橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道層間關(guān)鍵構(gòu)件的地震響應(yīng)規(guī)律及參數(shù)影響分析

馮玉林,蔣麗忠,周旺保,何彬彬,聶磊鑫,譚志化

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙 410075； 2.中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,長沙 410075；3.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,南昌 330013； 4.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

引言

CRTSⅡ型板式無砟軌道是中國特有的軌道結(jié)構(gòu)形式之一，大量的應(yīng)用在已建高速鐵路線路中。該軌道結(jié)構(gòu)放棄了長橋上無砟軌道必須設(shè)置斷縫并在梁端處斷開的原則，認(rèn)為底座板是主要受力構(gòu)件，各項(xiàng)設(shè)計(jì)均以底座板為核心開展。檢算荷載主要為二期恒載、基礎(chǔ)沉降、墩柱扭轉(zhuǎn)、活載、制動(dòng)/牽引、溫差、收縮和徐變等，而地震荷載并未檢算。由于我國地處歐亞與環(huán)太平洋地震帶，是地震發(fā)生最為活躍的國家之一，因此，明確軌道結(jié)構(gòu)中各關(guān)鍵構(gòu)件的地震響應(yīng)及損傷規(guī)律，是高速列車-橋梁-軌道耦合系統(tǒng)震后維修與運(yùn)營的基礎(chǔ)[1-3]。

目前，基于理論與計(jì)算機(jī)仿真的軌道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)已有大量研究：王炎等[4]、張永亮等[5-6]分別以某高速鐵路連續(xù)梁橋與簡支梁橋?yàn)檠芯繉ο螅⒘丝紤]軌道約束及摩擦效應(yīng)的“線橋一體化模型”，對延性與減隔震體系進(jìn)行非線性地震響應(yīng)分析，得出了軌道體系縱向剛度約束效應(yīng)對橋梁下部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響的結(jié)論。基于縮尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的軌道結(jié)構(gòu)的地震作用研究：Toyooka等[7]、Iemura等[8]、Petrangeli等[9]、Fitzwilliam等[10]、Kim等[11]進(jìn)行了鐵路橋梁的縮尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及理論分析，并建立了“線橋一體化模型”，研究了軌道結(jié)構(gòu)對橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，討論了軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的相互作用機(jī)理。高速鐵路橋梁無砟軌道系統(tǒng)的地震損傷的研究：Tecchio等[12]針對歐洲鐵路中占比較大的石拱橋，提出了完整的橋梁-軌道系統(tǒng)地震易損性分析流程。Park等[13-14]基于響應(yīng)面法提出了用于橋梁-軌道系統(tǒng)地震損傷的評估方法，可以有效地估計(jì)任意的橋梁-軌道系統(tǒng)的地震易損性[15-16]。

通常，高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)地震損傷主要關(guān)注基礎(chǔ)、墩柱和支座，但軌道結(jié)構(gòu)亦會(huì)發(fā)生破壞。目前對軌道結(jié)構(gòu)地震損傷研究已取得較多成果，但大多研究成果針對有無軌道、引橋跨數(shù)、地震動(dòng)特征、單一關(guān)鍵構(gòu)件及墩高等對高速鐵路橋梁-軌道系統(tǒng)的地震響應(yīng)的影響[17]，而考慮兩側(cè)引橋與路基的高速鐵路連續(xù)梁橋-軌道結(jié)構(gòu)的整體系統(tǒng)在地震作用下的損傷規(guī)律的研究較少。因此，本文采用有限元軟件ANSYS_APDL建立HBBSS仿真模型，分析HBBSS中各關(guān)鍵構(gòu)件的地震損傷規(guī)律及剛度不確定性對HBBSS地震響應(yīng)的影響規(guī)律。

1 HBBSS各關(guān)鍵構(gòu)件地震響應(yīng)規(guī)律

為明確HBBSS中各關(guān)鍵構(gòu)件的地震響應(yīng)及損傷規(guī)律，建立如圖1所示的考慮引橋與路基的高速鐵路連續(xù)梁橋-CRTSⅡ板式無砟軌道結(jié)構(gòu)整體系統(tǒng)，橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)見文獻(xiàn)[18]。CRTSⅡ板式無砟軌道系統(tǒng)各關(guān)鍵構(gòu)件包括扣件、剪切鋼筋、CA砂漿層、側(cè)向擋塊、剪力齒槽、滑動(dòng)層、硬質(zhì)泡沫塑料、端刺、摩擦板等[19]，現(xiàn)結(jié)合CRTSⅡ板式無砟軌道設(shè)計(jì)原理[2]及已有研究取各關(guān)鍵構(gòu)件參數(shù)[20-21]。選取近場EL Centro和Taft地震動(dòng)，地震輸入為一致激勵(lì)，并調(diào)幅至9度多遇、設(shè)計(jì)和罕遇[22]。限于篇幅，僅繪制罕遇地震作用下各關(guān)鍵構(gòu)件的坐標(biāo)里程-地震響應(yīng)幅值包絡(luò)圖，如圖2所示。

圖1 考慮引橋與路基的高速鐵路連續(xù)梁橋-CRTSⅡ板式無砟軌道結(jié)構(gòu)整體系統(tǒng)

圖2 HBBSS中各關(guān)鍵構(gòu)件地震響應(yīng)規(guī)律

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，兩種罕遇地震作用下，各關(guān)鍵構(gòu)件變形規(guī)律趨于一致。滑動(dòng)層產(chǎn)生的縱向變形最大，變形包絡(luò)圖峰值出現(xiàn)在橋跨的活動(dòng)支座處，最大變形峰值發(fā)生在連續(xù)梁右邊跨的活動(dòng)支座處，EL Centro波和Taft波作用下的最大變形峰值分別達(dá)33 mm和58 mm；由于固定支座處的剪力齒槽對滑動(dòng)層具有顯著的約束效應(yīng)，固定支座附近的滑動(dòng)層縱向變形較小。連續(xù)梁與引橋相比，其跨度更長、質(zhì)量更大、受到的地震慣性力更大，因此連續(xù)梁上的滑動(dòng)層縱向變形總體上比引橋上的滑動(dòng)層縱向變形更大。CA砂漿層的縱向變形包絡(luò)曲線關(guān)于跨中近似成正對稱分布，由于端刺及固定支座承受了極大的縱向力，端刺及固定支座處均出現(xiàn)縱向的顯著位移峰值，且縱向位移最大值出現(xiàn)在連續(xù)梁制動(dòng)墩上的固定支座處，EL Centro波和Taft波作用下的最大值分別為13 mm和34 mm；扣件的縱向變形規(guī)律與CA砂漿層相似，在端刺及固定支座處均出現(xiàn)縱向位移峰值，最大值出現(xiàn)在連續(xù)梁左邊墩上的支座附近，最大接近1 mm(EL Centro)，2 mm(Taft)；梁縫處的剪切鋼筋縱向變形最大峰值出現(xiàn)在右邊引橋的梁縫處，EL Centro波和Taft波作用下的最大值分別1.3 mm和7.5 mm；剪力齒槽縱向變形最大峰值出現(xiàn)在連續(xù)梁制動(dòng)墩上的固定支座處，最大僅為0.02 mm，因此剪力齒槽縱向變形可忽略。

圖3 HBBSS中各關(guān)鍵構(gòu)件損傷規(guī)律

綜上可知，CA砂漿及扣件縱向變形比滑動(dòng)層小，歸其原因?yàn)榛瑒?dòng)層類似橋面上浮體系，地震作用下滑動(dòng)層僅傳遞縱向摩擦力而產(chǎn)生較大位移，從而達(dá)到減震耗能的作用。此外，地震作用下連續(xù)梁制動(dòng)墩和非制動(dòng)墩均承受著較大的縱向剪力[23-25]。調(diào)整EL Centro波和Taft波的加速度峰值，并對3種水準(zhǔn)地震下各關(guān)鍵構(gòu)件的位移峰值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1、表2，其中9度罕遇地震下各關(guān)鍵構(gòu)件的內(nèi)力-位移關(guān)系曲線如圖3所示。表1、表2中變形系數(shù)為地震下各關(guān)鍵構(gòu)件的變形峰值/彈性限值(變形峰值為地震作用下各關(guān)鍵構(gòu)件的進(jìn)入非線性后的位移的最大值；彈性限值為各關(guān)鍵構(gòu)件本構(gòu)模型屈服點(diǎn)對應(yīng)的位移值)。由圖3、表1及表2可知，在3種水準(zhǔn)EL Centro和Taft地震動(dòng)作用下，各關(guān)鍵構(gòu)件出現(xiàn)損傷的順序基本一致，即滑動(dòng)層、CA砂漿和剪切鋼筋；剪力齒槽和扣件在設(shè)計(jì)水準(zhǔn)下未損傷。對于變形系數(shù)較大的構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

表1 3種水準(zhǔn)下各關(guān)鍵構(gòu)件縱向變形程度(EL Centro)

表2 3種水準(zhǔn)下各關(guān)鍵構(gòu)件縱向變形程度(Taft)

2 HBBSS各關(guān)鍵構(gòu)件剛度變化對體系地震響應(yīng)的影響分析

豎向剛度保持不變，對不同水平剛度的各關(guān)鍵構(gòu)件在9度罕遇地震作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖4中，kca、kjq、kkj、kcc、kdc和khd分別為CA砂漿層、剪切鋼筋、扣件、剪力齒槽、端刺與滑動(dòng)層的水平剛度。

由圖4可看出：對扣件地震響應(yīng)的影響最顯著是扣件剛度值，影響幅度達(dá)218%，其次是CA砂漿，影響幅度達(dá)148%，滑動(dòng)層和剪切鋼筋的影響幅度分別達(dá)到51%和35%，而端刺和剪力齒槽對扣件地震響應(yīng)的影響很小；對剪力齒槽地震響應(yīng)影響最大的是剪力齒槽剛度值，影響幅度達(dá)101%， 其次是滑動(dòng)層和CA砂漿，影響幅度達(dá)14%，剪切鋼筋、扣件及端刺對剪力齒槽地震響應(yīng)的影響均很小；對CA砂漿地震響應(yīng)影響最大的也是CA砂漿剛度值，影響幅度達(dá)320%，其次剪切鋼筋為90%，滑動(dòng)層為40%，而扣件、端刺及剪力齒槽均很小。對滑動(dòng)層地震響應(yīng)影響最大的是剪力齒槽剛度值，影響幅度達(dá)100%，其次滑動(dòng)層和CA砂漿為10%左右，剪切鋼筋、扣件及端刺的影響均很小；對剪切鋼筋地震響應(yīng)影響最大的是CA砂漿，影響幅度高達(dá)390%，其次剪切鋼筋為133%，滑動(dòng)層為30%，扣件、剪力齒槽及端刺的影響均很小。

圖4 各關(guān)鍵構(gòu)件剛度不確定性對體系地震響應(yīng)的影響

綜上所述，CA砂漿和滑動(dòng)層對各關(guān)鍵構(gòu)件地震響應(yīng)均有顯著的影響，CA砂漿層的影響尤為突出；此外，剪切鋼筋對CA砂漿及其自身的地震響應(yīng)也有一定的影響，究其原因?yàn)榧羟袖摻钍菍④壍腊濉A砂漿層及底座板聯(lián)系在一起的層間關(guān)鍵抗剪構(gòu)件。因此，CA砂漿、滑動(dòng)層及剪切鋼筋是各關(guān)鍵構(gòu)件地震響應(yīng)的重要影響因素，在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意。

3 結(jié)論

建立了考慮鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿、底座板、滑動(dòng)層、橋梁、側(cè)向擋塊、固結(jié)機(jī)構(gòu)、大小端刺等的考慮引橋與路基的高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道-連續(xù)梁橋仿真模型，探討了橋上CRTSⅡ型無砟軌道層間關(guān)鍵構(gòu)件地震響應(yīng)規(guī)律，結(jié)論如下。

(1)在3種地震強(qiáng)度下，進(jìn)入損傷的關(guān)鍵構(gòu)件按變形系數(shù)大小可劃分為滑動(dòng)層、CA砂漿和剪切鋼筋。剪力齒槽和扣件在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的地震動(dòng)烈度下很難出現(xiàn)損傷。對于變形系數(shù)較大的構(gòu)件，在設(shè)計(jì)分析時(shí)應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

(2)CA砂漿的縱向變形包絡(luò)曲線關(guān)于跨中近似成正對稱分布，由于端刺及固定支座承受了極大的縱向力，端刺及固定支座處均出現(xiàn)縱向極大位移峰值，且縱向位移最大值出現(xiàn)在連續(xù)梁制動(dòng)墩上的固定支座處。

(3)CA砂漿、滑動(dòng)層及剪切鋼筋的剛度變化對各關(guān)鍵構(gòu)件的地震響應(yīng)具有顯著影響，是各關(guān)鍵構(gòu)件地震響應(yīng)的重要影響因素，在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意。

(4)地震作用下滑動(dòng)層及滑動(dòng)支座產(chǎn)生較大幅值的縱向滑移且滯回曲線中有較多的往復(fù)作用，從而具有顯著的地震耗能作用。

(5)隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大，各關(guān)鍵構(gòu)件的地震變形系數(shù)顯著增大。