(48+80+48) m連續梁橋與軌道系統地震響應規律研究

黃興

(中鐵四局集團第五工程有限公司，江西九江　332000)

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(48+80+48) m連續梁橋與軌道系統地震響應規律研究

黃興

(中鐵四局集團第五工程有限公司，江西九江332000)

摘要:為研究高速鐵路連續梁橋－軌道系統地震響應規律，采用非線性彈簧模擬線路縱向阻力，建立考慮軌道及下部結構的(48+80+48) m連續梁橋-軌道系統仿真模型，分析溫度、活載和制動作用下橋上無縫線路梁軌相互作用縱向力分布規律，在此基礎上，研究地震作用下連續梁橋－軌道系統動力響應特性。研究表明:溫度、活載及列車制動作用下梁軌相對位移、鋼軌應力等均在橋臺附近取得極大值，地震頻譜特性對梁軌系統動力響應有很大的影響。關鍵詞:高速鐵路;連續梁橋;線路縱向阻力;梁軌相互作用;地震響應

近年來，我國高速鐵路發展迅速，為節約耕地、避免不良地質的影響，往往采用以橋代路的設計理念。我國高速鐵路中橋梁長度占線路長度的比例達50%以上。我國高速鐵路橋上廣泛采用無縫線路技術，以改善橋梁運營條件，提高列車運行的平穩性。

目前我國西南地區(地震帶)正開展大規模的高速鐵路建設，山區高速鐵路橋梁與軌道結構面臨著地震災害的嚴峻考驗。因此，有必要研究不同頻譜特性地震作用下大跨度連續梁橋與軌道系統相互作用動力響應規律的影響。

1　概述

1.1梁軌相互作用

在溫度、活載和列車制動作用下，橋梁與軌道系統發生相對位移，由于梁軌之間的非線性約束，導致橋梁與軌道之間有非線性相互作用。在地震力的作用下，橋梁發生縱向位移，帶動軌道結構發生變形，產生相互作用力，一方面影響鋼軌受力，一方面影響墩臺產生位移。即在地震力作用下也應該考慮梁軌相互作用問題。

1.2國內外研究現狀

UIC規范［1］和德國規范［2］，在歐洲各國對高速鐵路的研究結果以及建設的基礎上，提出了橋上無縫線路的檢算方法。并通過簡化公式來估算橋梁墩臺受力以及無縫線路縱向力。

美國的Fitzwilliam［3］建立小跨度簡支梁和長聯連續梁橋－軌道系統有限元模型，用線性彈簧來模擬梁軌的接觸。分析了地震、撓曲和制動作用下的道岔上無縫線路縱向力。

閆斌［4］也詳細介紹了中小跨度簡支梁橋和連續梁橋在地震力作用下的系統響應，并分析了各種因素對梁軌相互作用的影響。

王炎［5］對鐵路橋梁的抗震設計理論、地震易損性和橋梁的抗震性能等做了系統的研究，分析了在地震力作用下軌道的橫向彎曲以及殘余變形的特征。

嚴猛［6］等學者研究了縱向地震力引起大跨度橋梁上無縫線路的響應。分析了地震波頻譜特性和梁體溫差對鋼軌縱向力的影響。

2　大跨度連續梁橋－軌道相互作用仿真模型

假定梁軌間不發生橫向相對位移，采用梁單元模擬鋼軌;采用縱向非線性彈簧模擬梁軌間的非線性作用，線性彈簧模擬軌道豎向剛度，采用帶剛臂的梁單元模擬梁高;偏安全起見，采用扣件阻力來代替線路阻力。線路縱向阻力［7］(kN/m)公式如下

式中r——梁軌縱向約束阻力;

u——梁軌相對位移。

所建的連續梁橋-軌道系統模型如圖1所示。

圖1　連續梁橋-軌道系統力學模型

3　大跨度連續梁橋上無縫線路縱向力分布規律

通過計算溫度、活載、制動力作用下的連續梁橋－軌道系統對應的鋼軌應力、梁軌相對位移、墩頂水平力和墩頂位移來反映大跨度連續梁橋無縫線路縱向力的分布規律［8］。

3.1伸縮力

橋梁梁體在溫度［8］變化作用下會沿著縱向發生伸縮變形，在梁和軌之間產生相對位移，由于梁軌之間的非線性約束阻力作用，會在軌道結構內部產生縱向力，稱為伸縮力。根據我國的高速鐵路線路規范將溫度荷載［9］取為15℃，施加于橋梁梁體。計算結果如圖2所示。

圖2　伸縮力計算結果

由于固定支座左側溫度跨度較大，故在左側的梁端處鋼軌應力取得最大值，為58 MPa(壓應力) ;梁軌相對位移也取得最大值，為7 mm;制動墩收到的墩頂水平力為414 kN，發生8 mm的位移。

3.2撓曲力

在列車豎向荷載作用下，梁體將會發生撓曲，其橋面除了發生豎向撓曲變形外，還會產生縱向變形，從而引起橋梁與軌道相互作用，即撓曲力。豎向荷載采用ZK活載(0.8UIC)中的均布荷載(64 kN/m)，方向為豎直向下。根據豎向荷載加載位置的不同，設置了如圖3所示的撓曲力5種工況，計算其鋼軌應力包絡、梁軌相對位移最大值、墩頂縱向水平力和墩頂位移，計算結果見圖4。

圖3　撓曲力5種工況加載方式

3.3制動力

列車在橋面制動［10］減速或牽引加速時，鋼軌頂面將會受到列車摩擦力的作用，導致梁軌發生相互作用，其在梁軌中引起的縱向力稱為制動力。根據UIC規范，制動力率取為0.25，方向與列車制動方向相反，制動力加載的范圍為300 m，施加在鋼軌單元上。根據列車在鋼軌上制動時所作位置的不同，設置了如圖5所示的6種工況。計算其鋼軌應力包絡、梁軌相對位移最大值、墩頂縱向水平力和墩頂位移，計算結果見圖6。

圖4　撓曲力計算結果

圖5　制動力6種工況加載方式

圖6　制動力計算結果

制動力不同工況的鋼軌應力主要在橋梁兩端處集中;梁軌相對位移最大值在跨中位置;當制動力荷載加載在橋梁上的范圍是一樣的工況，其墩頂水平力和位移數值相差很小，并且隨著荷載加載在橋梁上范圍的增大而增加，并且鋼軌應力和梁軌相對位移幾乎相等。

4　大跨度連續梁橋-軌道系統地震響應規律

在橋梁單元添加130 kN/m，方向豎直向下的靜力荷載來模擬均布二期恒載，將荷載轉化質量考慮。

進行連續梁橋－系統模型特征值分析，得到模型的自振周期，瑞利阻尼c［11］可通過下式計算

式中ζ——阻尼比;

k——碰撞剛度，一般可取為梁體軸向抗壓剛度;

r——恢復系數，混凝土材料可取為0.65;

m1，m2——碰撞單元兩端梁體的質量。

選取Nridgel、Holly_v和James_t 3種不同的地震波［12］，施加于計算模型，分析地震作用下梁端鋼軌應力、梁軌相對位移、墩頂縱向水平力和墩頂位移。以Nridgel地震波為例，其計算結果如圖7所示。

圖7　地震作用下連續梁橋－軌道系統相互作用計算結果

地震作用下鋼軌應力和梁軌相對位移最大值都出現在橋梁梁端附近，為150 MPa，跨中位置梁軌相對位移較小，為0.008 mm。

梁端鋼軌應力、墩頂縱向水平力和墩頂位移出現峰值的時刻與地震波的頻譜特性［13］有關。

對比3種地震波的作用下的連續梁橋－軌道系統相互作用的結果參數，結果見表1。

5　結語

本文通過調研國內外對梁軌相互作用的研究現狀，建立了無砟軌道-(48+80+48) m預應力混凝土連續梁橋的有限元模型，設置了多種伸縮力、制動力和撓曲力加載工況，分析得到了鋼軌應力、墩頂水平力、墩頂水平位移以及梁軌相對位移在各工況作用下的分布規律。

研究了大跨度連續梁橋－軌道系統的地震響應規律，討論不同地震波對橋梁與軌道系統受力和變形的影響。對于本橋而言，Holly_v地震波作用下的鋼軌應力和梁端鋼軌應力最大，分別為300.1 MPa和287.9 MPa。Nridgel地震波作用下的梁軌相對位移最大，為0.01 mm。James_t地震波作用下墩頂縱向水平力和墩頂位移最大，分別為57.1 kN和0.14 mm。

對于連續梁橋無縫線路的相互作用問題，還可以進一步深入研究，可以考慮連續梁橋與其他中小跨度簡支梁共同組成一個多跨的橋梁與軌道系統進行研究。并在進行地震響應分析時，可以改變地震波的一些參數如地震周期等來研究其動力響應規律。

參考文獻:

［1］Union Interationale Des Chemins De Fer U.UIC 774－3 Track/bridge interaction.Recommendations for calculations［S］.Paris:International Union of Railways，2001.

［2］聯邦德國鐵路管理總局.DS 899/59鐵路新干線上橋梁的特殊規程［S］.張健峰，譯.武漢:鐵道部大橋工程局，1985.

［3］Fitzwilliam D.Track structure interactions for the Taiwan High Speed Rail project:IABSE2003［C］.IABSE，2009.

［4］閆斌.高速鐵路中小跨度橋梁與軌道相互作用研究［D］.長沙:中南大學，2013.

［5］王炎.鐵路減隔震橋梁地震反應分析及易順性研究［D］.杭州:浙江大學，2013.

［6］嚴猛，魏賢奎，王平，等.大跨度橋上無縫線路縱向地震響應研究［J］.鐵道學報，2014，36(5):2-7.

［7］閆斌，戴公連，粟淼.考慮軌道約束的高速鐵路簡支梁碰撞效應研究［J］.橋梁建設，2014，44(6):24-28.

［8］羅雁云，朱劍月，馮奇.不同溫度力下無縫線路鋼軌振動特性分析［J］.力學季刊，2006(2):2-4.

［9］郭成滿，任娟娟，楊榮山，等.橋梁溫度跨度對雙塊式無砟軌道無縫線路的影響研究［J］.鐵道標準設計，2015，59(3):59-63.

［10］熊震威，王平.列車制動對剛構橋上無縫線路梁軌相對位移的影響［J］.鐵道標準設計，2013(10):10-14.

［11］閆斌，戴公連，徐慶元.行波效應下鐵路簡支梁橋梁軌系統地震響應［J］.振動工程學報，2013，26(3):357-362.

［12］董擎.大跨度連續梁橋減震方案對比分析［J］.鐵道標準設計，2015，59(2):65-68.

［13］羅澤輝.行波效應對大跨度斜拉橋的隨機地震響應分析［J］.鐵道標準設計，2015，59(6):88-92.

Research on Seismic Response of (48+80+48) m Continuous Girder Bridge and Track System

HUANG Xing
(The 5th Engineering Co.，Ltd.of CTCE，Jiujiang 332000，China)

Abstract:To investigate seismic response rule of high-speed rail continuous girder bridge and track system，this paper uses nonlinear spring to stimulate longitudinal impedance of railway line to build a stimulation model for (48+80+48) m continuous girder bridge and track system，and analyzes the rule of longitudinal force distribution on the jointless track under the effects of temperature，live load and braking.On this basis，further study is conducted on the response characteristics of dynamic system under the influence of seismic action.The research results show that the relative displacement between beam and rail and the rail stress gain their maximums respectively near the abutment under the effects of temperature，live load and braking，and the frequency spectrum of earthquake has a bigger impact on dynamic responses of beam-rail system.

Key words:Rapid transit railway; Continuous beam bridge; Line longitudinal resistance; Interaction between beam and rail; Seismic response

作者簡介:黃興(1992—)，男，助理工程師，2015年畢業于中南大學土木工程專業，工學學士，E-mail:1922137160@ qq.com。

基金項目:中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2014G001-D)

收稿日期:2015-07-23;修回日期:2015-08-20

文章編號:1004-2954(2016) 03-0078-04

中圖分類號:U441+.7

文獻標識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.017