高烈度地震區(qū)高鐵多跨簡(jiǎn)支梁橋縱向倒塌模式研究

摘要： 為明確高鐵多跨簡(jiǎn)支梁橋倒塌模式，以中國(guó)西北地區(qū)10跨高鐵簡(jiǎn)支梁橋?yàn)閷?shí)際工程背景，結(jié)合橋上雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立軌?橋一體化計(jì)算模型。采用顯式積分法與能量法研究該類(lèi)無(wú)砟軌道橋梁在高烈度地震區(qū)的縱向倒塌模式。結(jié)果表明：高鐵多跨簡(jiǎn)支梁橋破壞的關(guān)鍵部位主要集中在橋梁伸縮縫處的軌道區(qū)域、支座及支座接觸面的混凝土區(qū)域、橋墩墩底區(qū)域；確定了10跨高鐵簡(jiǎn)支梁橋倒塌判別的能量比值為89.33%；通過(guò)將橋梁伸縮縫處的軌道板與凹槽截面耦合連接，將結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化，提高了軌道與橋梁連結(jié)的整體性，避免橋梁伸縮縫處軌道在地震初期成為橋梁破壞的關(guān)鍵部位，結(jié)構(gòu)體系抗倒塌時(shí)間延長(zhǎng)了約45%，減小了落梁概率，提高了橋梁的整體抗倒塌能力。

關(guān)鍵詞： 雙塊式無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支梁橋； 縱向倒塌模式； 高烈度地震區(qū)； 顯式積分法； 能量法

中圖分類(lèi)號(hào)： U448.13； U442.5+5 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A " "文章編號(hào)： 1004-4523（2025）03-0579-08

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2025.03.014

Research on longitudinal collapse mode of multi?span simply?supported beam bridges of high?speed railway in high intensity seismic zone

LIU Zunwen1，2， LIANG Gangyi1， CHEN Xingchong1， DENG Yongjie1， LI Xinjing1

（1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China； 2.Key Laboratory of Road amp; Bridge and Underground Engineering of Gansu Province，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

Abstract： In order to clarify the collapse mode of multi-span simply-supported beam bridges of high-speed railway， a 10-span high-speed railway simply-supported beam bridge in northwest China is taken as the actual engineering background. Combined with the characteristics of double block ballastless track structure on the bridge， the track-bridge integration research model is established. The collapse mode of this kind of ballastless track bridge in high intensity earthquake zone is studied by using explicit integral method and energy method. The results show that the key parts of the destruction of high-speed railway multi-span simply-supported beam bridge mainly concentrate on the track area of the bridge expansion joint， the concrete area of the support and the support contact surface， and the bottom area of the pier. The energy ratio of the 10-span high-speed railway simply-supported beam bridge collapse discrimination is 89.33%. By coupling the track plate and the groove section at the bridge expansion joint to optimize the structural system， the integrity of the track and bridge connection is improved， so that the track at the bridge expansion joint avoids becoming the key part of the destruction at the early stage of the earthquake. The collapse time of structural system is prolonged by about 45%， and the probability of the beam falling is reduced， so that the overall collapse resistance ability of the bridge is improved.

Keywords： double block ballastless track simply?supported beam bridge；longitudinal collapse mode；high intensity earthquake zone；display integration method；energy method

目前，工程結(jié)構(gòu)的倒塌問(wèn)題在土木工程領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，成為土木工程學(xué)科的前沿研究問(wèn)題之一，由于高鐵橋梁使用無(wú)砟軌道系統(tǒng)，高鐵橋梁的破壞及倒塌問(wèn)題在近些年逐漸被重視［1?4］。高鐵橋梁多采用“以橋代路”的形式鋪設(shè)，其中多跨簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)形式尤為常見(jiàn)。而中國(guó)高鐵以“八縱八橫”規(guī)劃的客運(yùn)專(zhuān)線多處于地震危險(xiǎn)性較高的活動(dòng)斷層，無(wú)砟軌道橋梁缺少大震考驗(yàn)，因此研究高鐵橋梁的倒塌模式，貫徹“大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)理念，確保高鐵線路運(yùn)營(yíng)的安全性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［5?7］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高烈度區(qū)橋梁的倒塌開(kāi)展了大量研究。DI PRISCO等［7］采用簡(jiǎn)化的線彈性和非線性有限元模型對(duì)意大利北部一座鋼筋混凝土立交橋進(jìn)行了安全性評(píng)估，并分析了導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌的原因。FERRO等［8］依托意大利皮埃蒙特地區(qū)“拉雷阿萊”高架橋，對(duì)導(dǎo)致高架橋其中一跨垮塌的原因展開(kāi)了研究，基于橋梁荷載試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)規(guī)范建議的安全系數(shù)，采用兩種方法對(duì)可變交通荷載的分項(xiàng)安全系數(shù)進(jìn)行了評(píng)估。BENIN等［9］將混凝土塑性損傷模型運(yùn)用于俄羅斯阿穆?tīng)柕貐^(qū)某高速公路橋梁倒塌的計(jì)算中，結(jié)果表明混凝土是準(zhǔn)脆性材料，且表現(xiàn)出復(fù)雜的軟化行為。熊文等［10］以江西一座發(fā)生嚴(yán)重沖刷病害的橋梁為依托，運(yùn)用仿真分析法，明確判斷淺基礎(chǔ)雙曲拱橋倒塌的關(guān)鍵指標(biāo)是拱腳和橋墩接觸應(yīng)力，揭示了該類(lèi)橋型水毀的破壞模式。賈宏宇等［11］考慮橋墩材料非線性、損傷過(guò)程大變形非線性以及梁端非線性碰撞，建立大跨度連續(xù)梁橋損傷數(shù)值模型，直觀地模擬結(jié)構(gòu)體系在大震下的破壞過(guò)程。鄭小博等［12］以鋼桁?混凝土組合連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用能量法和顯式積分法，對(duì)其構(gòu)件重要性、破壞后剩余結(jié)構(gòu)冗余度和倒塌行為開(kāi)展研究，探明了該類(lèi)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的重要性分布特征和結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌機(jī)制。游四方等［13］為了模擬脈沖地震作用下簡(jiǎn)支梁橋的倒塌過(guò)程，運(yùn)用有限元軟件建立簡(jiǎn)支梁橋三維模型，研究人工合成地震動(dòng)對(duì)簡(jiǎn)支梁橋倒塌過(guò)程和地震響應(yīng)的影響，總結(jié)了地震作用下簡(jiǎn)支梁橋的倒塌模式。雷軍虎等［14］建立高鐵大跨連續(xù)剛構(gòu)橋線橋一體化模型，采用地震易損性分析方法確定了橋梁倒塌的地震動(dòng)峰值加速度。梁巖等［15］以一座高鐵剛構(gòu)橋?yàn)槔?，采用地震易損性分析方法研究橋梁的損傷狀態(tài)。胡章亮等［16］通過(guò)研究高鐵橋墩單獨(dú)構(gòu)件的損傷來(lái)評(píng)估整個(gè)高鐵橋梁的損傷及破壞情況。

1 軌?橋一體化計(jì)算模型的建立

1.1 工程概況

選取中國(guó)西北地區(qū)10 m×32 m高鐵雙線簡(jiǎn)支箱梁橋，頂板寬度為13.4 m，底板寬5.5 m，截面梁高為2.6 m，梁體材料為C40混凝土；橋墩高12 m，截面長(zhǎng)6 m，寬2.5 m，材料為C35混凝土。橋墩箍筋和縱筋均采用直徑為20 mm的HRB335鋼筋。軌道板及底座板混凝土強(qiáng)度均為C60，截面尺寸分別為2.8 m×0.26 m和3.4 m×0.175 m。橋梁所在場(chǎng)地類(lèi)型為Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地，多為緊密的碎石土，可忽略樁土相互作用，抗震設(shè)防烈度為9度，其罕遇地震加速度峰值為0.64g。

1.2 雙塊式無(wú)砟軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

雙塊式無(wú)砟軌道采用CRTS Ⅰ型和CRTS Ⅱ型兩種軌道板。CRTS Ⅰ型軌道由底座及凹槽（或凸臺(tái)）、隔離層、道床板、雙塊式軌枕、CHN60型鋼軌及扣件組成。CRTS Ⅱ型軌道由保護(hù)層、底座板、隔離層、道床板、抗剪凸臺(tái)、雙塊式軌枕、CHN60型鋼軌及扣件組成。兩種軌道道床板均采用縱向分塊澆筑，軌枕采用通用的軌枕。梁體上設(shè)有預(yù)埋鋼筋，用來(lái)與CRTS Ⅰ型軌道底座板及CRTS Ⅱ型軌道保護(hù)層相連。而道床板與底座板采用土工布隔離。凹槽及抗剪凸臺(tái)四周設(shè)置有剛度較大的彈性墊板［16］，軌道結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩種軌道施工方法不同，但在構(gòu)造與受力上極為相似，故本文建立統(tǒng)一的雙塊式無(wú)砟軌道計(jì)算模型。

1.3 計(jì)算模型的建立

本文采用ABAQUS有限元軟件建立10 m×32 m的雙塊式無(wú)砟軌道高鐵簡(jiǎn)支梁橋軌?橋一體化計(jì)算模型，橋梁伸縮縫為0.1 m，伸縮縫上覆軌道系統(tǒng)，梁端支撐長(zhǎng)度為1.2 m。支座采用減隔震支座，建模過(guò)程中忽略樁土相互作用，將橋墩墩底固結(jié)，忽略軌道扣件的縱向阻力效應(yīng)，根據(jù)鋼材與混凝土材料的彈性模量比，在確保剛度不變的前提下，通過(guò)調(diào)整材料容重保證總質(zhì)量不變，將鋼軌截面換算成混凝土截面，并將鋼軌、雙塊式軌枕及道床板集成一個(gè)截面。換算的鋼軌截面尺寸為0.176 m×0.44 m，混凝土容重為2.5 t/m^3，軌道集成截面等效質(zhì)量為2.1 t/m。計(jì)算模型如圖2所示。

道床板與底座板之間的凹槽墊片采用非線性彈簧模擬，模擬方式為：在相應(yīng)截面建立參考點(diǎn)并進(jìn)行點(diǎn)面耦合，如圖2（d）所示，通過(guò)調(diào)整耦合面半徑大小來(lái)近似模擬凹槽（抗剪凸臺(tái)）與橋梁接觸面的大小，并采用連接器單元CONNECTOR連接參考點(diǎn)，在連接器彈性參數(shù)中輸入凹槽墊片的對(duì)應(yīng)剛度，塑性參數(shù)中輸入雙折線模型的力與位移數(shù)據(jù)，失效命令中輸入彈簧失效的剪力限值。通過(guò)在軌道兩端面建立參考點(diǎn)，并在離軌道兩端一定距離處建立固結(jié)點(diǎn)，將固結(jié)點(diǎn)和參考點(diǎn)通過(guò)CONNECTOR單元連接，模擬后繼結(jié)構(gòu)對(duì)軌道的約束效應(yīng)。減隔震支座亦采用彈簧連接器CONNECTOR單元。凹槽墊片、后繼結(jié)構(gòu)、減隔震支座的CONNECTOR單元分別有200個(gè)、4個(gè)、40個(gè)。集成軌道和底座板、梁體、橋墩采用實(shí)體單元SOILD C3D8R模擬，分別有12480個(gè)、46200個(gè)、12705個(gè)單元，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，為了不占用大量計(jì)算空間，梁體、集成軌道、底座板單元網(wǎng)格大小約為0.366 m，橋墩網(wǎng)格大小約為0.6 m。鋼筋采用桁架單元T3D2模擬，共66815個(gè)單元。

支座縱向與橫向剛度為1×105 kN/m，豎向剛度取為1×109 kN/m，用雙線性理想彈塑性模型模擬［17］，模擬方式與凹槽墊片相同。鋼筋本構(gòu)模型采用雙折線模型，如圖3所示。圖中，εy為屈服應(yīng)變，E0為屈服前彈性模量，E1為屈服后彈性模量。取鋼筋的屈服應(yīng)力為302 MPa，極限應(yīng)力為455 MPa，彈性模量為200 GPa，極限塑性應(yīng)變?yōu)?.075?；炷帘緲?gòu)模型采用CDP模型，如圖4所示?；炷了苄詤?shù)如表1所示。后繼結(jié)構(gòu)和凹槽墊片剛度分別取為7.72×104和1.8×105 kN/m［18］，接觸采用通用接觸，法向接觸為“硬”接觸，切向接觸摩擦系數(shù)參照文獻(xiàn)［19］取為0.15，底座板與梁體之間采用預(yù)埋鋼筋固結(jié)，在模型中采用綁定命令將底座板固結(jié)于梁體上。

1.4 各構(gòu)件破壞限值定義

混凝土單軸受壓應(yīng)力?應(yīng)變曲線計(jì)算公式為：

式中，α_t為混凝土單軸受拉應(yīng)力?應(yīng)變曲線下降段參數(shù)值；f_（t，r）為混凝土單軸抗拉強(qiáng)度代表值；ε_(tái)（t，r）為與單軸抗拉強(qiáng)度代表值對(duì)應(yīng)的混凝土峰值拉應(yīng)變；d_t為混凝土單軸受拉損傷因子。

為研究結(jié)構(gòu)何時(shí)破壞，以及使結(jié)構(gòu)破壞的可視化更加直觀，模型采用顯式積分法計(jì)算，并定義橋梁各構(gòu)件破壞的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于實(shí)體單元，運(yùn)用單元?dú)⑺兰夹g(shù)，即單元達(dá)到破壞極限后ABAQUS可自動(dòng)刪去單元，使模型的破壞效果更加直觀。各構(gòu)件破壞限值具體定義如下：

（1）在混凝土塑性損傷數(shù)據(jù)中合理定義損傷因子和混凝土應(yīng)力?應(yīng)變的極限值關(guān)鍵字，當(dāng)混凝土達(dá)到該值后可認(rèn)為破壞，具體根據(jù)混凝土極限拉壓應(yīng)變值定義，通過(guò)混凝土塑性損傷模型公式確定混凝土破壞時(shí)的損傷因子，計(jì)算公式如式（2）和（7）所示，C35混凝土極限壓應(yīng)變?yōu)?.02，則受壓損傷因子為0.95；極限拉應(yīng)變?yōu)?.001，則受拉損傷因子為0.93。C40混凝土極限壓應(yīng)變?yōu)?.022，則受壓損傷因子為0.95；極限拉應(yīng)變?yōu)?.0011，則受拉損傷因子為0.94。C60混凝土極限壓應(yīng)變?yōu)?.025，則受壓損傷因子為0.97；極限拉應(yīng)變?yōu)?.0014，則受拉損傷因子為0.96。

（2）鋼材的破壞則是在塑性破壞中定義鋼材的極限拉應(yīng)力，HRB335鋼筋以其極限拉應(yīng)力455 MPa為破壞限值。

（3）軌道是鋼軌和道床板的集成，所以在定義軌道破壞時(shí)，根據(jù)兩者所占集成截面的比例，調(diào)整了軌道破壞的上下限應(yīng)力值和損傷因子，增大了軌道的應(yīng)力?應(yīng)變的上下限值，使其更接近軌道的實(shí)際破壞，計(jì)算方法同（1），其極限壓應(yīng)變?yōu)?.03，受壓損傷因子為0.97；極限拉應(yīng)變?yōu)?.004，受拉損傷因子為0.99。

（4）對(duì)于支座，最大位移限值為±100 mm，滑動(dòng)支座最大剪力限值為±150 kN，固定支座最大剪力限值為±1500 kN［17］，當(dāng)剪切力超過(guò)彈簧支座的限值時(shí)彈簧支座失效，改由橋墩和主梁直接作用，采用接觸方式模擬。

1.5 基于結(jié)構(gòu)的能量倒塌準(zhǔn)則

針對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系，本文基于能量法確定高鐵橋梁整體倒塌判別的能量比臨界值［19?21］。

由能量平衡可知，外力所做功總是等于能量的增量，當(dāng)結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞時(shí)，結(jié)構(gòu)在地震作用下滿(mǎn)足方程：

?E_K （t）+?E_R （t）+?E_H （t）+?E_D （t）=?W（t） （10）

式中，?E_K （t）、?E_R （t）、?E_H （t）、?E_D （t）分別為結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)能增量、應(yīng)變能增量、沙漏能增量及阻尼能增量；?W（t）為外力在時(shí)間增量上所做的功。

本文計(jì)算運(yùn)用單元?dú)⑺兰夹g(shù)，當(dāng)單元被刪除時(shí)，單元的質(zhì)量和阻尼信息亦被刪除，此時(shí)結(jié)構(gòu)累計(jì)外力所做功無(wú)法和剩余結(jié)構(gòu)總能量相平衡，結(jié)構(gòu)體系的平衡關(guān)系被打破，當(dāng)結(jié)構(gòu)足夠多的關(guān)鍵構(gòu)件被破壞后，結(jié)構(gòu)體系將發(fā)生倒塌。因此，定義剩余結(jié)構(gòu)在t時(shí)刻由地震產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)體系總能量E（t）和該時(shí)刻外力所做功W（t）的比值為能量比ξ，當(dāng)ξ小于臨界值ξ_d時(shí)可認(rèn)為結(jié)構(gòu)倒塌，具體如下式所示：

ξ=E（t）/W（t） lt;ξ_d （11）

1.6 地震動(dòng)的選取

高烈度區(qū)橋梁倒塌分析僅考慮一致激勵(lì)的情況，依據(jù)地震動(dòng)的頻譜特性、有效峰值、持時(shí)分別選取地震強(qiáng)度為0.35g、0.10g和0.32g的El Centro，Taft及Sanfer共3條記錄地震波，通過(guò)放大系數(shù)將地震動(dòng)強(qiáng)度調(diào)至0.65g，該值通過(guò)試算得到，其地震強(qiáng)度大于9度區(qū)罕遇地震強(qiáng)度，為特大地震。包含了峰值加速度的地震動(dòng)如圖5所示。在剛體地面左端參考點(diǎn)輸入縱向地震動(dòng)，由剛體地面震動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)模型震動(dòng)。

1.7 分析步時(shí)長(zhǎng)設(shè)置

通過(guò)試算得出，模型在強(qiáng)度為0.65g的3條地震動(dòng)下的倒塌時(shí)間均在10 s內(nèi)，為了保證計(jì)算精度，同時(shí)確保不占用大量的計(jì)算空間，本文將分析步總時(shí)長(zhǎng)設(shè)為11.1 s，模型分析步長(zhǎng)為0.01 s。為確保模型順利計(jì)算，前0.1 s為模型自動(dòng)尋找接觸對(duì)時(shí)間，重力及地震動(dòng)未參與計(jì)算。而接下來(lái)的1 s是模型靜力計(jì)算時(shí)間，此時(shí)重力參與計(jì)算。后10 s為包含地震加速度峰值在內(nèi)的地震動(dòng)前10 s，此時(shí)重力和地震動(dòng)均參與計(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 橋梁縱向倒塌模式

本文以Taft地震動(dòng)下橋梁的縱向倒塌模式為代表進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖6所示，圖7為6#、9#墩滑動(dòng)支座剪力時(shí)程曲線。

從圖6可以得出，當(dāng)t=3.5 s時(shí)，橋梁伸縮縫處軌道、支座頂部梁體混凝土及橋墩底部混凝土應(yīng)力值較大，2#墩墩頂梁縫處軌道發(fā)生破壞；當(dāng)t=4 s時(shí)，6#墩墩底一側(cè)混凝土脫落，鋼筋外露，橋墩破壞率為1%；當(dāng)t=5 s時(shí)，多個(gè)梁縫處軌道及橋墩墩底混凝土破壞，但未徹底破壞，橋墩仍然有支撐能力，其中6#、9#墩墩底混凝土分別破壞9%、11%；當(dāng)t=5.5 s時(shí)， 6#、9#墩墩頂滑動(dòng)支座剪切力達(dá)到限值，發(fā)生失效破壞，如圖7所示。同時(shí)6#、9#墩右側(cè)墩底混凝土大面積破壞，橋墩向右開(kāi)始傾倒，這時(shí)結(jié)構(gòu)體系開(kāi)始倒塌，其中6#、9#墩破壞率分別為21%、18%；當(dāng)t=6 s時(shí)，所有橋墩墩底混凝土都發(fā)生不同程度的破壞，6#、9#墩墩頂梁端位移過(guò)大，梁端支撐長(zhǎng)度超限，造成落梁破壞，梁體在落梁過(guò)程中梁縫間產(chǎn)生碰撞，并造成梁端損傷；當(dāng)t=6.5 s時(shí)，橋梁各關(guān)鍵部件徹底破壞，橋梁使用功能喪失，橋梁倒塌。

2.2 結(jié)構(gòu)倒塌準(zhǔn)則能量比值的確定

利用ABAQUS有限元軟件中自帶的結(jié)構(gòu)總能量和外力所做功計(jì)算模塊，可得出模型計(jì)算過(guò)程中的總能量和外力所做功，如圖8所示。

從圖8中得出在3條地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的總能量和外力所做功，在地震激勵(lì)下，梁縫處軌道、支座、墩底區(qū)域等關(guān)鍵構(gòu)件的單元逐漸達(dá)到應(yīng)力極限而發(fā)生破壞，但部分構(gòu)件的破壞并沒(méi)有讓結(jié)構(gòu)累計(jì)所受外力功突增，而是隨著構(gòu)件的破壞而逐步增加，并逐漸大于結(jié)構(gòu)總能量。

在對(duì)能量比取值時(shí)，必然會(huì)受到不同地震動(dòng)離散性的影響，本文選取了3條地震動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，得出了各地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)體系的能量比變化曲線，如圖9所示。從圖9可以得出，3條地震動(dòng)能量比變化趨勢(shì)相似，但因頻譜特性、離散性等影響使得其存在一定的差異性。在Taft地震動(dòng)下，結(jié)構(gòu)在5.5 s時(shí)的能量比突然變小且小于1，再結(jié)合圖6（d）可判斷此時(shí)橋梁開(kāi)始倒塌，此時(shí)能量比為0.89，則可知結(jié)構(gòu)體系在Taft地震動(dòng)下能量比的臨界值為0.89。El Centro地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)在4.5 s開(kāi)始倒塌，其能量比臨界值為0.91。Sanfer地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)在6 s開(kāi)始倒塌，其能量比臨界值為0.88。取三者的均值可得到10跨高鐵簡(jiǎn)支梁橋的能量比值為89.33%，如表2所示。

2.3 計(jì)算模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)分析結(jié)構(gòu)體系在特大地震作用下的縱向倒塌模式，探究提高高鐵多跨簡(jiǎn)支梁橋抗倒塌能力的方法，本文在上述模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。即通過(guò)提高橋梁伸縮縫處軌道與道床板的連接性能，增加梁縫處軌道與梁體連接剛度，或在梁縫設(shè)置耗能裝置以減輕梁縫處地震作用對(duì)軌道的影響。為了模擬以上方案，本文通過(guò)將梁伸縮縫處軌道截面與凹槽參考點(diǎn)進(jìn)行耦合，來(lái)提高軌道與梁體連結(jié)的整體性。軌道優(yōu)化示意圖如圖10所示。

圖11為優(yōu)化后的計(jì)算模型在強(qiáng)度為0.65g的縱向Taft地震動(dòng)下的縱向倒塌模式，圖12為兩種模型下6#墩墩頂?shù)顾灰茣r(shí)程曲線。

在t=7 s時(shí)，橋梁部分橋墩墩底出現(xiàn)混凝土脫落，且部分支座及支座處梁體混凝土破壞。在t=8 s時(shí)，橋梁支座及支座處混凝土破壞嚴(yán)重，各墩底混凝土均出現(xiàn)破壞，6#、7#和11#墩破壞嚴(yán)重，墩底混凝土完全脫落，橋墩失去支撐能力，橋梁開(kāi)始倒塌，其中6#、7#、11#墩破壞率分別為18%、31%、26%。當(dāng)t=8.5 s時(shí)，各墩底失去支撐能力，大部分支座失效，橋梁整體倒塌。

由圖11和圖12可以得出，優(yōu)化后的計(jì)算模型提高了結(jié)構(gòu)整體抗倒塌能力，使橋梁倒塌的關(guān)鍵部位發(fā)生改變，地震初期結(jié)構(gòu)體系倒塌的關(guān)鍵部位不再是梁伸縮縫處軌道，而是橋墩，當(dāng)橋墩墩底被壓潰時(shí)，橋梁發(fā)生整體倒塌。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)體系的抗倒塌時(shí)間延長(zhǎng)了約45%。這是因?yàn)槟Ｐ蛢?yōu)化前，梁伸縮縫處軌道為地震初期橋梁倒塌的關(guān)鍵部位，一旦軌道破壞，由軌道約束形成的連續(xù)梁體系將轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)支梁體系，從而使結(jié)構(gòu)更易發(fā)生落梁破壞，橋墩將吸收更大的能量，加快了橋墩墩底的損傷，從而迅速倒塌，由此可見(jiàn)對(duì)橋梁伸縮縫處的軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是合理的。

3 結(jié) "論

本文以中國(guó)高鐵常見(jiàn)的多跨雙塊式無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支梁橋（10 m×32 m）為研究對(duì)象，采用顯式積分法和能量法對(duì)其地震下縱向倒塌模式進(jìn)行研究，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要得出以下結(jié)論：

（1）明確了該類(lèi)橋梁的破壞關(guān)鍵部位主要集中在橋梁伸縮縫處的軌道、支座及支座接觸面的混凝土區(qū)域、橋墩墩底區(qū)域，并且落梁破壞為主要縱向倒塌模式，邊跨附近與中跨橋墩破壞最為嚴(yán)重，在倒塌前損傷最嚴(yán)重的墩破壞率達(dá)到21%。

（2）針對(duì)地震作用下高鐵雙塊式無(wú)砟軌道簡(jiǎn)支梁體系，建議判別倒塌的能量比臨界值取為89.33%。

（3）通過(guò)將橋梁伸縮縫處的軌道板與凹槽截面耦合連接，對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化，可避免橋梁伸縮縫處軌道在地震初期成為橋梁破壞的關(guān)鍵部位，結(jié)構(gòu)體系抗倒塌時(shí)間延長(zhǎng)了約45%，減小了落梁震害的概率，提高了橋梁的整體抗倒塌能力。

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第一作者： 劉尊穩(wěn)（1985—），男，副教授。

E?mail：liuzunwen@lzjtu.edu.cn

通信作者： 梁剛毅（1995—），男，碩士研究生。

E?mail：2112684920@qq.com