高鐵橋上線路約束作用對(duì)主梁地震響應(yīng)的影響

李雪紅，林珊，闞正明，徐秀麗，王蕊

（南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京211816）

高鐵橋上線路約束作用對(duì)主梁地震響應(yīng)的影響

李雪紅，林珊，闞正明，徐秀麗，王蕊

（南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京211816）

目前國(guó)內(nèi)高速鐵路普遍采用無(wú)縫軌道，在地震作用下軌道的約束作用可能會(huì)對(duì)主梁的地震響應(yīng)產(chǎn)生影響。本文以靠近路橋過(guò)渡端的5跨簡(jiǎn)支梁橋?yàn)橐劳泄こ?，?duì)比分析了是否設(shè)置軌道系統(tǒng)、是否考慮豎向地震動(dòng)作用、軌道的約束程度變化等因素對(duì)主梁縱橫向位移的影響。結(jié)果表明:軌道的約束作用對(duì)主梁縱橫向位移有所改善，降低了主梁的位移值，其中橫橋向位移的減小量達(dá)到了7%～22%，但遠(yuǎn)離路基時(shí)，這種改善作用有所減弱；軌道系統(tǒng)的存在不會(huì)增大豎向地震動(dòng)對(duì)主梁縱橫向位移的影響，在分析主梁縱橫向地震響應(yīng)時(shí)，依然可忽略豎向地震動(dòng)，只考慮地震動(dòng)沿縱、橫向單向輸入的工況即可；扣件剛度變化對(duì)主梁縱向位移影響很小，對(duì)橫向位移會(huì)產(chǎn)生一定影響，隨著扣件剛度的增大，橫向位移有增大趨勢(shì)，因此，扣件剛度的取值并非越大越好，在滿(mǎn)足正常運(yùn)營(yíng)要求的前提下，應(yīng)盡可能取較小值。

高鐵橋梁；軌道約束；主梁位移；豎向地震動(dòng)；扣件剛度

高速鐵路為了滿(mǎn)足線路平順性、穩(wěn)定性以及節(jié)約土地的要求，往往需要建造連續(xù)幾公里甚至幾十公里的高架橋，以致橋梁在線路中所占的比重很大。同時(shí)，我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，自21世紀(jì)以來(lái)，平均大約每三年發(fā)生兩次7級(jí)以上地震。因此，地震發(fā)生時(shí)列車(chē)恰巧在橋上的幾率大為增加，而主梁的地震響應(yīng)將直接影響列車(chē)的行車(chē)安全性，特別是主梁的位移。

王少林等［1］采用輪軌空間動(dòng)態(tài)耦合模型，分析了地震對(duì)高速列車(chē)-軌道-橋梁系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響。黃艷等［2］編制了梁軌地震動(dòng)力有限元分析程序，較系統(tǒng)地分析了梁軌相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，其研究成果認(rèn)為：橋墩剛度相近時(shí)，梁軌相互作用減小了橋梁地震響應(yīng)；橋墩剛度有差異時(shí)，梁軌相互作用可能放大橋梁地震響應(yīng)。謝旭等［3］指出：軌道對(duì)鐵路減隔震橋梁縱向自振頻率及橋梁縱向地震位移和減隔震裝置變形的影響不容忽視，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮軌道約束產(chǎn)生的不利因素，適當(dāng)提高相鄰梁間的結(jié)構(gòu)允許相對(duì)變形要求。Maragakis等［4］在StrawberryPark橋上測(cè)定了該橋的頻率及阻尼，并研究了梁軌相互作用對(duì)該橋動(dòng)力特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)軌道存在時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)明顯通過(guò)軌道傳遞到相鄰路基上；切斷鋼軌后，橋梁結(jié)構(gòu)各方向的基頻均有不同程度下降。張永亮等［5］針對(duì)高速鐵路多跨簡(jiǎn)支梁橋及軌道系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立了考慮鋼軌、軌道板以及橋梁結(jié)構(gòu)的線橋一體化模型，采用反應(yīng)譜研究了軌道約束系統(tǒng)以及相鄰結(jié)構(gòu)對(duì)所選橋跨彈性地震反應(yīng)的影響。黃勇等［6］通過(guò)分析我國(guó)已建運(yùn)營(yíng)的城市軌道交通高架橋標(biāo)準(zhǔn)跨的特點(diǎn)，選取典型多跨簡(jiǎn)支梁體系和三跨連續(xù)梁體系為實(shí)例，比較分析了集中考慮軌道約束影響的簡(jiǎn)化方法的效果，提出了基于彈簧-質(zhì)量簡(jiǎn)化的改進(jìn)方法，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了所提方法的有效性。

本文在既有研究的基礎(chǔ)上，以高速鐵路常用的多跨32m簡(jiǎn)支梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃攸c(diǎn)研究軌道的縱橫向約束作用對(duì)主梁位移的影響。另外，每次大地震的發(fā)生，在產(chǎn)生水平向地震動(dòng)的同時(shí)，還會(huì)伴隨著豎向地震動(dòng)，對(duì)于一般的公路簡(jiǎn)支梁橋，豎向地震動(dòng)的存在不會(huì)增大橋梁的水平向地震響應(yīng)，但對(duì)于高鐵橋梁，由于軌道系統(tǒng)的存在，豎向地震是否會(huì)對(duì)主梁水平向地震響應(yīng)產(chǎn)生不利影響尚需進(jìn)行進(jìn)一步的研究，本文亦對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了對(duì)比分析。

1　有限元模型的建立

以某高速鐵路多跨簡(jiǎn)支梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，選取該橋靠近路橋過(guò)渡端處5跨32.7m簡(jiǎn)支梁為計(jì)算橋跨，如圖1所示。主梁上鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道，由鋼軌、彈性扣件、軌道板、砂漿調(diào)整層、底座板等部分組成。鋼軌作為主要研究對(duì)象，采用實(shí)體單元，主梁伸縮縫（以下簡(jiǎn)稱(chēng)梁縫）處鋼軌網(wǎng)格細(xì)化?？奂捎肳J-7B型，以彈簧阻尼單元模擬，扣件橫向和垂向剛度參照文獻(xiàn)［7］取值，縱向剛度參照《無(wú)縫鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，扣件作用點(diǎn)為鋼軌網(wǎng)格點(diǎn)，按照工程實(shí)際每0.625m間隔設(shè)置一對(duì)扣件，每個(gè)支點(diǎn)設(shè)置3個(gè)彈簧單元。軌道板、砂漿調(diào)整層、底座間距等尺寸布置均采用實(shí)體來(lái)模擬，賦予材料彈性模量、阻尼以及密度等，各部分之間采用面-面約束。主梁橫截面形式如圖2所示，用殼單元模擬，可考慮其空間剛度，梁縫間距為10cm。支座采用盆式橡膠支座，其布置形式如圖3所示，用連接單元模擬，不約束轉(zhuǎn)動(dòng)。墩以梁?jiǎn)卧M，墩高5m，墩底固結(jié)，不考慮樁的作用。由于地震作用影響，將引起路堤上鋼軌產(chǎn)生變形的范圍較大，因此在實(shí)際分析時(shí)，模型以橋臺(tái)以外100m作為鋼軌鎖定點(diǎn)［8］。有限元模型如圖4所示。

圖1　橋跨布置示意（單位：cm）

圖2　主梁橫截面形式

圖3　主梁支座布置形式

圖4　有限元模型

2　地震動(dòng)輸入

地震動(dòng)輸入共考慮4種工況：橫橋向、縱橋向、橫橋向+豎向、縱橋向+豎向。其中豎向地震動(dòng)按照《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，取水平地震基本加速度值的65%。通過(guò)上述4種工況的分析，研究軌道約束作用對(duì)主梁縱橋向、橫橋向地震響應(yīng)的影響規(guī)律；以及有豎向地震作用時(shí)，軌道的存在對(duì)主梁縱橫向位移的影響。地震動(dòng)輸入的人工波由Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地、地震分組為第一組、設(shè)計(jì)加速度0.3g的加速度反應(yīng)譜擬合而成，如圖5所示。

圖5　加速度時(shí)程曲線

3　軌道約束作用對(duì)主梁地震響應(yīng)的影響

對(duì)比分析設(shè)置軌道系統(tǒng)和不設(shè)置軌道系統(tǒng)時(shí)主梁動(dòng)力響應(yīng)的變化，研究軌道約束作用對(duì)主梁地震響應(yīng)的影響程度。本文重點(diǎn)分析軌道的約束作用對(duì)主梁位移的影響。選取各跨主梁梁端和跨中各一測(cè)點(diǎn)，編號(hào)如圖6所示，共15個(gè)點(diǎn)；讀取其與路基的最大相對(duì)位移以及相鄰跨的主梁相對(duì)位移進(jìn)行了分析。由于第Ⅴ跨的邊界條件與實(shí)際橋梁有所不同，計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況有些出入，因此后續(xù)分析主要分析前4跨的變化（1～12測(cè)點(diǎn)），對(duì)第Ⅴ跨不做分析。

3.1軌道縱向約束對(duì)主梁位移的影響

為了研究軌道縱向約束對(duì)主梁地震響應(yīng)的影響，沿縱橋向輸入地震動(dòng)，分別讀取有無(wú)軌道約束時(shí)主梁梁端和跨中偏移路基的最大位移及相鄰跨主梁縱向相對(duì)位移，其對(duì)比曲線如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可看出：①縱向地震作用下，主梁發(fā)生了縱橋向的相對(duì)位移，其位移量在5～15mm之間變化；②軌道對(duì)主梁有約束作用，設(shè)置軌道時(shí)主梁的縱向相對(duì)位移小于無(wú)軌道時(shí)的相對(duì)位移，并且越遠(yuǎn)離路基，軌道系統(tǒng)的縱向約束作用越弱，主梁的縱向位移越接近于無(wú)約束的情況，這主要是受到路基的剛度較大以及橋梁本身的動(dòng)力特性的影響；③相鄰跨主梁的相對(duì)位移較小，在3～6mm之間變化，軌道的約束使其稍有減少，對(duì)鄰近橋臺(tái)處的相對(duì)位移影響較小，中間跨影響相對(duì)較大。由此可知，對(duì)于靠近路基的部分橋梁，軌道的縱向約束作用可改善縱向地震作用下主梁的位移。

3.2有軌道約束時(shí)豎向地震動(dòng)對(duì)主梁縱向位移的影響

為了分析當(dāng)有軌道約束時(shí)，豎向地震動(dòng)對(duì)主梁縱向動(dòng)力響應(yīng)的影響，地震動(dòng)選擇縱向與縱向+豎向兩種輸入方式進(jìn)行對(duì)比研究，主梁位移對(duì)比曲線如圖9和10所示。

由圖9和圖10可看出：當(dāng)有軌道約束時(shí)，豎向地震動(dòng)作用使主梁的縱向相對(duì)位移有增加，但增加量較小。因此，在分析主梁縱向地震響應(yīng)時(shí)，可以忽略豎向地震動(dòng)的影響，只考慮地震動(dòng)沿縱橋向輸入的工況即可。

3.3軌道橫向約束作用對(duì)主梁位移的影響

為了研究軌道橫向約束對(duì)主梁位移的影響，沿橫橋向輸入地震動(dòng)，分別讀取有無(wú)軌道約束時(shí)主梁梁端和跨中偏移路基的最大位移及相鄰跨主梁的橫向錯(cuò)動(dòng)。圖11繪出了主梁不同部位的橫向位移，圖12繪出了鄰跨主梁的錯(cuò)動(dòng)量。

圖6　全橋測(cè)點(diǎn)編號(hào)

圖8　有無(wú)軌道約束時(shí)鄰跨主梁縱向相對(duì)位移對(duì)比

圖9　豎向地震動(dòng)對(duì)主梁縱向位移的影響對(duì)比

圖10　豎向地震動(dòng)對(duì)鄰跨主梁縱向相對(duì)位移的影響對(duì)比

圖11　有無(wú)軌道約束時(shí)主梁橫向位移對(duì)比

圖12　有無(wú)軌道約束時(shí)鄰跨主梁橫向錯(cuò)動(dòng)量對(duì)比

由圖11和圖12可看出：①在橫向地震作用下，主梁的橫向位移在16～32mm之間變化，明顯大于縱向地震作用下的主梁縱橋向相對(duì)位移；②軌道對(duì)主梁橫橋向位移有約束作用，設(shè)置軌道時(shí)主梁的橫向位移小于無(wú)軌道時(shí)的位移，減小量在7%～22%之間變化，并且總體上遠(yuǎn)離路基時(shí)，軌道系統(tǒng)的橫向約束作用有所減弱，主梁的橫向位移逐漸接近于無(wú)約束的情況，這主要與路基的剛度較大以及橋梁本身的動(dòng)力特性有關(guān)；③橫向地震作用時(shí)，相鄰跨主梁的橫向錯(cuò)動(dòng)較大，在10～20mm之間變化，軌道的約束作用使其稍有減小，減小量在10%～20%之間變化。綜上所述，軌道的約束作用對(duì)主梁的橫向位移有所改善，但依然顯著大于縱向位移，對(duì)行車(chē)的安全性更為不利，應(yīng)引起設(shè)計(jì)者的關(guān)注。

3.4有軌道約束時(shí)豎向地震對(duì)主梁橫向位移的影響

為了分析當(dāng)有軌道約束時(shí)，豎向地震動(dòng)對(duì)主梁橫向位移的影響，地震動(dòng)選擇橫向與橫向+豎向地震動(dòng)兩種輸入方式進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，當(dāng)有軌道約束時(shí)，豎向地震動(dòng)作用不會(huì)使主梁的橫向相對(duì)位移及鄰梁相對(duì)錯(cuò)動(dòng)有所增加。因此，在分析主梁橫向地震響應(yīng)時(shí)，可以忽略豎向地震動(dòng)的影響，只考慮地震動(dòng)沿橫橋向輸入的工況即可。

4　軌道約束強(qiáng)弱對(duì)主梁地震響應(yīng)的影響

軌道對(duì)主梁的約束程度主要由軌道扣件的剛度來(lái)決定?？奂偠茸兓欠駮?huì)影響主梁的地震響應(yīng)，影響程度如何是本部分要解決的問(wèn)題。

4.1扣件縱向剛度變化對(duì)主梁縱向位移的影響

地震作用下，軌道對(duì)主梁有約束作用，因扣件類(lèi)型不同，縱向約束程度也不同；參考文獻(xiàn)［9］將扣件剛度分為4個(gè)等級(jí)：7.5，10，12，14MN/m，以此來(lái)分析扣件剛度變化對(duì)主梁地震響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，扣件縱向剛度變化對(duì)主梁縱向位移影響很小、對(duì)鄰跨主梁相對(duì)位移影響亦很小。因此，在分析主梁縱向位移時(shí)可不考慮扣件剛度變化的影響。

4.2扣件橫向剛度變化對(duì)主梁橫向位移的影響

扣件對(duì)軌道有橫向約束作用，由于扣件橫向剛度研究較少，本文在參考國(guó)內(nèi)外有砟軌道和無(wú)砟軌道扣件剛度取值的基礎(chǔ)上，選取45，60，80，107MN/m4種剛度進(jìn)行分析。圖13和圖14分別繪出了扣件橫向剛度變化對(duì)主梁橫向位移及鄰跨主梁橫向錯(cuò)動(dòng)量的影響曲線。

由圖13和圖14可看出：①隨著扣件橫向剛度的增加，主梁橫向位移總體上呈逐漸增大趨勢(shì)，但增大幅度逐漸減??；當(dāng)扣件剛度由45MN/m增大到60MN/m時(shí)，主梁橫向位移增長(zhǎng)幅度較大，而當(dāng)剛度由60MN/m增大到80MN/m時(shí)橫向位移增長(zhǎng)相對(duì)較??；以第8測(cè)點(diǎn)為例，扣件橫向剛度由45MN/m增大到60MN/m，再增大到80MN/m和107MN/m，增幅均為33%，而對(duì)應(yīng)的主梁橫向位移則由27mm增加到36mm，增幅為33%，由36mm增加到39mm，增幅為8.3%，由39mm增加到41mm，增幅為5%，增長(zhǎng)幅度逐漸降低。由此可知，當(dāng)扣件剛度較小時(shí)，隨著扣件剛度的增大，主梁的橫向位移會(huì)有較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)，而當(dāng)扣件的剛度大到一定程度，其剛度再增大，對(duì)主梁位移的影響將減小。②扣件剛度的變化對(duì)相鄰主梁的橫向錯(cuò)動(dòng)依然會(huì)產(chǎn)生影響，隨著扣件剛度的增加，相鄰主梁橫向錯(cuò)動(dòng)量有增大趨勢(shì)，但影響程度并非是線性關(guān)系，當(dāng)扣件剛度由60MN/m增大到80MN/m時(shí)，主梁橫向錯(cuò)動(dòng)量有明顯增加，增大了10%左右。由上述對(duì)比分析可知，扣件剛度的取值并非越大越好，扣件剛度增大對(duì)主梁的橫向位移反而會(huì)有不利影響。因此，設(shè)計(jì)時(shí)在滿(mǎn)足正常運(yùn)營(yíng)要求的前提下，從抗震的角度，扣件橫向剛度盡可能取較小值。

圖13　扣件剛度變化對(duì)主梁橫向位移的影響曲線

圖14　扣件剛度變化對(duì)鄰跨主梁橫向錯(cuò)動(dòng)量的影響曲線

5　結(jié)論

1）軌道約束作用對(duì)高鐵橋梁的主梁位移有一定影響，由于軌道的約束，主梁縱橫向位移均有所減少；橫橋向位移的減小量相對(duì)較大，達(dá)到了7%～22%；并且總體上越遠(yuǎn)離路基，軌道系統(tǒng)的約束作用越弱，主梁的位移越接近于無(wú)約束的情況。

2）當(dāng)有軌道約束時(shí)，豎向地震動(dòng)作用對(duì)主梁的縱橫向相對(duì)位移及主梁橫向錯(cuò)動(dòng)影響很小，可忽略不計(jì)；在分析主梁縱橫向地震響應(yīng)時(shí)，有軌道存在時(shí)依然可以忽略豎向地震動(dòng)的影響，只考慮地震動(dòng)沿縱、橫向單向輸入的工況即可。

3）扣件縱向剛度變化對(duì)主梁縱向位移影響很小，在分析主梁縱向位移時(shí)可不考慮扣件剛度變化的影響；而扣件橫向剛度的增大會(huì)使主梁的橫向位移產(chǎn)生增大趨勢(shì)，但二者并非呈線性關(guān)系，而是隨著扣件剛度的增大主梁位移的增大幅度逐漸減小。因此，扣件剛度的取值并非越大越好，設(shè)計(jì)時(shí)在滿(mǎn)足正常運(yùn)營(yíng)要求的前提下，從抗震的角度，扣件橫向剛度盡可能取較小值。

［1］王少林，翟婉明.地震作用下高速列車(chē)-線路-橋梁系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，46（1）：56-62.

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［9］黃艷.考慮軌道約束的鐵路橋梁抗震研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2003.

>AbstractAt present，high speed railways generally use seamless tracks in domestic.Under earthquake，track constraint may affect main girder seismic response.In this paper，research object is a 5-span simply supported girder bridge near bridge-subgrade transition.Effect of track system，vertical ground motion and constraint degree of track on longitudinal/lateral displacement of girders was analyzed.T he results showthat track constraint improves longitudinal/lateral displacement of main girders；especially，lateral displacement is reduced by 7%～22%although the improvement is weakened at place away from roadbed.T he existence of the rail system will not increase influence of vertical ground motion on longitudinal/lateral displacement of main girders.On the analysis of the main girder longitudinal/lateral seismic response，vertical ground motion may still be negligible，with only consideration of operation condition of ground motion along longitudinal/lateral one-way input.Fastener stiffness has little effect on main girder longitudinal displacement but somehow affects lateral displacement.W ith increase of fastener stiffness，lateral displacement has an increasing trend.T herefore，large value of fastener stiffness is not good.A lower value may be more desirable on the premise of requirements of normal operation.

Constraint Effect of Track Structure on Seismic Response of High Speed Railway Bridge Main Girder

LI Xuehong，LIN Shan，KAN Zhengming，XU Xiuli，WANG Rui
（College of Civil Engineering，Nanjing Technology University，Nanjing Jiangsu 211816，China）

High speed railway bridge；T rack constraint；M ain girder displacement；Vertical ground motion；Fastener stiffness

U441+.7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.05

1003-1995（2016）04-0017-05

（責(zé)任審編孟慶伶）

2015-11-02；

2016-01-20

江蘇省“六大人才高峰”第十一批高層次人才選拔培養(yǎng)資助（2014-JZ-006）

李雪紅（1974—），女，教授，博士。