地震作用對(duì)有砟軌道橋上無(wú)縫道岔縱向受力與變形影響分析

羅華朋，陳 嶸，宋姣姣，王 平

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510010；2.西南交通大學(xué)高速鐵路線(xiàn)路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

隨著我國(guó)高速鐵路特別是西部鐵路建設(shè)的推進(jìn)，線(xiàn)路遭遇地震災(zāi)害時(shí)有發(fā)生[1-4]，多次出現(xiàn)地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)明顯破壞而其上軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲、失穩(wěn)等現(xiàn)象。造成地震作用下橋上無(wú)縫線(xiàn)路失穩(wěn)的主要原因有軌條內(nèi)存在較大且不均勻分布的縱向力，線(xiàn)路不平順彎曲以及道床松動(dòng)等。由于橋上無(wú)縫道岔結(jié)構(gòu)受力、變形傳遞機(jī)理復(fù)雜[5-9]，部件組成較多，強(qiáng)度、穩(wěn)定性和相對(duì)位移均不易控制，因此有必要研究地震作用下橋上無(wú)縫道岔的縱向動(dòng)力響應(yīng)，深入認(rèn)識(shí)地震荷載經(jīng)橋梁結(jié)構(gòu)向無(wú)縫道岔傳遞的過(guò)程，分析無(wú)縫道岔在地震作用下的敏感參數(shù)和薄弱環(huán)節(jié)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者分別采用不同的分析方法，針對(duì)不同的橋梁，分析了橋上無(wú)縫線(xiàn)路的地震響應(yīng)規(guī)律。其中，黃艷[10-11]自編程序分析了橋上無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌約束、橋墩縱向剛度、線(xiàn)路縱向阻力大小以及橋梁跨數(shù)等因素對(duì)橋梁抗震的影響；閆斌[12-13]考慮非一致激勵(lì)、橋墩塑性鉸以及梁體碰撞等因素建立了地震作用下的梁軌相互作用模型，主要分析高速鐵路的中小跨度簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋及單塔斜拉橋在一致激勵(lì)和行波效應(yīng)下的地震反應(yīng)規(guī)律；劉文碩[14]研究了考慮軌道約束的大跨度鋼桁拱橋地震響應(yīng)，分析了地震波頻譜特性、多點(diǎn)激勵(lì)(場(chǎng)地相位差)等作用下大跨度鋼桁拱橋梁軌的響應(yīng)特性，總結(jié)了道床阻力、滑動(dòng)支座摩擦效應(yīng)、相鄰結(jié)構(gòu)支座布置、墩臺(tái)剛度以及多荷載耦合等因素對(duì)于鋼桁拱橋梁軌系統(tǒng)地震響應(yīng)的影響規(guī)律；魏賢奎[15]研究了二期恒載、地震波頻譜特性、結(jié)構(gòu)阻尼比、豎向地震作用、鋪設(shè)小阻力扣件、拱肋溫差和拱橋橋跨布置方式等因素對(duì)上承式拱橋上無(wú)縫線(xiàn)路地震響應(yīng)規(guī)律的影響，并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有砟軌道橋上無(wú)縫線(xiàn)路縱向地震反應(yīng)振動(dòng)模型試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型中線(xiàn)路阻力參數(shù)進(jìn)行修正和優(yōu)化；謝鎧澤[16]建立了考慮地震作用下橋梁與軌道結(jié)構(gòu)相互作用的REJ-橋-墩一體化計(jì)算模型，分析了地震波頻譜特性、行波效應(yīng)、活動(dòng)支座摩擦系數(shù)、REJ布置方式與位置以及地震波加速度峰值等對(duì)REJ伸縮量的影響。

圖2 地震作用下有砟軌道橋上無(wú)縫道岔模型

地震作用下橋上無(wú)縫線(xiàn)路的研究近年來(lái)雖有所發(fā)展，但仍不深入，對(duì)橋上軌道結(jié)構(gòu)的受力變形、鋼軌強(qiáng)度和線(xiàn)路穩(wěn)定性等問(wèn)題研究較少，而且地震作用下的橋上無(wú)縫道岔響應(yīng)研究仍為空白，亟待對(duì)其在地震荷載激勵(lì)下的響應(yīng)規(guī)律和影響因素予以研究和闡述。以一座鐵路常見(jiàn)連續(xù)梁橋?yàn)槔?，建立地震作用下?橋-墩動(dòng)力非線(xiàn)性有限元模型，對(duì)比無(wú)鋼軌約束、無(wú)縫道岔約束工況下橋梁自振頻率的變化，分析地震波頻譜特性、地震動(dòng)加速度峰值、岔區(qū)阻力、梁體溫差因素對(duì)橋上無(wú)縫道岔地震響應(yīng)的影響，在此基礎(chǔ)上對(duì)地震多發(fā)地區(qū)的橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)檢算提出相應(yīng)建議，為震區(qū)鐵路橋上無(wú)縫道岔的設(shè)計(jì)與維護(hù)提供理論指導(dǎo)。

1 橋上無(wú)縫道岔縱向地震響應(yīng)計(jì)算模型

1.1 計(jì)算模型

當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)受到地震荷載動(dòng)作用時(shí)，橋墩首先產(chǎn)生受迫震動(dòng)，墩頂產(chǎn)生位移并通過(guò)支座約束傳遞給整個(gè)梁體。假定梁體的固定端在左端，活動(dòng)端在右端，在某時(shí)刻梁體相對(duì)于鋼軌活動(dòng)端運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)道床、扣件帶動(dòng)鋼軌向活動(dòng)端移動(dòng)，鋼軌位移受到路基上道床縱向阻力的約束，使得固定端以外的線(xiàn)路阻力拉著鋼軌使其受拉，活動(dòng)端以外的線(xiàn)路阻力頂住鋼軌使其受壓，同時(shí)道岔間的直曲基本軌與直曲尖軌之間、長(zhǎng)短心軌與翼軌之間由于限位器、間隔鐵的約束作用產(chǎn)生軌條附加力。鋼軌受到附加縱向力后，各截面將產(chǎn)生相應(yīng)的位移。這些附加力又反作用于梁跨或固定支座，墩頂發(fā)生縱向位移，使墩臺(tái)產(chǎn)生彈塑性變形，最終達(dá)到岔-橋-墩相互平衡的狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 地震作用下橋上無(wú)縫道岔梁軌相互作用示意

根據(jù)地震作用下橋上無(wú)縫道岔梁軌相互作用原理，建立了如圖2所示地震作用下岔-橋-墩動(dòng)力非線(xiàn)性有限元模型。以典型的單線(xiàn)鐵路連續(xù)梁橋?yàn)槔M(jìn)行計(jì)算，橋址位于Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地處，橋跨布置：3×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁+(32+48+32) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+3×32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁。

線(xiàn)路縱向阻力包括扣件縱向阻力和道床縱向阻力，取值參照《鐵路無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]、《無(wú)縫道岔計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法》[5]，考慮到兩者在循環(huán)往復(fù)荷載作用下變化特性的不同，根據(jù)實(shí)際情況分開(kāi)建模，均考慮為理想彈塑性的恢復(fù)力模型。鋼軌、梁體采用梁?jiǎn)卧M，通過(guò)設(shè)置梁體質(zhì)量單元來(lái)模擬二期恒載；下部墩臺(tái)和樁基采用梁?jiǎn)卧皬椈蓡卧M，考慮橋墩底部塑性鉸效應(yīng)；橋梁固定支座按線(xiàn)性彈簧處理，剛度取為1.0×108N/m，活動(dòng)支座按理想彈塑性彈簧模擬，摩擦系數(shù)為0.03[18-19]，開(kāi)始滑動(dòng)的臨界位移可取為3 mm，滑移前支座剛度為40 kN/m，支座恢復(fù)力模型采用與線(xiàn)路阻力恢復(fù)力模型相同的理想彈塑性滯回模型。以一定長(zhǎng)度路基計(jì)算段為邊界條件，為盡可能減少計(jì)算長(zhǎng)度不同產(chǎn)生的差異，路基計(jì)算長(zhǎng)度取120 m。

1.2 振動(dòng)方程建立

根據(jù)上述計(jì)算模型，地震作用下任意時(shí)刻結(jié)構(gòu)動(dòng)力平衡方程如下

(1)

[C]=α[M]+β[K]

(2)

式中，α、β分別為質(zhì)量阻尼系數(shù)和剛度阻尼系數(shù)，這兩個(gè)阻尼系數(shù)可通過(guò)振型阻尼比計(jì)算得到，即

(3)

(4)

其中，ωi、ωj分別為結(jié)構(gòu)的第i階和j階固有頻率；ξi、ξj為相應(yīng)于第i階和j階振型的阻尼比，這里取0.05。

1.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證地震作用下橋上無(wú)縫道岔模型建立方法及求解程序的正確性，以文獻(xiàn)[11]中的3跨32 m簡(jiǎn)支梁為例，均采用理想彈塑性模型模擬線(xiàn)路阻力，線(xiàn)路縱向阻力取為10 kN/m，極限位移取2 mm，輸入8度EI Centro地震波，如圖3所示，進(jìn)行地震作用下鋼軌縱向力分布規(guī)律和峰值的對(duì)比，提取左右橋臺(tái)處鋼軌最大拉壓力如表1所示。同時(shí)比較了不同線(xiàn)路阻力條件下對(duì)鋼軌受力的影響(第一跨簡(jiǎn)支梁右端)，見(jiàn)圖4。

圖3 El Centro Site地震波

表1 本文程序計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)對(duì)比 kN

圖4 不同線(xiàn)路阻力條件下計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表1和圖4可知，本文所建立的模型與文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果在數(shù)值和規(guī)律上均是一致的，存在少許差異，這是因?yàn)闃蛏蠠o(wú)縫道岔模型不同于橋上無(wú)縫線(xiàn)路模型而引起的差異，但整體相對(duì)誤差較小(差異在10%以?xún)?nèi))，驗(yàn)證了本文建立的地震作用下橋上無(wú)縫道岔動(dòng)力非線(xiàn)性模型的正確性，可以用來(lái)分析地震作用下橋上無(wú)縫道岔的受力與變形響應(yīng)規(guī)律。

2 橋上無(wú)縫道岔縱向地震響應(yīng)

2.1 道岔約束對(duì)橋梁自振頻率影響

根據(jù)上節(jié)中建立的有砟軌道連續(xù)梁橋上無(wú)縫道岔有限元模型，分析無(wú)鋼軌約束、無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌約束和無(wú)縫道岔鋼軌約束3種條件下，連續(xù)梁橋前10階自振頻率和振型特點(diǎn)，如表2所示。

由表2可知，考慮無(wú)縫線(xiàn)路和無(wú)縫道岔約束作用下，不僅提高了橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率而且改變了其振動(dòng)形態(tài)。軌條約束提高了橋梁的低階振動(dòng)頻率，這是因?yàn)闃蛏箱佋O(shè)無(wú)縫線(xiàn)路或無(wú)縫道岔時(shí)，軌條數(shù)增多，道床阻力增強(qiáng)，線(xiàn)路阻力的約束作用限制了梁體和橋墩的變形。同時(shí)鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路或無(wú)縫道岔還改變了橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)，第4階、第8階振動(dòng)形態(tài)從整體縱飄變?yōu)檎w橫彎，第5階、第10階振動(dòng)形態(tài)從整體橫彎變?yōu)檎w縱飄。

表2 橋梁前10階自振頻率及振型信息

2.2 鋼軌縱向力響應(yīng)

為了比較不同頻譜特性地震波的影響，同時(shí)選取EI Centro波、San Fernando波、James RD波(分別記為S1波、S2波、S3波)，如圖5所示。S1波、S2波、S3波作用下鋼軌縱向力峰值包絡(luò)線(xiàn)如圖6所示。

圖5 地震波加速度時(shí)程

圖6 鋼軌縱向力包絡(luò)值

從圖6可以看出，地震作用下橋上無(wú)縫道岔的鋼軌縱向力最大值發(fā)生在6號(hào)梁縫處，在梁軌相對(duì)位移較小的連續(xù)梁跨中位置縱向力相比梁縫處要小很多，這與梁體溫差荷載下作用規(guī)律相似。在加速度峰值(0.1g)相同的條件下，S1波、S3波作用下的直基本軌最大縱向力比S2波計(jì)算結(jié)果較大，這是因?yàn)镾1波、S3主頻分別為1.40、1.47 Hz，地震波能量集中在0.58～2.0 Hz內(nèi)，最接近連續(xù)梁橋一階主頻1.02 Hz，容易使得連續(xù)梁橋在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)共振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力變形急劇增大。

2.3 梁軌相對(duì)位移響應(yīng)

在位移響應(yīng)方面，S1地震波作用下各關(guān)鍵點(diǎn)處梁軌相對(duì)位移時(shí)程曲線(xiàn)如圖7所示，3種不同頻譜特性地震波作用下6號(hào)墩位置的梁軌相對(duì)位移時(shí)程如圖8所示。

圖7 S1波作用下梁軌相對(duì)位移時(shí)程

圖8 6號(hào)墩處梁軌相對(duì)位移時(shí)程

由圖8可知，在不同頻譜特性的地震波對(duì)應(yīng)的梁軌相對(duì)位移最大值不同，S1波、S3波作用下的梁軌相對(duì)位移比S2波作用結(jié)果要大，該規(guī)律與上節(jié)中鋼軌最大縱向力分析原因相同，不再贅述。其中S1、S2、S3波作用下梁軌殘余相對(duì)位移分別為1.4、0.2、0.9 mm，道岔鋼軌、梁體位移均未停留在平衡點(diǎn)位置是因?yàn)榫€(xiàn)路阻力的非線(xiàn)性和橋墩塑性鉸的非線(xiàn)性造成的。

3種地震波作用過(guò)程中的梁軌相對(duì)位移均超過(guò)4 mm，地震荷載與列車(chē)制啟動(dòng)荷載類(lèi)似，在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，短時(shí)間內(nèi)過(guò)大的梁軌相對(duì)位移會(huì)改變道床阻力狀態(tài)，破壞道床結(jié)構(gòu)、降低道床縱橫向阻力，增加道床離散性，影響線(xiàn)路穩(wěn)定性。

2.4 道岔關(guān)鍵部件受力與變形響應(yīng)

3種不同頻譜特性地震波作用下橋上無(wú)縫道岔聯(lián)結(jié)件限位器、間隔鐵受力、直曲尖軌相對(duì)基本軌位移、長(zhǎng)短心軌相對(duì)翼軌位移、轉(zhuǎn)轍機(jī)處基本軌相對(duì)橋梁位移最大值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同地震波下的道岔聯(lián)結(jié)件受力以及關(guān)鍵點(diǎn)相對(duì)位移

為保證無(wú)縫道岔的安全運(yùn)營(yíng)，需進(jìn)行限位器以及間隔鐵聯(lián)結(jié)螺栓強(qiáng)度檢算以及尖軌心軌相對(duì)位移檢算。其中S1波作用下的限位器和間隔鐵受力最大，最大限位器縱向力為-82.5 kN，間隔鐵最大縱向力為-85.8 kN，均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表3列出了道岔自由伸縮部分關(guān)鍵位置的相對(duì)位移，比較3種不同地震波激勵(lì)，直曲尖軌相對(duì)基本軌位移、長(zhǎng)短心軌相對(duì)翼軌位移較小均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。3種地震波作用下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)轍器、轍岔兩部分轉(zhuǎn)轍機(jī)處基本軌相對(duì)橋梁正、反位移的最大值為4.3、-6.8 mm，已超過(guò)規(guī)范限值，應(yīng)提高轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿、連接桿的材料強(qiáng)度，同時(shí)震后應(yīng)及時(shí)檢查連接桿、鎖閉桿是否發(fā)生彎折扭轉(zhuǎn)，以及道岔線(xiàn)型是否滿(mǎn)足要求，確保道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)正常以及行車(chē)安全。

3 橋上無(wú)縫道岔縱向地震響應(yīng)影響因素分析

3.1 地震加速度峰值影響

為探討不同加速度峰值地震作用下橋上無(wú)縫道岔的響應(yīng)規(guī)律，選取S1(El Centro)地震波，將峰值調(diào)整為0.05g、0.1g、0.3g，分別相當(dāng)于抗震設(shè)防烈度為6、7、8度設(shè)計(jì)地震。鋼軌縱向力與梁軌相對(duì)位移的峰值、道岔關(guān)鍵部件的受力與變形計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表4、表5。

表4 不同地震加速度峰值時(shí)鋼軌最大受力與變形

表5 不同地震加速度峰值時(shí)道岔聯(lián)結(jié)件受力

從表4可以看出，加速度峰值對(duì)地震波作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響顯著，隨著加速度峰值的增大，鋼軌縱向力、梁軌相對(duì)位移隨之相應(yīng)增長(zhǎng)。高烈度地震荷載作用下梁軌相對(duì)位移要遠(yuǎn)大于列車(chē)荷載制、啟動(dòng)作用下的梁軌相對(duì)位移，在連續(xù)梁右端的梁縫位置，僅a=0.3g的8度區(qū)設(shè)計(jì)地震烈度時(shí)梁軌相對(duì)位移最大值就為51.4 mm，已遠(yuǎn)超過(guò)4 mm。

從表5可知，限位器和間隔鐵受力均隨著加速度峰值的增大而增加，峰值未超過(guò)容許限值373 kN。但在轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移方面，當(dāng)加速度峰值a=0.3g時(shí)其最大值達(dá)到了43.3 mm，是高烈度地震作用下過(guò)大的梁軌相對(duì)位移較大導(dǎo)致的。高烈度地震作用下，橋上無(wú)縫道岔基本軌相對(duì)橋梁位移得不到保障，轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿、連接桿、鎖閉桿之間容易出現(xiàn)較大的錯(cuò)動(dòng)，桿件被折斷，轉(zhuǎn)轍機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能，影響行車(chē)安全。

3.2 岔區(qū)阻力影響

考慮到岔區(qū)縱向阻力形式的多樣性，道床結(jié)構(gòu)的離散性，以及有砟、無(wú)砟軌道岔區(qū)阻力的不同，因此有必要分析在不同大小的岔區(qū)阻力下地震作用橋上無(wú)縫道岔響應(yīng)分析。不考慮扣件縱向阻力變化，在基本工況的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算岔區(qū)道床縱向阻力系數(shù)α=1.0、2.0、4.0三種工況下的橋上無(wú)縫道岔的地震響應(yīng)規(guī)律。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6、表7。

表6 不同岔區(qū)阻力時(shí)鋼軌、橋墩最大受力與變形

表7 不同岔區(qū)時(shí)道岔聯(lián)結(jié)件受力以及關(guān)鍵點(diǎn)相對(duì)位移

從表6可以看出，隨著道床縱向阻力的增大，梁軌相互約束作用增強(qiáng)，地震作用下上部軌道結(jié)構(gòu)會(huì)耗散掉更多的能量，軌條縱向力增加，梁軌相對(duì)位移減小，并呈非線(xiàn)性關(guān)系。從表7可得，隨著縱向阻力的增加，道岔限位器、間隔鐵受力增加，但均未超過(guò)限值373 kN。曲尖軌、長(zhǎng)心軌、短心軌的相對(duì)位移均隨著阻力系數(shù)的增大變化不大，相比于規(guī)范限值仍然較小，均滿(mǎn)足小于5 mm要求。

3.3 梁體溫差影響

工程實(shí)際中，由于地震的突發(fā)性，很有可能發(fā)生在一天之內(nèi)當(dāng)?shù)貧鉁刈罡呋蜃畹忘c(diǎn)，此時(shí)必然會(huì)伴隨著環(huán)境溫度的作用。梁體溫差的存在使得鋼軌內(nèi)部本身已經(jīng)聚集了較大的溫度附加力，再加之地震縱向作用的耦合，鋼軌內(nèi)力在兩因素同時(shí)作用下重新分布，極有可能造成軌縫增大，軌條被拉斷。首先以?xún)H梁體降溫15 ℃為例，3號(hào)、4號(hào)、連續(xù)梁跨中、5號(hào)、6號(hào)位置的鋼軌縱向力時(shí)程如圖9所示，不同降溫條件下連續(xù)梁右端6號(hào)梁縫位置的鋼軌縱向力時(shí)程如圖10所示。

圖9 梁體降溫15 ℃鋼軌縱向力時(shí)程

圖10 6號(hào)梁縫位置鋼軌縱向力時(shí)程

從圖9、圖10可以看出，由于在地震力發(fā)生之初，在梁體降溫條件下梁軌系統(tǒng)中已經(jīng)存在著初始附加力和初始位移，鋼軌最大縱向附加力發(fā)生在連續(xù)梁右端梁縫位置，降溫5、10、15 ℃對(duì)應(yīng)的鋼軌附加力最大值分別為116.1、217.1、254.3 kN。隨后橋梁受到地震外部激勵(lì)，造成梁體縱向平動(dòng)，與初期溫度荷載下的橋梁位移疊加，使得橋上無(wú)縫道岔鋼軌縱向力重新分布。從圖10可以看出，在不同梁體溫降條件下，僅初始1 s內(nèi)的鋼軌縱向力時(shí)程不同，隨后鋼軌縱向力變化有地震作用控制，不同初始溫變對(duì)應(yīng)的鋼軌縱向力相差不大。

進(jìn)一步分析鋼軌、梁體共同溫變條件下橋上無(wú)縫道岔地震響應(yīng)規(guī)律，見(jiàn)圖11及表8。同時(shí)比較了地震作用前后軌條附加力變化情況，見(jiàn)圖12。

圖11 6號(hào)梁縫位置鋼軌縱向力時(shí)程

表8 升溫條件下道岔受力與變形

圖12 鋼軌縱向附加力震前震后比較

從圖11鋼軌縱向力時(shí)程規(guī)律可以得出，同時(shí)考慮梁軌溫變時(shí)，鋼軌縱向力變化趨勢(shì)不變，相當(dāng)于在原有鋼軌附加力基礎(chǔ)上增加了鋼軌溫度力。而且從圖中可以看出，鋼軌縱向力最大值已達(dá)到2555.4 kN，鋼軌最大應(yīng)力為329.9 MPa，在未考慮動(dòng)彎應(yīng)力、制動(dòng)附加力的情況下，已接近U71MnG鋼軌允許應(yīng)力352 MPa?？梢缘贸?，在鋼軌溫變較高，又同時(shí)考慮地震荷載效應(yīng)時(shí)，鋼軌強(qiáng)度和線(xiàn)路穩(wěn)定性均得不到保障。

從表8可以看出，在同時(shí)考慮鋼軌、橋梁溫變時(shí)，地震作用下的橋上無(wú)縫道岔聯(lián)結(jié)件受力、關(guān)鍵點(diǎn)位置變化聚增。當(dāng)鋼軌溫升30 ℃，梁體溫升15 ℃時(shí)，道岔間隔鐵最大受力為411.5 kN，超過(guò)容許縱向力限值373 kN。直曲尖軌、轉(zhuǎn)轍機(jī)處梁軌相對(duì)位移也都超限。

從圖12可以看出，震后鋼軌縱向力分布規(guī)律和峰值均發(fā)生了較大變化，梁縫和跨中位置處鋼軌縱向力峰值均比震前減小，部分梁縫處甚至出現(xiàn)了鋼軌縱向力峰值反向變化，這種現(xiàn)象應(yīng)與地震作用下線(xiàn)路縱向阻力往復(fù)變化對(duì)鋼軌內(nèi)力重分布有密切關(guān)系。

4 結(jié)論和建議

本文建立了地震作用下岔-橋-墩動(dòng)力非線(xiàn)性有限元模型，分析了地震波頻譜特性、地震動(dòng)加速度峰值、岔區(qū)阻力、梁體溫差等因素下的有砟軌道橋上無(wú)縫道岔地震作用響應(yīng)規(guī)律。主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論和建議。

(1)因地震波頻譜特性對(duì)橋上無(wú)縫道岔響應(yīng)影響非常顯著，對(duì)于鐵路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，可以通過(guò)改變橋墩剛度、梁體橋墩質(zhì)量、支座布置方式以及支座摩擦系數(shù)等，使結(jié)構(gòu)低階自振頻率有效地避開(kāi)場(chǎng)地處地震波的低階頻段。

(2)橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)階段，在橋梁抗震設(shè)防等級(jí)為7級(jí)設(shè)計(jì)地震烈度及以下時(shí)，對(duì)有砟軌道橋上無(wú)縫道岔的設(shè)計(jì)檢算，將《鐵路無(wú)縫線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10015—2012)中的伸縮工況、撓曲工況、制動(dòng)工況重新考慮為鋼軌溫變、梁體溫變與地震荷載組合工況、撓曲與地震荷載組合工況與地震荷載組合工況(取兩者中的較大值)、制動(dòng)工況，見(jiàn)表9；道岔聯(lián)結(jié)件、關(guān)鍵位置相對(duì)位移也按梁體溫變與地震荷載組合工況下計(jì)算結(jié)果取值，與規(guī)范限值比較。

表9 設(shè)計(jì)地震下軌道強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算組合

注：軌道穩(wěn)定性容許力1 950 kN為新Ⅲ型橋枕60 kg/m鋼軌無(wú)縫線(xiàn)路理論值[17]。

(3)橋上無(wú)縫道岔設(shè)計(jì)階段，當(dāng)橋梁抗震設(shè)防等級(jí)為7級(jí)設(shè)計(jì)地震烈度以上時(shí)，建議軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍按7級(jí)設(shè)計(jì)地震荷載考慮。當(dāng)高烈度或罕遇地震發(fā)生時(shí)，路基、橋梁、隧道結(jié)構(gòu)均極易發(fā)生破壞，即使按極高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，也很難達(dá)到要求，同時(shí)得不到保證，此時(shí)已無(wú)研究鐵路軌道結(jié)構(gòu)抗震意義。

(4)在線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)維修方面，震后應(yīng)及時(shí)對(duì)橋上無(wú)縫道岔狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，包括鋼軌應(yīng)力是否超限，道床縱橫向阻力大小，對(duì)線(xiàn)路發(fā)生屈曲失穩(wěn)，線(xiàn)性破壞的線(xiàn)路，應(yīng)及時(shí)整治矯正。檢查限位器、間隔鐵聯(lián)結(jié)螺栓是否被剪壞，尖軌心軌相對(duì)位移是否超限，轉(zhuǎn)轍機(jī)處動(dòng)作桿、連接桿、鎖閉桿是否發(fā)生彎折扭轉(zhuǎn)，確保道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作正常及行車(chē)安全。

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