馮海龍，王 博，李紅梅，王域辰，史偉華，張 騫,4

（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.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081；3.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071；4.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 高速列車系統(tǒng)集成國家工程實驗室，山東 青島 266111）

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對高速列車的氣動載荷及其對雨棚等鐵路臨近結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)進(jìn)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(xué)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(xué)特性。Khayrullina等[3]采用大渦模擬法，研究了隧道內(nèi)列車單車通過站臺時列車風(fēng)對站臺的影響。Hemida等[4]采用數(shù)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(jié)構(gòu)受到的列車風(fēng)載荷，并提出了控制列車風(fēng)的方法。Hur等[6]采用數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法，研究高速列車通過時站房表面列車風(fēng)載荷分布特點。Baker等[7]研究了列車單車過站時鐵路臨近結(jié)構(gòu)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(yīng)。唐意等[9]和米宏廣[10]采用模態(tài)疊加等理論方法，對特定車站的雨棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動響應(yīng)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(wǎng)格數(shù)值模擬和風(fēng)洞測壓試驗2種方法，研究列車經(jīng)過時雨棚所受風(fēng)壓的變化規(guī)律。楊娜等[14]采用Fluent軟件，模擬分析雨棚表面風(fēng)壓分布規(guī)律、脈動特性以及雨棚自身結(jié)構(gòu)對風(fēng)壓值的影響。楊惠東等[15]運用流固耦合技術(shù)，研究無站臺柱雨棚在變化流場中的變形和應(yīng)力情況。以往的研究中，一般只考慮單車通過時列車風(fēng)致臨近結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，然而針對兩車交會這種不利工況下雨棚的振動響應(yīng)研究較少，而且針對氣動載荷或輪軌力等對雨棚振動響應(yīng)起主導(dǎo)作用載荷及其相關(guān)規(guī)律也缺乏研究。

本文采用流體動力學(xué)軟件Fluent和多體動力學(xué)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(jié)構(gòu)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(yīng)，掌握雨棚振動規(guī)律，為后期高鐵車站雨棚運維提供理論支撐。

1 雨棚結(jié)構(gòu)動力仿真模型

1.1 雨棚結(jié)構(gòu)模型建立

為了研究雨棚的振動響應(yīng)規(guī)律，以某高鐵站站臺雨棚為研究對象，建立雨棚結(jié)構(gòu)動力仿真模型。雨棚總長421 m，總寬58.9 m，外側(cè)支柱高度11.6 m，內(nèi)側(cè)支柱高度12.56 m，站臺高1.43 m，基礎(chǔ)厚度1.5 m。平行股道方向標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)側(cè)縱梁為箱型截面梁；外側(cè)縱梁為工字型梁。建模時，雨棚結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底部采用固結(jié)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(gòu)件材料屬性及截面尺寸見表1，雨棚整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

表1 雨棚結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件材料屬性及截面尺寸

圖1 雨棚結(jié)構(gòu)動力仿真模型

模型中，雨棚內(nèi)、外側(cè)支柱分別采用直徑402 mm、壁厚12 mm和直徑800 mm、壁厚14 mm的鋼管，外側(cè)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(nèi)側(cè)縱梁和橫梁采用高750 mm、寬300 mm、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(jié)構(gòu)模態(tài)分析

雨棚結(jié)構(gòu)的固有頻率是雨棚固有動力特性的綜合反映，對雨棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析在一定程度上能夠反映雨棚結(jié)構(gòu)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(yīng)分析的基礎(chǔ)。

采用有限元軟件Abaqus，對雨棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)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(jié)果見表2，前5階振型如圖2所示。

表2 雨棚結(jié)構(gòu)自振頻率

圖2 雨棚結(jié)構(gòu)振型

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

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Navier-Stokes方程并結(jié)合k-ε兩方程湍流模型[16]，運用動滑移網(wǎng)格技術(shù)，對動車組在雨棚中交會產(chǎn)生的非定常氣動效應(yīng)進(jìn)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(jié)編組的CR400AF型動車組，其中受電弓、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架相對較遠(yuǎn)，且轉(zhuǎn)向架產(chǎn)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(zhuǎn)向架等對計算結(jié)果影響較小的細(xì)部結(jié)構(gòu)。建立的CR400AF型動車組模型如圖3所示。

圖3 CR400AF型動車組模型

在仿真計算過程中，用有限區(qū)域模擬無限大現(xiàn)場環(huán)境。在保證計算時間和精度的前提下，對整個模型進(jìn)行簡化，外流場區(qū)域?qū)挾?00 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(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格的若干子塊，通過多次改變網(wǎng)格疏密程度，消除網(wǎng)格相關(guān)性，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到一定量級后計算結(jié)果趨于穩(wěn)定，單車體模型網(wǎng)格數(shù)約1 000萬個，整體模型網(wǎng)格數(shù)約6 000萬個。建立的計算區(qū)域模型（含站房）如圖4所示，車體網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖4 計算區(qū)域模型

圖5 車體網(wǎng)格模型

為了獲得較為準(zhǔn)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(guī)律和變化特征，在雨棚上設(shè)置280個監(jiān)控點，實時輸出雨棚所受的氣動載荷。雨棚網(wǎng)格及監(jiān)控點布置模型如圖6所示。圖中監(jiān)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。

圖6 雨棚網(wǎng)格及監(jiān)測點布置模型

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(xiàn)場實測時很難監(jiān)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(shù)據(jù)，因此通過對比動車組單車通過雨棚時的監(jiān)測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)驗證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)場采用CYG1721風(fēng)壓傳感器監(jiān)測雨棚所受氣動載荷。風(fēng)壓傳感器布置如圖7所示。圖中：F1-1，F(xiàn)1-2和F1-3為安裝在第1跨的風(fēng)壓傳感器；F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4和F12分別為安裝在第2，3，4和12跨的風(fēng)壓傳感器。

圖7 風(fēng)壓傳感器布置位置

風(fēng)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(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 實測氣動載荷數(shù)據(jù)

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。

表3 雨棚所受氣動載荷極值

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

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(guī)律。動車組以不同速度級等速交會時，雨棚上280個監(jiān)控點監(jiān)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。

圖9 350 km·h-1交會速度下氣動載荷云圖

表4 交會工況下雨棚所受氣動載荷

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(fù)壓極值絕對值最大，氣動載荷隨著車速的增加而增大。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，對雨棚所受氣動載荷極值和峰峰值與車速的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到擬合曲線如圖10所示。

圖10 動車組不同交會速度下雨棚所受氣動載荷極值

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(guī)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(guī)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(jiān)控點監(jiān)測到的氣動載荷時程曲線如圖11所示。

圖11 雨棚中間和入口位置氣動載荷時程曲線

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(xiàn)明顯波動，因此當(dāng)動車組在雨棚中間位置交會時會出現(xiàn)先正后負(fù)然后由負(fù)轉(zhuǎn)正的氣動載荷；而雨棚入口位置監(jiān)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(jīng)過入口位置監(jiān)控點的時間不同所導(dǎo)致的，因此動車組通過雨棚入口位置時會出現(xiàn)2次先正后負(fù)然后由負(fù)轉(zhuǎn)正的氣動載荷。

雨棚沿長度方向的氣動載荷極值分布規(guī)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(jiān)控點沿線路中心線對稱分布。

圖12 雨棚沿長度方向氣動載荷分布

由圖12可知，當(dāng)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(fù)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(guī)律如圖13所示。

圖13 雨棚寬度方向入口和中間位置氣動載荷極值

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(cè)是站房，另一側(cè)是開放出口，靠近站房位置的氣動載荷極值略小于遠(yuǎn)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(yuǎn)，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。

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

表5 350 km·h-1交會速度下沿高度方向氣動載荷極值

圖14 CR400AF型動車組350 km·h-1交會時沿高度方向氣動載荷極值

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(chǎn)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(jié)編組的CR400AF型動車組車-軌耦合動力學(xué)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(zhuǎn)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15 車-軌耦合簡化模型

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16 軌道不平順譜

通過仿真計算得到不同速度級下的輪軌垂向力，詳見表6。

表6 動車組不同速度級下的輪軌垂向力

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。

3 雨棚結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)

動車組交會通過雨棚時產(chǎn)生氣動載荷和輪軌力，2種外部載荷對雨棚結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)一步傳遞到雨棚結(jié)構(gòu)上，主要分析雨棚的振動響應(yīng)。

3.1 雨棚振動響應(yīng)影響因素

為了分析不同外部載荷對雨棚振動響應(yīng)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(yīng)結(jié)果見表7，其振動響應(yīng)云圖如圖17所示。

表7 雨棚振動響應(yīng)影響情況對比

圖17 雨棚振動響應(yīng)云圖

由表7和圖17可知：氣動載荷是引起雨棚振動響應(yīng)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(yīng)較大；輪軌力直接作用于鋼軌，通過鋼軌傳遞到軌道板并進(jìn)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(chǔ)，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(yīng)相對較小。

3.2 雨棚振動響應(yīng)規(guī)律

針對該雨棚特定結(jié)構(gòu)，選擇相對不利的位置進(jìn)行分析，其中中間跨跨度最大，端部跨只有一側(cè)有縱梁約束，另一側(cè)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(yīng)極值見表8。以表8的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，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(yīng)與車速關(guān)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(yīng)極值

圖18 雨棚變形與車速間關(guān)系

圖19 雨棚振動速度與車速間關(guān)系

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(yīng)與車速有關(guān)，車速越大雨棚振動響應(yīng)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(yīng)比動車組在雨棚中部交會時大，主要由于雨棚端部類似懸臂梁結(jié)構(gòu)，其剛度相對于中間跨的剛度稍弱，因此，雨棚端部振動響應(yīng)相對較大。

目前國內(nèi)尚未發(fā)布專門針對雨棚結(jié)構(gòu)振動限值的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50868—2013）[19]規(guī)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(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)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(dāng)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(yīng)也約與車速的平方成正比，車速越大振動響應(yīng)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(yīng)端部比中部大，而且振動響應(yīng)較大值出現(xiàn)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(yīng)的影響程度不同，相對而言，氣動載荷對雨棚振動響應(yīng)起主要作用。