高速铁路门式墩-桥梁-轨道系统地震响应特征

闫斌，匡文飞，余丽梅，朱志辉

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；2.高速铁路建造技术国家工程研究中心，湖南 长沙，410075)

近年来，我国高速铁路网不断向西延伸并跨越地震高烈度区[1-2]，地震对高速铁路运营安全带来的影响不可忽视。针对铁路桥梁-轨道系统地震响应特征，国内外学者开展了广泛研究，如：TOYOOKA等[3]探讨了轨道结构对减隔震铁路桥梁系统地震响应的影响；张永亮等[4]在考虑无砟轨道体系纵向约束效应的基础上，提出了线桥一体化分析模型；杨孟刚等[5]分析了轨道系统约束作用对简支梁桥横向地震碰撞效应的影响；刘正楠等[6]基于绝对位移输入法(ADM)探讨了行波效应对铁路桥梁系统地震响应的影响；余建等[7]通过选取随机特征地震波对轨道-桥梁系统进行了非线性时程分析，提出了震致轨道几何不平顺的模拟方法。

门式墩作为新建线与既有线路斜交时广泛采用的桥梁下部结构，其结构体系复杂。艾宗良[8]利用纤维梁单元建模，分析了铁路门式墩非线性弹塑性地震响应；孙智峰[9]对大跨度钢箱门式墩结构的关键结构进行了设计研究，确定了门式墩结构工程运用的可行性。在门式墩上考虑桥梁和轨道结构后，其门式墩-梁体-轨道系统受力性能更为复杂。闫斌等[10]通过建立门式墩-连续梁-轨道系统相互作用模型，分析了门式墩支撑的桥梁无缝线路纵向力传递规律。而目前关于地震作用下门式墩-梁体-轨道系统动力响应特征的研究尚未见报道。

本文以合福线某联络线跨既有线门式墩为例，建立门式墩-桥梁-轨道系统动力学模型，研究其在多维地震作用下的动力响应特征，探讨节点连接方式、横梁刚度等关键参数对系统的影响。

1 门式墩-桥梁-轨道系统模型

1.1 工程背景

合福(合肥—福州)线某联络线特大桥下跨浙赣既有线，桥上线路为单线无砟铁路，设计速度为160 km/h。上部结构均采用32 m 预制简支T 梁，下部结构采用钢混组合门式墩结构，门式墩跨径为26 m，横梁采用预制钢箱盖梁，梁高度为2.8 m，宽度为3.3 m。钢柱截面同样为箱形，横桥向长度×顺桥向长度为2.4 m×3.3 m，墩高度为16.1 m。钢柱与钢梁固结，通过钢柱插入混凝土立柱中，结合处采用刚度较大的全熔透对焊方式进行焊接，通过加腋钢板及剪力钉增加锚固强度，其节点细部构造见图1。

图1 门式墩节点构造示意图Fig.1 Node structure diagram of frame pier

1.2 计算模型

用带刚臂的梁单元模拟主梁，钢轨采用CHN60 型钢轨，采用非线性弹簧模拟线路阻力，根据UIC 规范将钢轨向桥梁两端的路基段各延伸100 m[11]。

分别建立门式墩支撑(以下简称门式墩模型)和普通RC墩支撑(以下简称RC墩模型)的墩-桥-轨相互作用模型。这2 种模型算例桥跨均设置为3×32 m 简支T 梁，且同时考虑梁体自重与二期恒载[12]。采用6 个等效刚度弹簧模拟桩土共同作用。线路纵向阻力按式(1)取值[13]：

其中：R为线路纵向阻力，kN/m；u1为钢轨-桥梁相对纵向位移，mm。

线路横向阻力取值如下：

其中：r为线路横向阻力，kN/m；u2为钢轨-桥梁相对横向位移，mm。

采用经过验证的梁轨相互作用分析方法[14]，建立门式墩-桥梁-轨道系统有限元模型，见图2。

图2 有限元模型(局部)Fig.2 Finite element models(local)

2 门式墩-桥梁-轨道系统自振特性分析

系统自振特性见表1。从表1 可知：从第4 阶开始，门式墩开始出现明显变形；门式墩系统表现为低频振动，其低阶振型主要表现为梁轨的竖向和横向位移以及门式墩的纵向位移，说明梁轨间约束较强，结构稳定；与普通RC墩相比，由于门式墩质量较大，结构较复杂，整体刚度较弱；从第4阶开始，门式墩立柱纵向振型显著；门式墩横梁及立柱相接处节点为结构薄弱处，在地震中受力复杂。

表1 系统的自振特性Table 1 Dynamic characteristic of system

3 门式墩-桥梁-轨道系统地震响应特征

3.1 纵向地震作用

地震波采El-Centro 波和Taft 波，地震设防烈度为8 度。设最大峰值加速度为0.57g(罕遇地震，1g=9.8 m/s2)，分析在纵向地震作用下2 种模型(普通RC墩模型和门式墩模型)的动力响应特征，结果见图3(其中，门式墩“墩底”表示混凝土立柱底，下同)。

图3 纵向地震作用下系统响应特征Fig.3 System response characteristics under longitudinal earthquake

由图3 可知：

钢轨纵向力极值发生在桥台附近，以El-Centro波为例，门式墩处应力比RC墩钢轨应力低1.4%；此外，1 号桥墩处的钢轨应力也较大。

提取2种模型的墩底最大纵向剪力，门式墩的最大纵向剪力明显比普通RC 墩的最大纵向剪力高。以1号墩为例，在这2种地震波下，门式墩模型最大纵向剪力为RC墩模型的2.4～2.5倍。

3.2 水平地震激励角的影响

定义水平地震激励角α为水平面内与桥梁方向的夹角，如图2所示。分析在水平地震激励角为0°、45°、90°时普通RC 墩和门式墩模型在El-Centro波作用下的动力响应。不同激励角作用下的钢轨应力、墩底最大剪力、钢轨节点横向位移如图4所示。

图4 不同激励角作用下地震响应特征Fig.4 Seismic response characteristics under different excitation angles

由图4(a)可知：随着水平地震激励角增大，钢轨应力不断减小，包络图呈菱形对称分布；普通RC 墩模型的钢轨应力始终略大于门式墩的钢轨应力；对于门式墩模型，在不同地震激励角下，钢轨应力最大值分别为130.0 MPa(β=0°)、90.2 MPa(β=45°)、24.0 MPa(β=90°)，对于RC墩模型，则分别为131.9 MPa(β=0°)、93.5 MPa(β=45°)、32.3 MPa(β=90°)。

由图4(b)可知：对于门式墩模型，在激励角为45°时墩底最大剪力最小，激励角为90°时墩底剪力最大；对于普通RC 墩，墩底最大剪力随着激励角的增加而不断增大；门式墩在不同地震激励角下墩底最大剪力分别为9 738.6 kN(β=0°)、7 815.9 kN(β=45°)、10 835.4 kN(β=90°)；RC墩在不同地震激励角下墩底最大剪力为4 161.6kN(β=0°)、5 912.0 kN(β=45°)、8 357.9 kN(β=90°)。

由图4(c)可知：随着激励角增大，这2 种模型的钢轨节点横向位移均增大；在激励角为45°和90°时，普通RC 墩横向位移明显比门式墩横向位移大，而在激励角为0°即在纵向地震作用下，RC墩模型钢轨节点横向位移几乎为0 mm。门式墩和普通RC 墩在不同激励角下的最大位移分别为1.9 mm(β=0°)、31.9 mm(β=45°)、44.6 mm(β=90°)，RC墩则为0 mm(β=0°)、44.1 mm(β=45°)、62.3 mm(β=90°)。

3.3 竖向地震作用

将竖向地震作用的最大峰值加速度设为水平地震加速度的65%[15]，分析竖向地震作用下系统响应特征，结果见图5。

图5 竖向地震作用下系统响应特征Fig.5 System response characteristics under vertical earthquake

竖向地震作用下钢轨应力的极大值发生在两侧桥台处。整体而言，门式墩和RC墩对钢轨应力的影响不大，仅在桥梁跨中截面有略微差异，以Taft 波为例，门式墩应力的极大值比普通RC 墩的高24.4%。

门式墩墩顶的最大竖向位移发生在支座处，在El-Centro 波和Taft 波作用下，与对应RC 墩相比，1 号门式墩竖向位移高14.6%～16.4%，2 号门式墩竖向位移高8.4%～12.2%。

4 关键参数的影响

4.1 节点连接方式

前面计算中均将门式墩梁柱节点视作刚接，通过节点端部释放弯矩与扭矩，模拟门式墩节点的半刚性连接和铰接。引入弯矩传递系数β[16]，β为0 代表铰接，为1 代表刚接，为(0，1)代表半刚性连接。

钢轨纵向力对节点连接刚度不敏感。在竖向地震作用下，节点刚度对系统的影响见图6。

图6 门式墩节点刚度对系统的影响Fig.6 Influence of portal pier joint stiffness on stiffness

从图6可见：随着节点连接刚度增大，钢轨和门式墩墩顶的竖向挠度均不断减小，但以Taft波为例，从铰接到刚接，钢轨竖向挠曲和门式墩墩顶竖向挠曲仅减小6.1%和5.7%。考虑到在实际工程设计中，刚性节点会产生结构延性降低、焊缝处残余应力增大等，考虑采用螺栓连接以实现半刚性连接[10]。

4.2 横梁刚度

门式墩横梁是连接桥梁和钢柱的结构，引入刚度修正系数模拟不同的横梁刚度。刚度修正系数为0.5 和2.0 则分别表示将横梁刚度设置为原始刚度的0.5 倍和2.0 倍。不同横梁刚度条件下的钢轨应力情况见图7。

图7 不同横梁刚度下钢轨应力包络图Fig.7 Rail stresses under different beam stiffnesses

从图7可见：横梁刚度对纵向地震下钢轨最大应力的影响可以忽略不计(相同地震波激励时，横梁刚度系数为0.5～2.0 时钢轨应力包络图几乎重合)；在横向地震作用下，随着横梁刚度提高，钢轨受力依次减小；在竖向地震作用下，在结构桥梁跨中，随着刚度增大，钢轨纵向力减小；桥台处刚度越大，钢轨纵向力越大。以Taft波为例，在桥梁跨中处，刚度系数为0.5时的钢轨纵向力比刚度系数为2.0时的高11.7%，在桥台处则低15.9%。

5 结论

1)由于门式墩质量较大，结构整体刚度相对较小，自振频率偏低。

2)在纵向地震作用下，钢轨纵向力呈菱形状分布，最大值在桥台及门式墩处。门式墩与RC墩作为下部结构时产生的钢轨受力没有明显差异，但采用门式墩时立柱底最大纵向剪力为RC 墩的2.5倍。

3)竖向地震作用时钢轨纵向力仅在桥梁跨中截面存在较大差异，门式墩的钢轨纵向力偏高24.4%。门式墩墩顶最大位移发生在支座处，比RC墩高8.4%～16.4%。

4)门式墩-桥-轨道系统地震响应峰值对于水平地震激励角较敏感，随着激励角增大，钢轨纵向应力减小，钢轨节点横向位移越大。

5)钢轨纵向力对门式墩梁柱节点刚度不敏感。在竖向地震作用下，从铰接到刚接，钢轨和门式墩墩顶的竖向挠曲略减小。综合考虑系统延性，建议采用半刚性连接。

6)横梁刚度对纵向地震和竖向地震的影响较小。对于横向地震，随着横梁刚度提高，钢轨应力减小，但立柱承受的弯矩和纵向力增大。