(48+80+48) m连续梁桥与轨道系统地震响应规律研究

黄兴

(中铁四局集团第五工程有限公司，江西九江　332000)



(48+80+48) m连续梁桥与轨道系统地震响应规律研究

黄兴

(中铁四局集团第五工程有限公司，江西九江332000)

摘要:为研究高速铁路连续梁桥－轨道系统地震响应规律，采用非线性弹簧模拟线路纵向阻力，建立考虑轨道及下部结构的(48+80+48) m连续梁桥-轨道系统仿真模型，分析温度、活载和制动作用下桥上无缝线路梁轨相互作用纵向力分布规律，在此基础上，研究地震作用下连续梁桥－轨道系统动力响应特性。研究表明:温度、活载及列车制动作用下梁轨相对位移、钢轨应力等均在桥台附近取得极大值，地震频谱特性对梁轨系统动力响应有很大的影响。关键词:高速铁路;连续梁桥;线路纵向阻力;梁轨相互作用;地震响应

近年来，我国高速铁路发展迅速，为节约耕地、避免不良地质的影响，往往采用以桥代路的设计理念。我国高速铁路中桥梁长度占线路长度的比例达50%以上。我国高速铁路桥上广泛采用无缝线路技术，以改善桥梁运营条件，提高列车运行的平稳性。

目前我国西南地区(地震带)正开展大规模的高速铁路建设，山区高速铁路桥梁与轨道结构面临着地震灾害的严峻考验。因此，有必要研究不同频谱特性地震作用下大跨度连续梁桥与轨道系统相互作用动力响应规律的影响。

1　概述

1.1梁轨相互作用

在温度、活载和列车制动作用下，桥梁与轨道系统发生相对位移，由于梁轨之间的非线性约束，导致桥梁与轨道之间有非线性相互作用。在地震力的作用下，桥梁发生纵向位移，带动轨道结构发生变形，产生相互作用力，一方面影响钢轨受力，一方面影响墩台产生位移。即在地震力作用下也应该考虑梁轨相互作用问题。

1.2国内外研究现状

UIC规范［1］和德国规范［2］，在欧洲各国对高速铁路的研究结果以及建设的基础上，提出了桥上无缝线路的检算方法。并通过简化公式来估算桥梁墩台受力以及无缝线路纵向力。

美国的Fitzwilliam［3］建立小跨度简支梁和长联连续梁桥－轨道系统有限元模型，用线性弹簧来模拟梁轨的接触。分析了地震、挠曲和制动作用下的道岔上无缝线路纵向力。

闫斌［4］也详细介绍了中小跨度简支梁桥和连续梁桥在地震力作用下的系统响应，并分析了各种因素对梁轨相互作用的影响。

王炎［5］对铁路桥梁的抗震设计理论、地震易损性和桥梁的抗震性能等做了系统的研究，分析了在地震力作用下轨道的横向弯曲以及残余变形的特征。

严猛［6］等学者研究了纵向地震力引起大跨度桥梁上无缝线路的响应。分析了地震波频谱特性和梁体温差对钢轨纵向力的影响。

2　大跨度连续梁桥－轨道相互作用仿真模型

假定梁轨间不发生横向相对位移，采用梁单元模拟钢轨;采用纵向非线性弹簧模拟梁轨间的非线性作用，线性弹簧模拟轨道竖向刚度，采用带刚臂的梁单元模拟梁高;偏安全起见，采用扣件阻力来代替线路阻力。线路纵向阻力［7］(kN/m)公式如下

式中r——梁轨纵向约束阻力;

u——梁轨相对位移。

所建的连续梁桥-轨道系统模型如图1所示。

图1　连续梁桥-轨道系统力学模型

3　大跨度连续梁桥上无缝线路纵向力分布规律

通过计算温度、活载、制动力作用下的连续梁桥－轨道系统对应的钢轨应力、梁轨相对位移、墩顶水平力和墩顶位移来反映大跨度连续梁桥无缝线路纵向力的分布规律［8］。

3.1伸缩力

桥梁梁体在温度［8］变化作用下会沿着纵向发生伸缩变形，在梁和轨之间产生相对位移，由于梁轨之间的非线性约束阻力作用，会在轨道结构内部产生纵向力，称为伸缩力。根据我国的高速铁路线路规范将温度荷载［9］取为15℃，施加于桥梁梁体。计算结果如图2所示。

图2　伸缩力计算结果

由于固定支座左侧温度跨度较大，故在左侧的梁端处钢轨应力取得最大值，为58 MPa(压应力) ;梁轨相对位移也取得最大值，为7 mm;制动墩收到的墩顶水平力为414 kN，发生8 mm的位移。

3.2挠曲力

在列车竖向荷载作用下，梁体将会发生挠曲，其桥面除了发生竖向挠曲变形外，还会产生纵向变形，从而引起桥梁与轨道相互作用，即挠曲力。竖向荷载采用ZK活载(0.8UIC)中的均布荷载(64 kN/m)，方向为竖直向下。根据竖向荷载加载位置的不同，设置了如图3所示的挠曲力5种工况，计算其钢轨应力包络、梁轨相对位移最大值、墩顶纵向水平力和墩顶位移，计算结果见图4。

图3　挠曲力5种工况加载方式

3.3制动力

列车在桥面制动［10］减速或牵引加速时，钢轨顶面将会受到列车摩擦力的作用，导致梁轨发生相互作用，其在梁轨中引起的纵向力称为制动力。根据UIC规范，制动力率取为0.25，方向与列车制动方向相反，制动力加载的范围为300 m，施加在钢轨单元上。根据列车在钢轨上制动时所作位置的不同，设置了如图5所示的6种工况。计算其钢轨应力包络、梁轨相对位移最大值、墩顶纵向水平力和墩顶位移，计算结果见图6。

图4　挠曲力计算结果

图5　制动力6种工况加载方式

图6　制动力计算结果

制动力不同工况的钢轨应力主要在桥梁两端处集中;梁轨相对位移最大值在跨中位置;当制动力荷载加载在桥梁上的范围是一样的工况，其墩顶水平力和位移数值相差很小，并且随着荷载加载在桥梁上范围的增大而增加，并且钢轨应力和梁轨相对位移几乎相等。

4　大跨度连续梁桥-轨道系统地震响应规律

在桥梁单元添加130 kN/m，方向竖直向下的静力荷载来模拟均布二期恒载，将荷载转化质量考虑。

进行连续梁桥－系统模型特征值分析，得到模型的自振周期，瑞利阻尼c［11］可通过下式计算

式中ζ——阻尼比;

k——碰撞刚度，一般可取为梁体轴向抗压刚度;

r——恢复系数，混凝土材料可取为0.65;

m1，m2——碰撞单元两端梁体的质量。

选取Nridgel、Holly_v和James_t 3种不同的地震波［12］，施加于计算模型，分析地震作用下梁端钢轨应力、梁轨相对位移、墩顶纵向水平力和墩顶位移。以Nridgel地震波为例，其计算结果如图7所示。

图7　地震作用下连续梁桥－轨道系统相互作用计算结果

地震作用下钢轨应力和梁轨相对位移最大值都出现在桥梁梁端附近，为150 MPa，跨中位置梁轨相对位移较小，为0.008 mm。

梁端钢轨应力、墩顶纵向水平力和墩顶位移出现峰值的时刻与地震波的频谱特性［13］有关。

对比3种地震波的作用下的连续梁桥－轨道系统相互作用的结果参数，结果见表1。

5　结语

本文通过调研国内外对梁轨相互作用的研究现状，建立了无砟轨道-(48+80+48) m预应力混凝土连续梁桥的有限元模型，设置了多种伸缩力、制动力和挠曲力加载工况，分析得到了钢轨应力、墩顶水平力、墩顶水平位移以及梁轨相对位移在各工况作用下的分布规律。

研究了大跨度连续梁桥－轨道系统的地震响应规律，讨论不同地震波对桥梁与轨道系统受力和变形的影响。对于本桥而言，Holly_v地震波作用下的钢轨应力和梁端钢轨应力最大，分别为300.1 MPa和287.9 MPa。Nridgel地震波作用下的梁轨相对位移最大，为0.01 mm。James_t地震波作用下墩顶纵向水平力和墩顶位移最大，分别为57.1 kN和0.14 mm。

对于连续梁桥无缝线路的相互作用问题，还可以进一步深入研究，可以考虑连续梁桥与其他中小跨度简支梁共同组成一个多跨的桥梁与轨道系统进行研究。并在进行地震响应分析时，可以改变地震波的一些参数如地震周期等来研究其动力响应规律。

参考文献:

［1］Union Interationale Des Chemins De Fer U.UIC 774－3 Track/bridge interaction.Recommendations for calculations［S］.Paris:International Union of Railways，2001.

［2］联邦德国铁路管理总局.DS 899/59铁路新干线上桥梁的特殊规程［S］.张健峰，译.武汉:铁道部大桥工程局，1985.

［3］Fitzwilliam D.Track structure interactions for the Taiwan High Speed Rail project:IABSE2003［C］.IABSE，2009.

［4］闫斌.高速铁路中小跨度桥梁与轨道相互作用研究［D］.长沙:中南大学，2013.

［5］王炎.铁路减隔震桥梁地震反应分析及易顺性研究［D］.杭州:浙江大学，2013.

［6］严猛，魏贤奎，王平，等.大跨度桥上无缝线路纵向地震响应研究［J］.铁道学报，2014，36(5):2-7.

［7］闫斌，戴公连，粟淼.考虑轨道约束的高速铁路简支梁碰撞效应研究［J］.桥梁建设，2014，44(6):24-28.

［8］罗雁云，朱剑月，冯奇.不同温度力下无缝线路钢轨振动特性分析［J］.力学季刊，2006(2):2-4.

［9］郭成满，任娟娟，杨荣山，等.桥梁温度跨度对双块式无砟轨道无缝线路的影响研究［J］.铁道标准设计，2015，59(3):59-63.

［10］熊震威，王平.列车制动对刚构桥上无缝线路梁轨相对位移的影响［J］.铁道标准设计，2013(10):10-14.

［11］闫斌，戴公连，徐庆元.行波效应下铁路简支梁桥梁轨系统地震响应［J］.振动工程学报，2013，26(3):357-362.

［12］董擎.大跨度连续梁桥减震方案对比分析［J］.铁道标准设计，2015，59(2):65-68.

［13］罗泽辉.行波效应对大跨度斜拉桥的随机地震响应分析［J］.铁道标准设计，2015，59(6):88-92.

Research on Seismic Response of (48+80+48) m Continuous Girder Bridge and Track System

HUANG Xing
(The 5th Engineering Co.，Ltd.of CTCE，Jiujiang 332000，China)

Abstract:To investigate seismic response rule of high-speed rail continuous girder bridge and track system，this paper uses nonlinear spring to stimulate longitudinal impedance of railway line to build a stimulation model for (48+80+48) m continuous girder bridge and track system，and analyzes the rule of longitudinal force distribution on the jointless track under the effects of temperature，live load and braking.On this basis，further study is conducted on the response characteristics of dynamic system under the influence of seismic action.The research results show that the relative displacement between beam and rail and the rail stress gain their maximums respectively near the abutment under the effects of temperature，live load and braking，and the frequency spectrum of earthquake has a bigger impact on dynamic responses of beam-rail system.

Key words:Rapid transit railway; Continuous beam bridge; Line longitudinal resistance; Interaction between beam and rail; Seismic response

作者简介:黄兴(1992—)，男，助理工程师，2015年毕业于中南大学土木工程专业，工学学士，E-mail:1922137160@ qq.com。

基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2014G001-D)

收稿日期:2015-07-23;修回日期:2015-08-20

文章编号:1004-2954(2016) 03-0078-04

中图分类号:U441+.7

文献标识码:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.017