架部分的竖向作用。3计算结果与分析3.1列车-桥梁体系动力分析图3二维车桥体系动力分析模型图4支座动反力的波形图表1是7个支座冲击系数的比较。可以看出,随着速度的增加,各支座的动力系数相应增大;相同速度下各支座动力系数相差不大,但中间支座动力系数大于边支座。各支座动力系数表13.2框架体系动力分析在求得列车运行时作用在框架部分的动反力R(t)的波形后,即可以通过三维动力有限元程序(如ANALYSIS或SAP)来分析框架车站模型。图5框架动
3、力分析模型该车站属“高架三层双侧式站台”的车站,横向框架为三柱二跨式(图1)。一期建成车站总长度为150m(远期190m),本工程在车站中部设一道伸缩缝,把结构分为两部分,每一部分六跨,每跨12m,共72m长。车站宽为24m。一层高516m,二层高418m,三层为站台层。各部分的截面尺寸如下:框架中柱1.3m×1.3m,框架边柱1.0m×1.0m,框架横梁1.0m×1.4m,框架纵梁0.6m×1.1m。预应力混凝土梁采用C40,普通梁柱采用C30,板采用C20。采用空间梁单元模拟框架结构体系,建立有限元空间模型。框架梁柱间均为刚结,柱底的边界条件全部为固结。框架车站(三柱二
4、跨式)通过有限元离散化,可以分为203个节点,240个梁单元。在地铁(轻轨)列车通过高架车站的整个时间范围内,把7个位置的动反力R(t)同时加在框架部分的7个加载点上。通过有限元动力分析程序SAP93进行动力时程分析,求算高架车站的动力响应。图6和图7为第一支座下节点的横向弯矩和纵向弯矩时程图(把垂直列车行进方向定为横向,沿着列车行进方向定为纵向)。各节点的内力时间历程曲线形状基本相似。随着车速的增加,各点内力的峰值相应增大,表明冲击系数增大。节点横向弯矩要远小于纵向弯矩,纵向弯矩和轴力成为内力分析中的控制因素。图6横向弯矩时程图(V=40km/h)图7纵向弯矩时程图(V=
5、40km/h)表2是7个加载点的三个方向的动位移峰值表。框架结构上各点的纵向位移(沿列车行进方向)要比竖向位移和横向位移大得多,一般相差了若干个数量级,因此,车站各点的纵向位移是起控制作用的因素。对于实际工程中的纵向框架,还必须考虑由于构件温度变化所产生的较大内力。因此,如何在设计施工中加强高架车站框架部分的纵向刚度,是一个不可忽视的问题。在本算例中,框架结构上各点的最大纵向位移均小于213mm,符合桥梁设计标准。动位移峰值表(单位:mm)表2高架车站由于桥建合一具有的桥梁特性与普通框架结构有着显著的区别。车站框架属于长纵向结构,车站长度要远大于宽度(一般宽度在20m以内,
6、长度可以接近200m)。如果作为普通房屋结构,在结构分析中为了简化起见,可以对其采用平面模型,独立对各榀横向框架进行平面分析,忽略框架纵向各部分的相互影响和制约。这种框架结构用做高架车站,由于加载方式发生改变,七个加载点全部位于中纵向框架上,使其内力性能发生了根本性的变化,框架纵向各部分的影响制约不仅不能忽略,而且成为结构分析的控制因素。总之,高架车站结构分析中,纵向内力计算,纵向刚度的大小,成为高架车站结构的关键问题。4结论(1)针对框架式车站的结构特点,在结构分析中采用“两步分析法”具有实用性和可行性。该分析方法力学概念清晰,从受力到传力都明确简洁,简化了车桥合一高架车
7、站的分析和设计过程。由于未考虑桥梁与框架的耦合作用,该方法是一种近似的简化方法。(2)列车速度对橡胶支座的时程荷载起着重要作用。时程荷载的主要频率等于加载频率(f=v/L,v为车速,L为列车轴距)。每一个车速对应有时程荷载峰值。随着速度的上升,该峰值呈现上升趋势,表明冲击系数相应增大。(3)同纵向动力响应相比,横向动力响应相对很小。高架车站的动位移反应中,以纵向动位移为控制因素。动内力反应中,以纵向内力为控制因素。考虑到列车对车站的水平制动力,车站的纵向强度和刚度问题更加突出。(4)框架式车站在结构上最突出的问题是
