鐵路減隔震橋梁軌道地震反應(yīng)分析

肖質(zhì)江 王 斌

(1.金華市交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，浙江金華 321015;2.浙江八詠公路工程有限公司，浙江金華 321015)

鐵路橋梁與建筑結(jié)構(gòu)和公路橋梁不同，鐵路橋梁有列車行駛的安全性和舒適性的要求，為了滿足這一特別要求，鐵路橋梁必須保證在地震動作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)較小。由于對地震位移響應(yīng)的要求，減隔震技術(shù)在鐵路橋梁上的應(yīng)用還不是很多。國內(nèi)外學(xué)者通過對鐵路減隔震橋梁的地震反應(yīng)研究，驗證了減隔震設(shè)計方法在鐵路橋梁抗震設(shè)計中的應(yīng)用［1-3］，但是對軌道的地震反應(yīng)研究還很不充分。本文以我國高速鐵路客運(yùn)專線上一座采用E型鋼阻尼支座的32 m簡支梁橋為對象，建立了橋梁結(jié)構(gòu)的非線性計算模型，并進(jìn)行地震反應(yīng)分析，研究軌道約束對鐵路減隔震橋梁地震反應(yīng)的影響以及地震作用下鋼軌的橫向彎曲與殘余變形，為鐵路減震橋梁的抗震設(shè)計提供參考。

1 橋梁及計算模型

本文選取如圖1所示的高速鐵路減震橋梁為工程背景進(jìn)行研究，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。橋梁孔徑布置為9×32 m，墩高10.5 m～42 m，采用E型鋼阻尼構(gòu)件組合作為減隔震支座。為分析軌道的約束效應(yīng)及地震反應(yīng)規(guī)律，采用MIDAS Civil建立了如圖2所示的軌道—橋梁—減隔震支座的非線性計算模型，減隔震支座和軌道扣件采用雙直線彈簧單元，鋼軌采用雙直線非線性梁單元模擬、主梁和橋墩用線彈性梁單元，全橋離散為1 532個梁單元和2 321個彈簧單元。

根據(jù)橋梁的實際設(shè)計參數(shù)采用如圖3所示的雙直線彈簧單元來模擬E型鋼阻尼元件的力學(xué)性能，圖3中Fy為屈服力，F(xiàn)d為設(shè)計力，Dy為屈服位移，Dd為設(shè)計位移。本文所選取分析的支座屈服力為800 kN，屈服位移和設(shè)計位移分別為10 mm和100 mm。

在線橋一體化計算模型中，鋼軌和箱梁之間的連接扣件采用彈簧單元來模擬，扣件彈簧的力學(xué)特性由道床阻力決定。道床阻力包括軌枕與道床間的摩擦阻力和軌枕盒內(nèi)道砟抗推力。道床阻力與軌枕類型及道砟密實程度、材質(zhì)、顆粒級配、道床斷面形狀等有關(guān)。對于無砟軌道來說，道床縱向阻力取扣件縱向阻力;有砟軌道除采用小阻力扣件地段外線路縱向阻力取道床縱向阻力，鋪設(shè)小阻力扣件地段的道床縱向阻力取扣件縱向阻力，線路縱向阻力具有結(jié)構(gòu)相關(guān)性及離散性［4］。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)資料，道床縱向阻力—位移關(guān)系可采用如圖4所示的理想彈塑計算模型，圖4中Fμ為道床阻力系數(shù)，當(dāng)軌道與道床的相對位移超過2 mm左右時阻力不再增加。本文參考文獻(xiàn)［5］的研究成果，道床阻力系數(shù)取為20 kN/m。

2 輸入地震波

本文非線性動力時程分析選用具有代表性的兩條歷史地震波作為地震動輸入，分別為 El Centro波和臺灣集集地震波(TCU052)。為了便于對比分析，將兩條地震波的加速度峰值均調(diào)整至0.3g，相當(dāng)于設(shè)計地震烈度為8度。圖5為兩條地震波的加速度時程曲線，圖6為峰值加速度調(diào)整為0.3g時的加速度反應(yīng)譜曲線。

3 計算結(jié)果

3.1 軌道約束對墩底剪力的影響

本文分別以順橋向和橫橋向的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)為對象進(jìn)行分析。圖7給出了兩條地震波作用下橋梁墩底剪力的地震響應(yīng)。圖7中水平軸為橋墩號，豎軸為未考慮軌道影響的墩底最大剪力與考慮軌道影響的結(jié)果之比。從計算結(jié)果可以看出，軌道約束對橫橋向的墩底最大剪力影響較小，對順橋向的墩底剪力影響較大，且對邊跨的橋墩影響程度大于中跨橋墩。分析原因主要是因為鋼軌與梁體的縱向連接剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向連接剛度。

3.2 軌道約束對支座變形的影響

圖8給出了兩條地震波作用下支座變形的地震響應(yīng)。圖8中水平軸為支座編號，豎軸為未考慮軌道影響的支座最大位移與考慮軌道影響的結(jié)果之比。從計算結(jié)果可以看出，軌道約束對支座橫橋向變形的影響較小，對順橋向變形的影響較大，且對邊跨的橋墩影響程度大于中跨橋墩。同時可以看出，受橋墩高度的影響，軌道對不同橋墩處的支座位移影響規(guī)律略有差異。

3.3 震后軌道變形計算結(jié)果

考慮到震后軌道橫向變形主要由軌道塑性變形及梁軌間的扣件殘余變形引起，本文分別分析了扣件單元的力—位移和鋼軌單元的彎矩—曲率的履歷曲線。圖9給出了地震作用下8號，9號支座間鋼軌的M—Ψ曲線和扣件的F—Δ曲線。從圖9中可以看出鋼軌扣件產(chǎn)生了較大的位移并且進(jìn)入了塑性工作狀態(tài)，而鋼軌單元則處于彈性工作狀態(tài)。近場地震及遠(yuǎn)場地震對結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)的影響相同。由此可見，震后鋼軌的變形主要取決于扣件的力學(xué)特性。

4 結(jié)語

本文以高速鐵路客運(yùn)專線上采用E型鋼阻尼構(gòu)件組合作為減震支座的簡支梁橋為對象，探討了軌道約束對橋梁地震響應(yīng)的影響，通過多條地震波輸入時的計算結(jié)果分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)軌道約束對鐵路減震橋梁橫橋向地震響應(yīng)的影響較小，對順橋向地震響應(yīng)的影響較大，對支座位移的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對墩底剪力的影響，距離橋臺越近，影響程度越明顯;2)地震后，鋼軌扣件產(chǎn)生了較大的位移并且進(jìn)入了塑性工作狀態(tài)，而鋼軌則處于彈性工作狀態(tài)。震后鋼軌的變形主要取決于扣件的殘余變形，軌道變形在梁端最大，跨中幾乎無變形，中跨橋墩處軌道變形大于邊跨橋墩處軌道變形;3)不同地震波對橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響規(guī)律是不同的，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)主要和自身自振特性以及地震波的加速度反應(yīng)譜的卓越周期有關(guān)，在設(shè)計時，盡量使得結(jié)構(gòu)自振周期避開地震波的卓越周期。

［1］張 駿，湯勁松.鐵路簡支梁橋支座的減震性能研究［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，2002(1):64-69.

［2］張 駿，閻貴平.減隔震支座對梁式橋抗震性能的影響［J］.中國公路學(xué)報，2002(1):41-46.

［3］趙 偉，薛素鐸，李雄彥，等.摩擦擺支座的滑道半徑對結(jié)構(gòu)隔震性能影響分析［Z］.2007.

［4］中華人民共和國鐵道部.鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范報批終稿［S］.

［5］謝 旭，王 炎，陳 列.軌道約束對鐵路減隔震橋梁地震響應(yīng)的影響［J］.鐵道學(xué)報，2012(6):75-82.