地震激勵下大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋與軌道受力特性

禹永齡

( 湖南省懷化公路橋梁建設(shè)總公司， 湖南 懷化 418000)

地震激勵下大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋與軌道受力特性

禹永齡

( 湖南省懷化公路橋梁建設(shè)總公司， 湖南 懷化 418000)

為研究大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋與軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)規(guī)律，建立考慮軌道約束的大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋與軌道系統(tǒng)一體化仿真模型。以某3-32 m簡支梁橋+(72+128+72) m連續(xù)剛構(gòu)橋+3-32 m簡支梁橋為例，分析軌道約束對橋梁-軌道系統(tǒng)抗震能力的影響，研究地震波水平輸入角度參數(shù)對地震響應(yīng)影響，探討豎向地震波作用下系統(tǒng)縱向受力和變形規(guī)律。研究表明: 縱向地震響應(yīng)下鋼軌承受較大應(yīng)力，呈“雙菱形”分布，豎向激勵對鋼軌地震力和下部結(jié)構(gòu)受力影響較??；隨著地震波水平輸入角增大，鋼軌縱向應(yīng)力減小，墩頂水平力、墩底剪力、墩頂水平位移均表現(xiàn)為順橋向減小而橫橋向增大；鋼軌能增強橋梁整體性，對抗震性能提升有利；軌道結(jié)構(gòu)能減小簡支梁橋墩頂水平位移及墩底剪力，對連續(xù)剛構(gòu)橋影響不大。

連續(xù)剛構(gòu)橋；軌道工程；梁軌相互作用；地震響應(yīng)

0 引言

目前，我國高速鐵路網(wǎng)中，橋梁總里程占線路總長的50%以上[1]，而連續(xù)鋼構(gòu)橋因其施工經(jīng)濟、便捷、橋梁受力合理在世界范圍內(nèi)有較為廣泛的應(yīng)用。橋上鋪設(shè)無縫線路之后，在溫度、活載和列車制動作用下，剛構(gòu)橋與軌道之間存在著復(fù)雜的相互作用。針對此類問題，國內(nèi)外學(xué)者已展開一定的研究，如朱彬(鐵四院)對客運專線大跨度連續(xù)梁橋上鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的布置方案進行了比較，認為可通過采用扣件或設(shè)置制動墩來避免設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，來減小其對鋼軌平順性的影響[2]；楊磊(中鐵十五局)研究了重載鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋與軌道系統(tǒng)受力特性[3]；劉成(西南交通大學(xué))研究了大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁體及軌道溫度分布試驗及其影響[4]。

對于大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋而言，因為梁墩剛接，所以連續(xù)剛構(gòu)橋-軌道系統(tǒng)對下部結(jié)構(gòu)變形極為敏感[5]。近年來，地震頻發(fā)，對在軌道約束下的大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)規(guī)律進行研究是非常有必要的。

本文以3-32 m簡支梁+(72+128+72) m連續(xù)剛構(gòu)橋+3-32 m簡支梁為例，用帶剛臂的梁單元模擬梁體、非線性桿單元模擬線路縱向阻力、線性彈簧模擬扣件豎向剛度，橋墩縱向抗推剛度采用線性彈簧模擬、鋼軌采用梁單元模擬，墩底采用6個自由度的等效剛度矩陣對樁土共同作用進行模擬，建立了墩-梁-軌一體化非線性仿真模型，分析了軌道約束對橋梁-軌道系統(tǒng)抗震能力的影響，研究了地震波水平輸入角度這一參數(shù)對地震響應(yīng)的影響，對豎向地震波作用下系統(tǒng)縱向受力和變形規(guī)律進行了探討。

1 連續(xù)梁大跨度剛構(gòu)橋軌作用模型

1.1 梁軌相互作用模型驗證

橋梁與軌道的接觸方式模擬是梁軌相互作用的關(guān)鍵。本文中鋼軌采用梁單元進行模擬，線路縱向阻力用非線性桿單元模擬，扣件豎向剛度用線性彈簧模擬[6-8]，梁體用帶剛臂的梁單元模擬，橋墩縱向抗推剛度用線性彈簧模擬。建立了跨度為60 m的簡支梁 — 軌道作用模型，如圖1所示。

圖1 梁軌相互作用計算模型

UIC規(guī)范中C.2算例為將鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)置在連續(xù)梁端部的情況，本文以C.2算例為例對撓曲力、制動力和伸縮力的準確性作驗證。

橋梁形式為3×60 m連續(xù)梁橋，左端為彈性固定支座，右端為滑動支座，固定端縱向線剛度K=120 000 kN/m，不計滑動支座摩阻力。橋梁彈性模量E=2.1E+08 kN/m2，截面A=0.74 m2，慣性I=2.59 m4，梁高H=6.0 m，混凝土線膨脹系數(shù)1E-05，梁體中性軸至橋面距離w=1.21 m。線路縱向阻力按下式取值。

在計算伸縮力時，按照梁體升溫35 ℃；制動力滿跨加載，取值20 kN/m。計算結(jié)果見表1。

各計算結(jié)果與UIC中的C.2算例均極為吻合，驗證了本文建立的簡支梁 — 軌道相互作用模型的正確性。

1.2 連續(xù)剛構(gòu)橋-軌道相互作用模型

以某3-32 m簡支梁橋+(72+128+72) m連續(xù)剛構(gòu)橋+3-32 m簡支梁橋作為研究對象，兩側(cè)各延伸100 m長度來模擬路基，橋跨布置和建立的連續(xù)剛構(gòu)橋 — 軌作用模型如圖2所示。

表1 本文計算結(jié)果與UIC算例C.2驗證

圖2 連續(xù)剛構(gòu)橋梁-軌相互作用模型

圖中，用梁單元模擬鋼軌，用非線性桿單元模擬線路縱向阻力，用線性彈簧模擬扣件豎向剛度，用帶剛臂的梁單元模擬梁體，用線性彈簧模擬橋墩縱向抗推剛度。按實際情況對橋墩進行建模，墩底采用6個自由度的等效剛度矩陣模擬墩底樁土共同作用，剛臂剛度取為主梁剛度的40倍[9]。橋梁左端均采用固定支座，右端為活動支座并且固定支座與活動支座交替設(shè)置，固定支座剛度取為1E+05 kN/m，不計滑動支座摩阻力。連續(xù)剛構(gòu)橋與軌道共同作用系統(tǒng)的立面圖如圖3所示。

圖3 大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋-軌道系統(tǒng)

2 系統(tǒng)地震響應(yīng)規(guī)律

2.1 順橋向地震作用下橋梁-軌道系統(tǒng)動力響應(yīng)規(guī)律(圖4)

圖4 地震作用下系統(tǒng)受力變形特性

將二期恒載130 kN/m添加在梁體上，并且將荷載轉(zhuǎn)化成質(zhì)量。運行連續(xù)剛構(gòu)橋 — 軌道系統(tǒng)模型進行特征值分析，得到模型自振周期，在添加時程工況時輸入所得第1、第2振型的自振周期計算結(jié)構(gòu)瑞利阻尼。 選取Taft_h、James_t以及Elcent_h地震波，對地震波進行調(diào)幅修正，通過整體縮放把最大峰值加速度調(diào)整為0.3g。計算地震激勵下連續(xù)剛構(gòu)橋 — 軌道系統(tǒng)受力與變形規(guī)律，結(jié)果見圖4。

由圖4a可知，由于鋼軌的縱向連續(xù)性，地震作用下，其仍然承受著較大的軸向應(yīng)力，鋼軌應(yīng)力包絡(luò)呈“雙菱形”分布，最大應(yīng)力出現(xiàn)在連續(xù)剛構(gòu)橋與簡支梁交界處以及橋臺附近，其中，Elcent_h波作用下鋼軌縱向應(yīng)力最大，為319.1 MPa(拉)和320.2 MPa(壓)。

地震作用下，墩頂水平位移以及墩底最大剪力為衡量橋墩抗震性能的重要指標[10]。分析圖4b～d可知，3#、4#和5#墩頂水平位移較大，其中Elcent_h波作用下鋼軌水平位移在3#墩頂達到最大值，為26.8 cm。墩頂水平力與墩底剪力在5#墩處最大，為9 271.3 kN和20 383.7 kN。

2.2 大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋-軌道系統(tǒng)豎向地震響應(yīng)

本節(jié)按照《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》[11]規(guī)定，按順橋向地震加速度的65%作為豎向地震激勵，分析大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋-軌道系統(tǒng)在豎向地震作用下的地震響應(yīng)規(guī)律。計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 豎向激勵下系統(tǒng)受力變形特性

續(xù)圖5 豎向激勵下系統(tǒng)受力變形特性

對于下部結(jié)構(gòu)，3種地震波激勵下墩頂水平位移大小相近，最大值為7.1 mm，出現(xiàn)在3#墩頂；連續(xù)剛構(gòu)橋墩頂水平力較大，最大值為5 667.3 kN，約為縱向地震作用下最大墩頂水平力的61.1%；墩底剪力也較大，最大值為7 512.3 kN，但與縱向地震激勵下最大墩底剪力相比減小了63.1%。

3 地震波水平輸入角度對系統(tǒng)受力變形特性影響

為了探究地震波水平輸入角度的變化對連續(xù)剛構(gòu)橋 — 軌道系統(tǒng)的受力變形特性影響規(guī)律，以Taft_h地震波為例，分別設(shè)定輸入角度0°、30°、60°、90°這4種工況，分析鋼軌縱向應(yīng)力，見圖6。

圖6 鋼軌縱向應(yīng)力包絡(luò)

由圖6可知，隨著地震波水平輸入角度增大，鋼軌縱向應(yīng)力減小。鋼軌應(yīng)力在各橋墩臺附近較大，最大值出現(xiàn)在3#墩附近，為274.2 MPa(拉)和259.0 MPa(壓)，隨著攻入角增加到90°，鋼軌縱向應(yīng)力減小了64.2%(拉)和64.0%(壓)。

將地震波不同水平攻入角作用下的橋墩墩頂水平力、水平位移以及墩底剪力的計算結(jié)果匯于表2～表4。

表2 墩頂水平位移 mm

表3 墩頂水平力 kN

表4 墩底剪力 kN

對于橋梁下部結(jié)構(gòu)而言，隨著地震波水平輸入角度增大，橋墩墩頂水平力、墩底剪力、墩頂水平位移均表現(xiàn)為順橋向逐漸減小橫橋向增大的規(guī)律。如4#墩，地震波水平攻入角角度由0°增加到90°時，墩頂順橋向位移由131.0 mm減小到可1.4 mm，橫向位移由4.0E — 06 mm增大到142.7 mm；順橋向墩頂水平力減小了98.5%，橫橋向增大了95%以上，墩底剪力也表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。

4 軌道約束對橋梁地震響應(yīng)影響

軌道、路基結(jié)構(gòu)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響不是單一的。對部分結(jié)構(gòu)而言，可能是有利的，對另一部分結(jié)構(gòu)而言，可能是不利的；對同一結(jié)構(gòu)而言，對不同響應(yīng)的影響程度可能是不同的，對具體結(jié)構(gòu)和不同響應(yīng)須具體分析。

本節(jié)以Taft_h地震波為例，提取4#墩的墩頂位移、墩頂水平力以及墩底剪力時程，比較軌道結(jié)構(gòu)對橋梁地震響應(yīng)的影響，比較結(jié)果見圖7。

圖7 軌道約束對系統(tǒng)受力變形特性的影響

續(xù)圖7 軌道約束對系統(tǒng)受力變形特性的影響

由圖7可以看出，在全橋范圍內(nèi)，軌道結(jié)構(gòu)的存在減小了簡支梁橋墩頂水平位移，6#墩處相差最大，減小了35.7%，但是，對于連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩而言結(jié)果相差不大。對于墩底最大剪力而言，軌道結(jié)構(gòu)的存在同樣表現(xiàn)為能減小簡支梁橋墩頂受力，而連續(xù)剛構(gòu)橋相差不大。軌道結(jié)構(gòu)的存在對墩頂水平力的影響規(guī)律復(fù)雜：如軌道結(jié)構(gòu)的存在在2#墩、6#墩、7#墩處增加了墩頂水平力，但是在1#、4#、5#、8#橋墩處卻減小了墩頂水平力。墩頂水平力、墩頂水平位移與墩底剪力時程曲線仍然只與地震波形狀相關(guān)，峰值在2.38 s、4.54 s和9.12 s等處取得。

5 結(jié)論

本文以3-32 m簡支梁+(72+128+72) m連續(xù)剛構(gòu)橋+3-32 m簡支梁為例，建立了墩-梁-軌一體化非線性仿真模型，研究了軌道約束對橋梁-軌道系統(tǒng)抗震能力的影響，地震波水平輸入角度這一參數(shù)對地震響應(yīng)的影響，對系統(tǒng)在豎向地震波作用下的縱向受力和變形規(guī)律進行了探討。

由于鋼軌的縱向連續(xù)性，縱向地震作用下，其仍然承受著較大的軸向應(yīng)力，鋼軌應(yīng)力包絡(luò)呈“雙菱形”分布，豎向激勵對鋼軌地震力和下部結(jié)構(gòu)受力變形影響較小。

隨著地震波水平輸入角度的增大，鋼軌縱向應(yīng)力減小，橋墩墩頂水平力、墩底剪力、墩頂水平位移均表現(xiàn)為順橋向逐漸減小而橫橋向增大的規(guī)律。

軌道結(jié)構(gòu)的存在有利于增強全橋的整體性，對全橋抗震性能有一定程度的影響。對于處在震區(qū)的大跨橋上無縫線路有必要對橋梁-軌道系統(tǒng)地震力進行檢算。

在全橋范圍內(nèi)，軌道結(jié)構(gòu)的存在減小了簡支梁橋墩頂水平位移及其墩底剪力，但對連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩而言結(jié)果相差不大。軌道結(jié)構(gòu)存在與否對墩頂水平力的影響規(guī)律復(fù)雜：如軌道結(jié)構(gòu)的存在使2#、6#、7#墩頂水平力增大，但是1#、4#、5#、8#墩頂水平力減小。在實際工程結(jié)構(gòu)中，由于橋跨布置和橋墩設(shè)計影響因素很復(fù)雜，應(yīng)該就具體問題做具體分析。

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2017-03-13

禹永齡(1979-),男，工程師，主要從事路橋建設(shè)。

1008-844X(2017)02-0145-06

U 448.23

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