铁路减隔震桥梁轨道地震反应分析

肖质江 王 斌

(1.金华市交通规划设计院有限公司，浙江金华 321015;2.浙江八咏公路工程有限公司，浙江金华 321015)

铁路桥梁与建筑结构和公路桥梁不同，铁路桥梁有列车行驶的安全性和舒适性的要求，为了满足这一特别要求，铁路桥梁必须保证在地震动作用下结构的位移响应较小。由于对地震位移响应的要求，减隔震技术在铁路桥梁上的应用还不是很多。国内外学者通过对铁路减隔震桥梁的地震反应研究，验证了减隔震设计方法在铁路桥梁抗震设计中的应用［1-3］，但是对轨道的地震反应研究还很不充分。本文以我国高速铁路客运专线上一座采用E型钢阻尼支座的32 m简支梁桥为对象，建立了桥梁结构的非线性计算模型，并进行地震反应分析，研究轨道约束对铁路减隔震桥梁地震反应的影响以及地震作用下钢轨的横向弯曲与残余变形，为铁路减震桥梁的抗震设计提供参考。

1 桥梁及计算模型

本文选取如图1所示的高速铁路减震桥梁为工程背景进行研究，上部结构为预应力混凝土简支箱梁。桥梁孔径布置为9×32 m，墩高10.5 m～42 m，采用E型钢阻尼构件组合作为减隔震支座。为分析轨道的约束效应及地震反应规律，采用MIDAS Civil建立了如图2所示的轨道—桥梁—减隔震支座的非线性计算模型，减隔震支座和轨道扣件采用双直线弹簧单元，钢轨采用双直线非线性梁单元模拟、主梁和桥墩用线弹性梁单元，全桥离散为1 532个梁单元和2 321个弹簧单元。

根据桥梁的实际设计参数采用如图3所示的双直线弹簧单元来模拟E型钢阻尼元件的力学性能，图3中Fy为屈服力，Fd为设计力，Dy为屈服位移，Dd为设计位移。本文所选取分析的支座屈服力为800 kN，屈服位移和设计位移分别为10 mm和100 mm。

在线桥一体化计算模型中，钢轨和箱梁之间的连接扣件采用弹簧单元来模拟，扣件弹簧的力学特性由道床阻力决定。道床阻力包括轨枕与道床间的摩擦阻力和轨枕盒内道砟抗推力。道床阻力与轨枕类型及道砟密实程度、材质、颗粒级配、道床断面形状等有关。对于无砟轨道来说，道床纵向阻力取扣件纵向阻力;有砟轨道除采用小阻力扣件地段外线路纵向阻力取道床纵向阻力，铺设小阻力扣件地段的道床纵向阻力取扣件纵向阻力，线路纵向阻力具有结构相关性及离散性［4］。根据国内外相关资料，道床纵向阻力—位移关系可采用如图4所示的理想弹塑计算模型，图4中Fμ为道床阻力系数，当轨道与道床的相对位移超过2 mm左右时阻力不再增加。本文参考文献［5］的研究成果，道床阻力系数取为20 kN/m。

2 输入地震波

本文非线性动力时程分析选用具有代表性的两条历史地震波作为地震动输入，分别为 El Centro波和台湾集集地震波(TCU052)。为了便于对比分析，将两条地震波的加速度峰值均调整至0.3g，相当于设计地震烈度为8度。图5为两条地震波的加速度时程曲线，图6为峰值加速度调整为0.3g时的加速度反应谱曲线。

3 计算结果

3.1 轨道约束对墩底剪力的影响

本文分别以顺桥向和横桥向的结构地震响应为对象进行分析。图7给出了两条地震波作用下桥梁墩底剪力的地震响应。图7中水平轴为桥墩号，竖轴为未考虑轨道影响的墩底最大剪力与考虑轨道影响的结果之比。从计算结果可以看出，轨道约束对横桥向的墩底最大剪力影响较小，对顺桥向的墩底剪力影响较大，且对边跨的桥墩影响程度大于中跨桥墩。分析原因主要是因为钢轨与梁体的纵向连接刚度远远大于横向连接刚度。

3.2 轨道约束对支座变形的影响

图8给出了两条地震波作用下支座变形的地震响应。图8中水平轴为支座编号，竖轴为未考虑轨道影响的支座最大位移与考虑轨道影响的结果之比。从计算结果可以看出，轨道约束对支座横桥向变形的影响较小，对顺桥向变形的影响较大，且对边跨的桥墩影响程度大于中跨桥墩。同时可以看出，受桥墩高度的影响，轨道对不同桥墩处的支座位移影响规律略有差异。

3.3 震后轨道变形计算结果

考虑到震后轨道横向变形主要由轨道塑性变形及梁轨间的扣件残余变形引起，本文分别分析了扣件单元的力—位移和钢轨单元的弯矩—曲率的履历曲线。图9给出了地震作用下8号，9号支座间钢轨的M—Ψ曲线和扣件的F—Δ曲线。从图9中可以看出钢轨扣件产生了较大的位移并且进入了塑性工作状态，而钢轨单元则处于弹性工作状态。近场地震及远场地震对结构地震效应的影响相同。由此可见，震后钢轨的变形主要取决于扣件的力学特性。

4 结语

本文以高速铁路客运专线上采用E型钢阻尼构件组合作为减震支座的简支梁桥为对象，探讨了轨道约束对桥梁地震响应的影响，通过多条地震波输入时的计算结果分析，得到以下几点结论:

1)轨道约束对铁路减震桥梁横桥向地震响应的影响较小，对顺桥向地震响应的影响较大，对支座位移的影响要远远大于对墩底剪力的影响，距离桥台越近，影响程度越明显;2)地震后，钢轨扣件产生了较大的位移并且进入了塑性工作状态，而钢轨则处于弹性工作状态。震后钢轨的变形主要取决于扣件的残余变形，轨道变形在梁端最大，跨中几乎无变形，中跨桥墩处轨道变形大于边跨桥墩处轨道变形;3)不同地震波对桥梁结构的地震响应影响规律是不同的，结构的地震响应主要和自身自振特性以及地震波的加速度反应谱的卓越周期有关，在设计时，尽量使得结构自振周期避开地震波的卓越周期。

［1］张 骏，汤劲松.铁路简支梁桥支座的减震性能研究［J］.石家庄铁道学院学报，2002(1):64-69.

［2］张 骏，阎贵平.减隔震支座对梁式桥抗震性能的影响［J］.中国公路学报，2002(1):41-46.

［3］赵 伟，薛素铎，李雄彦，等.摩擦摆支座的滑道半径对结构隔震性能影响分析［Z］.2007.

［4］中华人民共和国铁道部.铁路无缝线路设计规范报批终稿［S］.

［5］谢 旭，王 炎，陈 列.轨道约束对铁路减隔震桥梁地震响应的影响［J］.铁道学报，2012(6):75-82.