高铁桥上线路约束作用对主梁地震响应的影响

李雪红，林珊，阚正明，徐秀丽，王蕊

（南京工业大学土木工程学院，江苏南京211816）

高铁桥上线路约束作用对主梁地震响应的影响

李雪红，林珊，阚正明，徐秀丽，王蕊

（南京工业大学土木工程学院，江苏南京211816）

目前国内高速铁路普遍采用无缝轨道，在地震作用下轨道的约束作用可能会对主梁的地震响应产生影响。本文以靠近路桥过渡端的5跨简支梁桥为依托工程，对比分析了是否设置轨道系统、是否考虑竖向地震动作用、轨道的约束程度变化等因素对主梁纵横向位移的影响。结果表明:轨道的约束作用对主梁纵横向位移有所改善，降低了主梁的位移值，其中横桥向位移的减小量达到了7%～22%，但远离路基时，这种改善作用有所减弱；轨道系统的存在不会增大竖向地震动对主梁纵横向位移的影响，在分析主梁纵横向地震响应时，依然可忽略竖向地震动，只考虑地震动沿纵、横向单向输入的工况即可；扣件刚度变化对主梁纵向位移影响很小，对横向位移会产生一定影响，随着扣件刚度的增大，横向位移有增大趋势，因此，扣件刚度的取值并非越大越好，在满足正常运营要求的前提下，应尽可能取较小值。

高铁桥梁；轨道约束；主梁位移；竖向地震动；扣件刚度

高速铁路为了满足线路平顺性、稳定性以及节约土地的要求，往往需要建造连续几公里甚至几十公里的高架桥，以致桥梁在线路中所占的比重很大。同时，我国是一个地震多发国家，自21世纪以来，平均大约每三年发生两次7级以上地震。因此，地震发生时列车恰巧在桥上的几率大为增加，而主梁的地震响应将直接影响列车的行车安全性，特别是主梁的位移。

王少林等［1］采用轮轨空间动态耦合模型，分析了地震对高速列车-轨道-桥梁系统动力响应的影响。黄艳等［2］编制了梁轨地震动力有限元分析程序，较系统地分析了梁轨相互作用对结构地震响应的影响，其研究成果认为：桥墩刚度相近时，梁轨相互作用减小了桥梁地震响应；桥墩刚度有差异时，梁轨相互作用可能放大桥梁地震响应。谢旭等［3］指出：轨道对铁路减隔震桥梁纵向自振频率及桥梁纵向地震位移和减隔震装置变形的影响不容忽视，设计时应考虑轨道约束产生的不利因素，适当提高相邻梁间的结构允许相对变形要求。Maragakis等［4］在StrawberryPark桥上测定了该桥的频率及阻尼，并研究了梁轨相互作用对该桥动力特性的影响。试验结果表明：当轨道存在时，桥梁结构的振动明显通过轨道传递到相邻路基上；切断钢轨后，桥梁结构各方向的基频均有不同程度下降。张永亮等［5］针对高速铁路多跨简支梁桥及轨道系统的特点，建立了考虑钢轨、轨道板以及桥梁结构的线桥一体化模型，采用反应谱研究了轨道约束系统以及相邻结构对所选桥跨弹性地震反应的影响。黄勇等［6］通过分析我国已建运营的城市轨道交通高架桥标准跨的特点，选取典型多跨简支梁体系和三跨连续梁体系为实例，比较分析了集中考虑轨道约束影响的简化方法的效果，提出了基于弹簧-质量简化的改进方法，通过实例验证了所提方法的有效性。

本文在既有研究的基础上，以高速铁路常用的多跨32m简支梁桥为工程背景，重点研究轨道的纵横向约束作用对主梁位移的影响。另外，每次大地震的发生，在产生水平向地震动的同时，还会伴随着竖向地震动，对于一般的公路简支梁桥，竖向地震动的存在不会增大桥梁的水平向地震响应，但对于高铁桥梁，由于轨道系统的存在，竖向地震是否会对主梁水平向地震响应产生不利影响尚需进行进一步的研究，本文亦对此问题进行了对比分析。

1　有限元模型的建立

以某高速铁路多跨简支梁桥为工程背景，选取该桥靠近路桥过渡端处5跨32.7m简支梁为计算桥跨，如图1所示。主梁上铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道，由钢轨、弹性扣件、轨道板、砂浆调整层、底座板等部分组成。钢轨作为主要研究对象，采用实体单元，主梁伸缩缝（以下简称梁缝）处钢轨网格细化。扣件采用WJ-7B型，以弹簧阻尼单元模拟，扣件横向和垂向刚度参照文献［7］取值，纵向刚度参照《无缝铁路设计规范》取值，扣件作用点为钢轨网格点，按照工程实际每0.625m间隔设置一对扣件，每个支点设置3个弹簧单元。轨道板、砂浆调整层、底座间距等尺寸布置均采用实体来模拟，赋予材料弹性模量、阻尼以及密度等，各部分之间采用面-面约束。主梁横截面形式如图2所示，用壳单元模拟，可考虑其空间刚度，梁缝间距为10cm。支座采用盆式橡胶支座，其布置形式如图3所示，用连接单元模拟，不约束转动。墩以梁单元模拟，墩高5m，墩底固结，不考虑桩的作用。由于地震作用影响，将引起路堤上钢轨产生变形的范围较大，因此在实际分析时，模型以桥台以外100m作为钢轨锁定点［8］。有限元模型如图4所示。

图1　桥跨布置示意（单位：cm）

图2　主梁横截面形式

图3　主梁支座布置形式

图4　有限元模型

2　地震动输入

地震动输入共考虑4种工况：横桥向、纵桥向、横桥向+竖向、纵桥向+竖向。其中竖向地震动按照《铁路工程抗震设计规范》中的相关规定，取水平地震基本加速度值的65%。通过上述4种工况的分析，研究轨道约束作用对主梁纵桥向、横桥向地震响应的影响规律；以及有竖向地震作用时，轨道的存在对主梁纵横向位移的影响。地震动输入的人工波由Ⅱ类场地、地震分组为第一组、设计加速度0.3g的加速度反应谱拟合而成，如图5所示。

图5　加速度时程曲线

3　轨道约束作用对主梁地震响应的影响

对比分析设置轨道系统和不设置轨道系统时主梁动力响应的变化，研究轨道约束作用对主梁地震响应的影响程度。本文重点分析轨道的约束作用对主梁位移的影响。选取各跨主梁梁端和跨中各一测点，编号如图6所示，共15个点；读取其与路基的最大相对位移以及相邻跨的主梁相对位移进行了分析。由于第Ⅴ跨的边界条件与实际桥梁有所不同，计算结果会与实际情况有些出入，因此后续分析主要分析前4跨的变化（1～12测点），对第Ⅴ跨不做分析。

3.1轨道纵向约束对主梁位移的影响

为了研究轨道纵向约束对主梁地震响应的影响，沿纵桥向输入地震动，分别读取有无轨道约束时主梁梁端和跨中偏移路基的最大位移及相邻跨主梁纵向相对位移，其对比曲线如图7和图8所示。

由图7和图8可看出：①纵向地震作用下，主梁发生了纵桥向的相对位移，其位移量在5～15mm之间变化；②轨道对主梁有约束作用，设置轨道时主梁的纵向相对位移小于无轨道时的相对位移，并且越远离路基，轨道系统的纵向约束作用越弱，主梁的纵向位移越接近于无约束的情况，这主要是受到路基的刚度较大以及桥梁本身的动力特性的影响；③相邻跨主梁的相对位移较小，在3～6mm之间变化，轨道的约束使其稍有减少，对邻近桥台处的相对位移影响较小，中间跨影响相对较大。由此可知，对于靠近路基的部分桥梁，轨道的纵向约束作用可改善纵向地震作用下主梁的位移。

3.2有轨道约束时竖向地震动对主梁纵向位移的影响

为了分析当有轨道约束时，竖向地震动对主梁纵向动力响应的影响，地震动选择纵向与纵向+竖向两种输入方式进行对比研究，主梁位移对比曲线如图9和10所示。

由图9和图10可看出：当有轨道约束时，竖向地震动作用使主梁的纵向相对位移有增加，但增加量较小。因此，在分析主梁纵向地震响应时，可以忽略竖向地震动的影响，只考虑地震动沿纵桥向输入的工况即可。

3.3轨道横向约束作用对主梁位移的影响

为了研究轨道横向约束对主梁位移的影响，沿横桥向输入地震动，分别读取有无轨道约束时主梁梁端和跨中偏移路基的最大位移及相邻跨主梁的横向错动。图11绘出了主梁不同部位的横向位移，图12绘出了邻跨主梁的错动量。

图6　全桥测点编号

图8　有无轨道约束时邻跨主梁纵向相对位移对比

图9　竖向地震动对主梁纵向位移的影响对比

图10　竖向地震动对邻跨主梁纵向相对位移的影响对比

图11　有无轨道约束时主梁横向位移对比

图12　有无轨道约束时邻跨主梁横向错动量对比

由图11和图12可看出：①在横向地震作用下，主梁的横向位移在16～32mm之间变化，明显大于纵向地震作用下的主梁纵桥向相对位移；②轨道对主梁横桥向位移有约束作用，设置轨道时主梁的横向位移小于无轨道时的位移，减小量在7%～22%之间变化，并且总体上远离路基时，轨道系统的横向约束作用有所减弱，主梁的横向位移逐渐接近于无约束的情况，这主要与路基的刚度较大以及桥梁本身的动力特性有关；③横向地震作用时，相邻跨主梁的横向错动较大，在10～20mm之间变化，轨道的约束作用使其稍有减小，减小量在10%～20%之间变化。综上所述，轨道的约束作用对主梁的横向位移有所改善，但依然显著大于纵向位移，对行车的安全性更为不利，应引起设计者的关注。

3.4有轨道约束时竖向地震对主梁横向位移的影响

为了分析当有轨道约束时，竖向地震动对主梁横向位移的影响，地震动选择横向与横向+竖向地震动两种输入方式进行对比分析。结果表明，当有轨道约束时，竖向地震动作用不会使主梁的横向相对位移及邻梁相对错动有所增加。因此，在分析主梁横向地震响应时，可以忽略竖向地震动的影响，只考虑地震动沿横桥向输入的工况即可。

4　轨道约束强弱对主梁地震响应的影响

轨道对主梁的约束程度主要由轨道扣件的刚度来决定。扣件刚度变化是否会影响主梁的地震响应，影响程度如何是本部分要解决的问题。

4.1扣件纵向刚度变化对主梁纵向位移的影响

地震作用下，轨道对主梁有约束作用，因扣件类型不同，纵向约束程度也不同；参考文献［9］将扣件刚度分为4个等级：7.5，10，12，14MN/m，以此来分析扣件刚度变化对主梁地震响应的影响。结果表明，扣件纵向刚度变化对主梁纵向位移影响很小、对邻跨主梁相对位移影响亦很小。因此，在分析主梁纵向位移时可不考虑扣件刚度变化的影响。

4.2扣件横向刚度变化对主梁横向位移的影响

扣件对轨道有横向约束作用，由于扣件横向刚度研究较少，本文在参考国内外有砟轨道和无砟轨道扣件刚度取值的基础上，选取45，60，80，107MN/m4种刚度进行分析。图13和图14分别绘出了扣件横向刚度变化对主梁横向位移及邻跨主梁横向错动量的影响曲线。

由图13和图14可看出：①随着扣件横向刚度的增加，主梁横向位移总体上呈逐渐增大趋势，但增大幅度逐渐减小；当扣件刚度由45MN/m增大到60MN/m时，主梁横向位移增长幅度较大，而当刚度由60MN/m增大到80MN/m时横向位移增长相对较小；以第8测点为例，扣件横向刚度由45MN/m增大到60MN/m，再增大到80MN/m和107MN/m，增幅均为33%，而对应的主梁横向位移则由27mm增加到36mm，增幅为33%，由36mm增加到39mm，增幅为8.3%，由39mm增加到41mm，增幅为5%，增长幅度逐渐降低。由此可知，当扣件刚度较小时，随着扣件刚度的增大，主梁的横向位移会有较大的增长趋势，而当扣件的刚度大到一定程度，其刚度再增大，对主梁位移的影响将减小。②扣件刚度的变化对相邻主梁的横向错动依然会产生影响，随着扣件刚度的增加，相邻主梁横向错动量有增大趋势，但影响程度并非是线性关系，当扣件刚度由60MN/m增大到80MN/m时，主梁横向错动量有明显增加，增大了10%左右。由上述对比分析可知，扣件刚度的取值并非越大越好，扣件刚度增大对主梁的横向位移反而会有不利影响。因此，设计时在满足正常运营要求的前提下，从抗震的角度，扣件横向刚度尽可能取较小值。

图13　扣件刚度变化对主梁横向位移的影响曲线

图14　扣件刚度变化对邻跨主梁横向错动量的影响曲线

5　结论

1）轨道约束作用对高铁桥梁的主梁位移有一定影响，由于轨道的约束，主梁纵横向位移均有所减少；横桥向位移的减小量相对较大，达到了7%～22%；并且总体上越远离路基，轨道系统的约束作用越弱，主梁的位移越接近于无约束的情况。

2）当有轨道约束时，竖向地震动作用对主梁的纵横向相对位移及主梁横向错动影响很小，可忽略不计；在分析主梁纵横向地震响应时，有轨道存在时依然可以忽略竖向地震动的影响，只考虑地震动沿纵、横向单向输入的工况即可。

3）扣件纵向刚度变化对主梁纵向位移影响很小，在分析主梁纵向位移时可不考虑扣件刚度变化的影响；而扣件横向刚度的增大会使主梁的横向位移产生增大趋势，但二者并非呈线性关系，而是随着扣件刚度的增大主梁位移的增大幅度逐渐减小。因此，扣件刚度的取值并非越大越好，设计时在满足正常运营要求的前提下，从抗震的角度，扣件横向刚度尽可能取较小值。

［1］王少林，翟婉明.地震作用下高速列车-线路-桥梁系统动力响应［J］.西南交通大学学报，2011，46（1）：56-62.

［2］黄艳，阎贵平.轨道约束对铁路桥梁纵向地震反应特性的影响［J］.铁道学报，2002，24（5）：124-128.

［3］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，2012，34（6）：75-82.

［4］MARAGAKISEM，DOUGLASBM，HAQUES，etal.FullscaleResonanceTestsofaRailwayBridge［C］//Buildingan InternationalCommunityofStructuralEngineers.America：ASCE，2014：183-190.

［5］张永亮，陈兴冲，李子奇.轨道约束系统对高速铁路多跨简支梁桥地震反应的影响［J］.世界地震工程，2011（4）：6-12.

［6］黄勇，王君杰.轨道约束对城市轨道交通高架桥地震反应的影响［J］.地震工程与工程振动，2014，34（4）：228-234.

［7］邱金帅，蔡小培，安彦坤.扣件间距对无砟轨道动态轨距的影响［J］.铁道建筑，2011（8）：106-108.

［8］InternationalUnionofRailways.UICCode774-3Track/ BridgeInteractionRecommendationsforCalculations［S］. Paris：InternationalUnionofRailways，2001.

［9］黄艳.考虑轨道约束的铁路桥梁抗震研究［D］.北京：北京交通大学，2003.

>AbstractAt present，high speed railways generally use seamless tracks in domestic.Under earthquake，track constraint may affect main girder seismic response.In this paper，research object is a 5-span simply supported girder bridge near bridge-subgrade transition.Effect of track system，vertical ground motion and constraint degree of track on longitudinal/lateral displacement of girders was analyzed.T he results showthat track constraint improves longitudinal/lateral displacement of main girders；especially，lateral displacement is reduced by 7%～22%although the improvement is weakened at place away from roadbed.T he existence of the rail system will not increase influence of vertical ground motion on longitudinal/lateral displacement of main girders.On the analysis of the main girder longitudinal/lateral seismic response，vertical ground motion may still be negligible，with only consideration of operation condition of ground motion along longitudinal/lateral one-way input.Fastener stiffness has little effect on main girder longitudinal displacement but somehow affects lateral displacement.W ith increase of fastener stiffness，lateral displacement has an increasing trend.T herefore，large value of fastener stiffness is not good.A lower value may be more desirable on the premise of requirements of normal operation.

Constraint Effect of Track Structure on Seismic Response of High Speed Railway Bridge Main Girder

LI Xuehong，LIN Shan，KAN Zhengming，XU Xiuli，WANG Rui
（College of Civil Engineering，Nanjing Technology University，Nanjing Jiangsu 211816，China）

High speed railway bridge；T rack constraint；M ain girder displacement；Vertical ground motion；Fastener stiffness

U441+.7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.05

1003-1995（2016）04-0017-05

（责任审编孟庆伶）

2015-11-02；

2016-01-20

江苏省“六大人才高峰”第十一批高层次人才选拔培养资助（2014-JZ-006）

李雪红（1974—），女，教授，博士。