考慮地震行波效應的高鐵連續梁橋梁軌互制

閆 斌, 戴公連, 魏 標

(中南大學 土木工程學院，長沙 410075)

較之于普通鐵路橋，高速鐵路橋對平順性要求更高，橋梁剛度更大，其梁軌互制問題成為橋梁和軌道設計的重要課題之一。而對于地震作用下的梁軌相互作用，國內外研究相對較少[1-4]。既有研究中，有的未考慮梁軌之間的非線性作用，有的研究對象僅為聯絡線橋，研究的橋型多為簡支梁橋，且均未考慮行波效應的影響。

本文采用帶剛臂的梁單元模擬梁體，用非線性桿單元模擬梁軌接觸，采用大質量法考慮地震動的非一致激勵，以滬昆高速鐵路線上某(60+100+60)m大跨度連續梁橋為算例，建立了考慮行波效應的無縫線路與連續梁橋一體化模型。分析了在縱向和豎向非一致激勵下，軌道、梁體和橋梁制動墩的受力特點，并對相關參數進行了敏感性分析。

1 考慮行波效應的梁軌模型及計算參數

1.1 非一致激勵的梁軌相互作用模型

假設軌道橫向與橋梁不發生相對位移，豎向采用線性彈簧模擬扣件豎向剛度，縱向采用截面積和單元長度均為1的雙線性桿單元模擬梁軌非線性作用。豎向無載時，無砟軌道線路阻力參照式(1)取值[5]：

(1)

其中，r(kN/m)為線路縱向阻力，u(mm)為梁軌相對位移。

在橋梁范圍外各模擬200 m路基上的鋼軌，以減小邊界條件的影響[6]。

采用該模型計算單線50 m簡支梁橋上有砟軌道縱向力，與相關文獻的實驗數據對比，鋼軌縱向力誤差為1%～4%，梁軌相對位移誤差為1%，證明該模型可較為準確地模擬梁軌相互作用[7]。

在計算地震作用下結構的動力響應時，采用多點激勵的大質量法：釋放橋墩支承點和路基點在激勵方向上的約束，在各點附加一個大質量單元(其質量ML取為結構總質量的10e6倍)，在支承點和路基點上施加動力時程Pb以模擬基礎運動[8-9]。

(2)

建立的梁軌相互作用模型見圖1。

圖1 本文建立的有限元模型

1.2 工程算例及計算參數

以滬昆高速鐵路線上某(60+100+60)m大跨度連續箱梁為算例，橋面寬12.2 m，跨中合攏段梁高4.53 m。橋上鋪設雙線無砟軌道，鋼軌采用60 kg/m軌，線路縱向阻力按式(1)取值，二期恒載130 kN/m，橋墩為圓端性RC墩，在計算時，設橋臺高1 m，橋墩高為30 m，墩底固結，見圖1。

水平地震波選用El Centro波和天津波，分別對應三類場地和四類場地，豎向地震波按水平地震波的65%計[10]。在計算行波效應時，僅考慮不同支承點輸入時間上的差異，路基點采用與相鄰橋臺處相同的激勵，視波速取為1 000 m/s。

阻尼比h為0.05，Rayleigh阻尼系數α和β按式(3)取值：

(3)

其中w1和w2為第一階和對結構縱向或豎向振型貢獻最大的一階頻率。

2 軌道結構對橋梁地震響應的影響

考慮和不考慮軌道時，分別對結構進行模態分析，前10階自振頻率及振型特征見表1。

表1 考慮與不考慮軌道時系統的自振特性

注：在模態分析時，不考慮桿單元的非線性。

由表1可知，軌道的存在大大提高了系統一階自振頻率。而軌道在第9階時出現了局部振動，說明軌道對于結構的高階振動較為敏感。

圖2 軌道對橋梁地震響應的影響

分別計算El Centro波和天津波(加速度峰值均調整為0.3 g)的水平向一致激勵作用下橋梁的軸力和墩頂水平力，由于地震動的頻譜特性，梁軌系統對接近其自振頻率的天津波較為敏感。

考慮軌道時，梁體和橋墩的受力均有明顯下降，證明軌道對地震動能有一定的耗散作用。圖2(a)顯示了兩種地震波一致激勵下，軌道對連續梁軸力的影響，圖2(b)為El Centro波一致激勵下，制動墩墩頂水平力的時程曲線。

3 縱向行波效應下的梁軌相互作用

為考察縱向(順橋向)行波效應對梁軌受力的影響，分別計算視波速為500～2 000 m/s時的鋼軌應力及制動墩頂水平力，與一致激勵(相當于視波速為∞時)下的地震響應作對比，見圖3(El Centro波，下同)。

圖3 視波速對梁軌受力的影響(縱向激勵)

地震作用下，鋼軌縱向力在連續梁兩端橋臺處取得最大值。考慮行波效應時，鋼軌縱向力有所提高，增幅約為20%，隨著視波速的降低，鋼軌縱向力略有減小。行波效應對制動墩的受力是有利的，隨著視波速的降低，制動墩所受水平力也降低。

4 設計參數對縱向行波效應的影響

行波效應分析的主要設計參數除前面涉及的地震波類型、視波速外，還包括線路縱向阻力及下部結構剛度等。

4.1 線路阻力的影響

為比較線路阻力對梁軌系統地震響應的影響，參照文獻[5]，將有砟軌道的線路阻力按式(4)取值：

(4)

與無砟軌道阻力模型的計算結果對比見圖4。

隨著線路阻力的增加，梁軌之間相互作用增強，軌道將從橋梁上獲得更多的動能，使得鋼軌受力有大幅度的增加。對本橋而言，行波效應下無砟軌道最大應力約為有砟軌道的2.08倍。

圖4 線路阻力對鋼軌縱向力的影響

對制動墩而言，橋上鋪設無砟軌道時其所受水平力略有減小，為7 956 kN，約為鋪設有砟軌道時的92%。

4.2 橋墩剛度的影響

為考察橋墩剛度對行波效應下梁軌地震響應的影響，假設橋墩截面特性保持不變，僅將橋墩高度進行調整，調整幅度為10～50 m。分析結果顯示：隨著橋墩剛度的增大，制動墩相鄰橋臺處鋼軌縱向力有所降低，墩頂水平力增大。圖5顯示了橋墩高度對行波效應下鋼軌縱向力的影響。

圖5 橋墩高度對鋼軌應力的影響

5 豎向行波效應下的梁軌相互作用

現有研究中，在檢算墩臺受力時，通常僅對橋梁進行縱向一致激勵[3,11]。本文還考慮了豎向地震對梁軌互制作用的影響。

對制動墩受力而言，豎向地震的行波效應與一致激勵下計算結果相差不大，均為1 000 kN左右。但豎向地震對鋼軌應力影響較大。圖6列舉了在視波速為500～1 500 m/s時豎向地震波產生的鋼軌縱向力。

圖6 豎向行波效應對鋼軌縱向力的影響

隨著視波速的降低，鋼軌縱向力有大幅度增加，最大可達縱向行波效應激勵下的20%，因此，在檢算鋼軌強度和穩定性時，應考慮豎向行波效應的影響。

6 結 論

對于鋪設無縫線路的高速鐵路連續梁橋，可采用本文所述的方法分析行波效應下的梁軌地震響應。

軌道的存在可一定程度上提高系統基頻，起到耗能作用，降低橋梁和墩臺的地震響應。

與一致激勵相比，縱向行波效應作用下，鋼軌縱向力最大值可增加20%，連續梁制動墩受力有所減小。當線路阻力減小，橋墩剛度增大時，可減少行波效應下的鋼軌受力。

在檢算墩臺和鋼軌時，除應計算縱向地震波的行波效應外，還應考慮豎向地震波行波效應的影響。

參 考 文 獻

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