五嘉陇特大桥行车振动对跨区高速公路路基的影响分析

尤庆忠，张远荣

(1.厦深铁路广东有限公司，深圳 518031;2.中国铁道科学研究院 深圳研究设计院，深圳 518034)

厦深铁路五嘉陇特大桥在汕揭高速K24+150.36附近跨越在建汕揭高速公路，铁路与公路斜交，铁路在跨越高速公路处采用(52+88+52)m预应力混凝土连续梁，矩形桥墩，群桩基础。

桥址处于Ⅷ度地震区，地震动峰值加速度为0.20 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。跨越高速公路处地基表层为约4 m厚粉质黏土，下为约10 m厚淤泥质细砂和厚度超过20 m的黏土。五嘉陇特大桥跨越的汕揭高速公路路基下卧层有可液化的细砂，设计处理方式为挤密砂桩与CFG桩，公路部门认为高速铁路行车振动可能引起路基基底产生液化问题。本文拟用数值计算方法对桥梁行车振动对地基土的响应进行分析。

1 桥梁行车振动分析

考虑列车—线路—结构间的共同作用，分别建立列车、桥梁的空间振动分析模型，采用计算机模拟分析方法，对厦深线五嘉陇双线特大桥进行车线桥耦合动力响应分析。

1.1 车桥动力分析模型

1.1.1 桥梁模型

应用MSC.PATRAN按实际尺寸建立桥梁的三维有限元模型。混凝土主梁、桥墩均采用梁单元，墩梁间支座采用主从约束方程处理。该模型总共254个节点，232个单元。模型如图1所示。

1.1.2 列车模型

列车模型是由多节机车和车辆组成的，每节车辆(机车)都是由车体、转向架、轮对、弹簧和阻尼器组成的多自由度空间振动系统。在分析过程中，对车辆模型做如下假定:

图1 整桥有限元轴视模型

1)不考虑车体、转向架和轮对的弹性变形，即将车体、转向架和轮对均视为刚体;

2)轮对和车体沿线路方向做等速运动，不考虑纵向动力作用的影响;

3)机车和车辆均为两系悬挂系统，车辆系统的阻尼均简化为黏滞阻尼器;

4)车体关于质心左右对称和前后对称;5)车轮与钢轨允许脱离，即车轮可以悬空。

1.2 车桥空间耦合振动分析模型

运用车辆动力学与桥梁结构动力学的研究方法，将车辆与桥梁看作一个联合动力体系，以轮轨接触处为界面，分别建立桥梁与车辆运动方程，两者之间通过轮轨的几何相容条件和相互作用力平衡条件来联系。通过分别求解车辆、桥梁的运动方程，用迭代过程来满足轮轨几何相容条件和相互作用力平衡条件。

车辆轮对在竖直方向的力为轮对轴重加上轮对惯性力，以及通过与轮对连接的竖向弹簧和阻尼器传递的弹簧力和阻尼力，轮轨间采用赫兹接触理论;而在横向和纵向，则由于轮对在钢轨上存在着蠕滑，轮轨作用力与蠕滑力有关，ADAMS/Rail的蠕滑力计算以Kalker接触蠕滑理论为基础。

1.3 轨道不平顺

本次检算针对列车类型采用了三种轨道不平顺样本，分别为美国五级谱、美国六级谱和德国低干扰谱。其中美国五级谱允许客车速度达到144 km/h，美国六级谱适应的客车速度达到176 km/h，德国低干扰谱转换的时域不平顺样本作为高速列车(动车组)线路的激励。

1.4 计算工况

计算工况如表1所示。

表1 计算工况

1.5 自振频率

桥梁第一阶横向自振频率1.143 Hz(对称横弯)，第一阶竖向自振频率是1.611 Hz(对称竖弯)。

1.6 车桥振动响应分析结果

1)桥梁振动加速度响应

53号墩承台底最大横向加速度0.090 m/s2;最大纵向加速度0.046 m/s2;最大竖向加速度0.116 m/s2。

54号墩承台底最大横向加速度0.084 m/s2;最大纵向加速度0.032 m/s2;最大竖向加速度0.103 m/s2。

最大振动加速度远小于桥址的地震动峰值加速度。

2)桥梁动位移响应

53号墩承台底最大横向动位移0.540 mm;最大纵向动位移0.165 mm;最大竖向动位移0.087 mm。

54号墩承台底最大横向动位移0.454 mm;最大纵向动位移0.162 mm;最大竖向动位移0.094 mm。

桥梁振动位移是非常微小的。

2 桥梁振动对公路地基的影响

2.1 桥梁横向水平振动对液化土地基的影响

图2为由桥梁横向水平振动产生的高速公路地基动应力分布图。由图2可知，最大动应力发生在桥梁墩台与基地土接触面上，为3 676 Pa。分布形状类似椭圆形，最大长度约为17 m，最大宽度约15 m。

2.2 桥梁纵向水平振动对液化土地基的影响

图3为由桥梁纵向水平振动产生的高速公路地基动应力分布图。由图3可知，最大动应力发生在桥梁墩台与基地土接触面上，为5 428 Pa，分布形状类似椭圆形，最大长度约为19 m，最大宽度约17 m。

图2 桥梁横向振动引起的高速公路地基动应力(单位:Pa)

图3 桥梁纵向振动引起的高速公路地基动应力(单位:Pa)

2.3 桥梁竖向振动对液化土地基的影响

计算得到的地基动应力如图4，动应力最大值为344 Pa，分布范围竖向最大约为18 m，横向最大约为16 m。

图4 承台竖向振动引起的底部地基动应力(单位:Pa)

3 桥梁振动引起地基液化的可能性分析

液化土地基的液化可能性以及抗震加固措施与设计地震动荷载(加速度幅值、频谱、持时)以及在土体中产生的动应力大小有直接关系。

3.1 从淤泥质细砂的抗液化强度方面考虑

若细砂所受动剪应力小于其抗液化强度，则可判定细砂不会液化。淤泥质细砂的液化强度需通过振动三轴试验确定，目前缺乏这方面的试验资料。根据经验，细砂的液化强度一般为其静强度的60% ～70%。根据地质资料，淤泥质细砂层厚约12 m，且上覆2 m厚粉质黏土，其抗剪强度约为24～150 kPa，因此其抗液化强度约为15～90 kPa。

由桥梁振动引起的高速公路液化土层(淤泥质细砂)动应力横向最大值为3.676 kPa、纵向最大值为5.428 kPa、竖向最大值为0.344 kPa，小于加固后其液化强度，因此不会发生液化现象。

3.2 从桥梁振动荷载与地震动荷载的对比考虑

动荷载强度直接影响到饱和细砂层的孔压比大小，进而影响到液化发生的可能性。该工点的地震动峰值加速度为0.2 g，根据汕揭高速公路的设计情况，对该处地基的原处理措施为挤密砂桩与CFG桩，加固后的地基在地震作用下能够防止液化现象的发生。

以53号墩为例，列车通过时，液化土层范围内桥梁墩台与基桩的水平加速度范围为0.013～0.090 m/s2，竖向振动加速度范围为0.043～0.116 m/s2，地基所受振动加速度远小于该场地的设计地震峰值加速度2 m/s2，单列车通过时桥墩振动持时一般小于20～30 s。地震动荷载与桥梁振动荷载的频率特征虽有所差异(图5、图6)，但据前人的工作经验，动荷载的频率并非是影响砂土液化的主要因素。

图5 典型地震加速度时程曲线

图6 桥梁桩基承台振动典型加速度时程曲线

4 结论及建议

1)桥梁动力分析表明，53号、54号桥墩(跨汕揭高速公路桥墩)横向、纵向、竖向最大动位移分别为0.540 mm，0.165 mm，0.094 mm，横向、纵向、竖向最大加速度分别为 0.090 m/s2，0.046 m/s2，0.116 m/s2。

2)桥梁墩台基础水平振动引起的地基动应力分布形状类似椭圆形，横向最大长度约为17 m，最大宽度约15 m，纵向最大长度为19 m，最大宽度约17 m，振动影响范围有限。

3)由桥梁振动引起的高速公路液化土层(淤泥质细砂)动应力横向最大值为3.676 kPa，纵向最大值为5.428 kPa，竖向最大值为0.344 kPa，小于加固后的细砂液化强度，不会发生液化现象。

4)由桥梁振动引起的地基振动加速度，远小于场地地震动峰值加速度(2 m/s2)。因此该高速公路液化土地基在桥梁行车振动条件下，地基是不会液化的。

5)为进一步降低桥梁振动对高速公路地基的影响，以及公路填方引起地基土对桥梁墩台侧向挤压，建议在两墩台靠近公路填方一侧设置隔离刚性桩。桩径1.0 m，桩距3.5 m。

［1］潘家英，高芒芒.铁路车—线—桥系统动力分析［M］.北京:中国铁道出版社，2008.

［2］范立础.高架桥梁抗震设计(精)/桥梁抗震设计理论及应用丛书［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］黄俊文，马涛，杨长卫，等.交通荷载作用下风积沙路基动力响应分析［J］.铁道建筑，2010(10):83-86.

［4］闵卫鲸，张炳焜，李磊，等.汶川地震中高路堤的响应分析［J］.铁道建筑，2010(12):63-65.

［5］胡用生.现代轨道车辆动力学［M］.北京:中国铁道出版社，2009.