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地铁列车行驶激励下站房结构振动响应分析
摘要
本文以地铁列车行驶所产生的激励下站房结构振动响应问题为研究对象，采用有限元方法对其进行了数值仿真分析。通过对站房结构的耦合振动模型的建立及计算，得到了站房结构在不同频率下的振动响应状况，并探讨了地铁列车行驶速度、站房结构材料等对振动响应的影响。研究表明，地铁列车行驶激励会对站房结构产生明显的振动影响，产生的振动响应主要集中在较低频率段，但随着地铁列车速度的提高，振动响应也会相应增强，严重时可能会对站房结构产生破坏性影响。因此，在站房结构的设计与施工中，需要重视地铁列车行驶激励对结构的影响，采取相应的措施加以减弱。
关键词：地铁列车；站房结构；振动响应；有限元分析
1.引言
近年来，随着地铁交通的快速发展，地铁站作为地铁线路的重要节点，起到了极其重要的作用。在地铁车辆运行时，由于地铁列车与轨道的接触和行驶的动能，会产生一定的振动作用，进而导致站房结构发生振动。这种振动作用不仅对地铁站房的结构安全产生直接影响，也会影响到站内旅客的舒适度和安全性。因此，对地铁列车行驶激励下站房结构的振动响应问题进行研究，对地铁工程的设计与施工具有重要意义。
本文以地铁列车行驶激励下站房结构振动响应问题为研究对象，采用有限元方法对其进行了数值仿真分析。通过对站房结构的耦合振动模型的建立及计算，得到了站房结构在不同频率下的振动响应状况，并探讨了地铁列车行驶速度、站房结构材料等对振动响应的影响。研究表明，地铁列车行驶激励会对站房结构产生明显的振动影响，产生的振动响应主要集中在较低频率段，但随着地铁列车速度的提高，振动响应也会相应增强，严重时可能会对站房结构产生破坏性影响。因此，在站房结构的设计与施工中，需要重视地铁列车行驶激励对结构的影响，采取相应的措施加以减弱。
2.有限元模型的建立
2.1站房结构模型
本文选取了一座三层的地铁站房结构作为研究对象，其平面布置如图1所示。
图1站房结构平面布置
整个站房结构由主体结构和地基基础组成。主体结构包括框架结构和钢筋混凝土楼板，地基基础为承台式基础。
本文采用ANSYS有限元软件对站房结构进行了建模。将整个站房结构分解为一个个小单元进行建模，采用六面体单元（SOLID185）对钢筋混凝土部分进行建模，采用结构单元（LINK8）对框架结构及铰支作用进行建模，承台式基础采用弹性地基单元（SPRING5）进行建模。
2.2轨道-地铁车辆运动-站房结构耦合模型
在地铁列车行驶过程中，由于列车与轨道间的接触作用，会产生一定的横向和纵向振动。这种振动作用会向地铁车辆内部传递，进而影响到站房结构的振动响应。
因此，本文将轨道-地铁车辆运动-站房结构视为一个耦合振动系统（图2），其中轨道系统与地铁车辆运动系统由轨道间隙、轨道、轮对和车体等构成，站房结构系统由主体结构和地基基础构成。结构系统与地铁车辆运动系统之间通过轮轨冲击力进行耦合。在数值求解中，采用单向迭代法进行求解。
图2轨道-地铁车辆运动-站房结构耦合模型
3.数值分析与结果
通过对有限元模型进行求解，得到了不同参数下的站房结构的振动响应。
3.1车速对振动响应的影响
模拟了不同车速下站房结构的横向振动响应（图3），可以看出随着车速的提高，站房结构的响应振幅也相应增大。
图3车速对站房结构横向振动响应的影响
3.2材料参数对振动响应的影响
模拟了不同材料参数下站房结构的振动响应（图4），发现不同材料参数下的响应差异并不明显。但是，随着材料弹性模量的增大，结构的刚度增加，响应振幅减小。因此，在实际工程中应选择合适的材料参数，以保证结构的稳定性和安全性。
图4材料参数对站房结构振动响应的影响
4.结论
通过对地铁列车行驶激励下站房结构的振动响应问题进行研究，本文得出了以下结论：
（1）地铁列车行驶激励会对站房结构产生明显的振动影响，产生的振动响应主要集中在较低频率段，但随着地铁列车速度的提高，振动响应也会相应增强，严重时可能会对站房结构产生破坏性影响。
（2）选择合适的材料参数，可以降低结构的响应振幅。
因此，在地铁站房结构的设计与施工中，需要重视地铁列车行驶激励对结构的影响，采取相应的措施加以减弱。同时，在材料选择和结构设计中，应该充分考虑耐久性和振动响应特性，以确保站房结构的安全和可靠性。