30 t軸重重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋-軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)研究

閆 斌, 潘文彬, 劉 施, 戴公連, 魏 標(biāo)

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075; 2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410075)

30 t軸重重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋-軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)研究

閆 斌1,2, 潘文彬1, 劉 施1, 戴公連1,2, 魏 標(biāo)1,2

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075; 2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410075)

為研究多跨30 t軸重重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋-軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)規(guī)律，采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的梁軌相互作用模擬方法，建立了考慮樁-土共同作用、橋墩彈塑性變形、滑動(dòng)支座摩阻力、線路非線性阻力的多跨重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋與雙線有砟軌道相互作用仿真模型，揭示了一致激勵(lì)和行波效應(yīng)下重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋-軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)規(guī)律，探討了路基段鋼軌長(zhǎng)度、簡(jiǎn)支梁跨數(shù)、跨度、線路縱向阻力形式、滑動(dòng)支座摩阻系數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，分析了溫度、列車制動(dòng)和地震耦合作用下系統(tǒng)的受力特征。研究表明：當(dāng)?shù)匦蔚刭|(zhì)條件相差不大時(shí)，簡(jiǎn)支梁跨數(shù)可簡(jiǎn)化為11跨、路基段鋼軌長(zhǎng)度可取為150 m；線路阻力減小時(shí)，梁體間、梁體與橋臺(tái)間可能出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象甚至發(fā)生落梁；縱向一致激勵(lì)下，鋼軌應(yīng)力包絡(luò)圖呈“雙菱形”，其最大值出現(xiàn)在橋臺(tái)附近，而梁縫附近梁軌相對(duì)位移較大，易發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)；行波效應(yīng)下，系統(tǒng)受力和變形規(guī)律發(fā)生顯著改變，即使對(duì)于跨度較小的簡(jiǎn)支梁橋，也應(yīng)考慮行波效應(yīng)的影響；溫度和列車制動(dòng)作用將進(jìn)一步增大軌道結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)的可能性。

重載鐵路；鐵路橋梁；簡(jiǎn)支梁；無(wú)縫線路；地震響應(yīng)

為提高鐵路運(yùn)輸能力、滿足日益增長(zhǎng)的鐵路運(yùn)輸需求，重載鐵路成為我國(guó)鐵路建設(shè)的發(fā)展重點(diǎn)，而提高軸重是進(jìn)一步提高貨運(yùn)量、降低運(yùn)行成本的有效措施[1]。目前，我國(guó)正在規(guī)劃和建設(shè)(改建)運(yùn)行軸重30 t列車的重載鐵路，如山西晉煤-渤海灣鐵路、朔黃鐵路、山西中南部鐵路通道和蒙西至華中運(yùn)煤通道等[2]。與以往的鐵路橋梁不同，重載鐵路橋梁除結(jié)構(gòu)形式特殊外，還有軸重大、運(yùn)量高的特點(diǎn)，且橋上采用75 kg/m焊接長(zhǎng)鋼軌。近年來(lái)，我國(guó)地震頻發(fā)，在西部地區(qū)修建重載鐵路時(shí)還將面臨地震的嚴(yán)峻考驗(yàn)，橋梁及軌道結(jié)構(gòu)一旦在地震中受到破壞，將造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載模式[3-4]、既有橋梁對(duì)重載列車適應(yīng)性[5]、重載鐵路橋梁動(dòng)力疲勞特性[6]，以及重載鐵路橋上無(wú)縫線路縱向力分布規(guī)律[7]等課題進(jìn)行了較為深入的研究，但地震作用下重載鐵路橋梁與軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特征仍不明確。

本文針對(duì)30 t軸重重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)跨度簡(jiǎn)支梁橋，基于大質(zhì)量法建立可考慮非一致激勵(lì)的多跨32 m重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋-軌道系統(tǒng)動(dòng)力仿真模型，研究一致激勵(lì)及行波效應(yīng)作用下橋梁-軌道系統(tǒng)受力和變形特征，并探討關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)地震響應(yīng)的影響規(guī)律。

1 重載鐵路橋梁-軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)仿真模型

1.1 仿真模型的建立

假設(shè)軌道和梁體間不發(fā)生橫向相對(duì)位移，采用帶剛臂的梁?jiǎn)卧M梁體。簡(jiǎn)化起見(jiàn)，用道床阻力代替線路縱向阻力[8]，并采用非線性桿單元模擬，其滯回曲線[9]如式(1)所示。

(1)

采用梁?jiǎn)卧M鋼軌，在橋臺(tái)兩側(cè)各建立150 m路基上的鋼軌[10]，采用線性彈簧模擬下部結(jié)構(gòu)縱向剛度。以該模型計(jì)算溫度、豎向活載和列車制動(dòng)作用下單線單跨50 m簡(jiǎn)支梁橋上鋼軌縱向力，與UIC774-3規(guī)范附錄C2算例結(jié)果相比，鋼軌應(yīng)力相對(duì)誤差為0.3%～4.9%，墩頂水平力相對(duì)誤差為1.4%～7.4%，證明該模型可準(zhǔn)確模擬橋梁和軌道之間的相互作用[11]。

以30 t軸重重載鐵路雙線32 m簡(jiǎn)支T梁為例，其截面形式如圖1所示。

圖1 重載鐵路32 m簡(jiǎn)支T梁截面示意圖Fig.1 Section of 32 m simply-supported T-beam for heavy haul railway(m)

建立11～32 m簡(jiǎn)支T梁橋-軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)仿真模型，其中：橋面鋪裝層、道砟、扣件等二期恒載按130 kN/m計(jì)；固定支座按線性彈簧處理；滑動(dòng)支座采用理想彈塑性彈簧模擬，彈性階段剪切剛度取為5.3 MN/m、彈塑性臨界位移為9.3 mm；橋墩采用非線性梁?jiǎn)卧阅M可能出現(xiàn)的塑性變形，墩體混凝土取用Mander材料模型(無(wú)約束混凝土峰值應(yīng)力為34 MPa，極限應(yīng)變0.004，墩底塑性鉸區(qū)截面配箍率0.004，縱向主筋配筋率0.03)，墩高統(tǒng)一取為20 m；墩底使用具有6個(gè)自由度的等效剛度矩陣模擬樁-土共同作用。在墩底支承點(diǎn)和路基支承點(diǎn)處建立大質(zhì)量單元，釋放支承點(diǎn)在激勵(lì)方向上的約束，并在該點(diǎn)施加動(dòng)力時(shí)程以模擬基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)(質(zhì)量取為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的1.0×108倍[12])，所建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋-軌道系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model for bridge-track system

系統(tǒng)采用Rayleigh阻尼，阻尼比h取為0.05，阻尼系數(shù)α和β按式(2)取值：

(2)

式中：w1和w1為第一階和對(duì)結(jié)構(gòu)縱向振型貢獻(xiàn)最大的一階頻率。

1.2 荷載參數(shù)的選取

在選取地震波時(shí)，將規(guī)范[13]反應(yīng)譜導(dǎo)入美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的SIMQKE-GR軟件生成人工波，將該人工波的反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜比較，使二者基本相符。按上述方法生成4類人工波作為地震激勵(lì)，見(jiàn)表1。

表1 本文所采用的人工波

地震設(shè)防烈度為8度，保留各地震波頻譜特性，僅將各波最大峰值加速度調(diào)至0.3 g(設(shè)計(jì)地震)[13]。

進(jìn)行地震動(dòng)行波效應(yīng)下系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，僅考慮不同支承點(diǎn)輸入時(shí)間上的差異，視波速取為200 m/s。

考慮溫度效應(yīng)時(shí)，采用考慮溫度加載歷史的荷載步法[14]，在梁體升降溫15 ℃產(chǎn)生的溫度變形的基礎(chǔ)上進(jìn)行地震激勵(lì)。

在考慮列車制動(dòng)作用時(shí)，參照文獻(xiàn)[15]將30 t軸重重載鐵路的重載等級(jí)系數(shù)取為1.2，即1.2倍ZH標(biāo)準(zhǔn)活載(圖3)。假設(shè)列車以180 km/h的速度從P11臺(tái)端駛?cè)霕蛄翰⒅苿?dòng)，制動(dòng)力率取為0.2[16]。

圖3 30 t軸重重載鐵路活載圖式Fig.3 Live load diagram for 30t axle load railway

2 重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋-軌道系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 路基段鋼軌長(zhǎng)度

為考察路基段鋼軌長(zhǎng)度的影響，分別在橋梁兩端路基上建立0～300 m鋼軌，進(jìn)行橋梁-軌道系統(tǒng)特征值及非線性時(shí)程分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 路基段鋼軌長(zhǎng)度的影響Fig.4 Influence of track length on embankment

由圖4可知，重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋-軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)對(duì)地震波頻譜特性極為敏感，不同地震波作用下系統(tǒng)受力和變形在數(shù)值上存在顯著差異。在考慮路基段鋼軌后，相當(dāng)于為橋梁結(jié)構(gòu)增加了額外的縱向約束，可大幅度提高系統(tǒng)前3階自振頻率，改變結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性。4種地震波作用下，當(dāng)路基段鋼軌長(zhǎng)度超過(guò)110 m時(shí)，墩底剪力和梁軌相對(duì)位移最大值趨于穩(wěn)定；超過(guò)130 m時(shí)，最大鋼軌應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

2.2 簡(jiǎn)支梁跨數(shù)

分別建立1～16跨32 m簡(jiǎn)支T梁橋-軌道系統(tǒng)仿真模型，計(jì)算系統(tǒng)自振頻率及4種地震波作用下系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，見(jiàn)圖5。

圖5 簡(jiǎn)支梁跨數(shù)的影響Fig.5 Influence of simply-supported bridge amount

隨著簡(jiǎn)支梁跨數(shù)的增加，系統(tǒng)自振頻率大幅度降低，鋼軌應(yīng)力、梁軌相對(duì)位移和臺(tái)底剪力逐漸增加。當(dāng)橋梁跨數(shù)超過(guò)10跨時(shí)，系統(tǒng)自振頻率趨于定值；跨數(shù)超過(guò)8跨時(shí)，最大鋼軌應(yīng)力趨于定值。

2.3 滑動(dòng)支座摩阻系數(shù)

將滑動(dòng)支座摩阻系數(shù)分別取為0～0.07，研究其對(duì)系統(tǒng)地震響應(yīng)的影響，見(jiàn)圖6。

圖6 滑動(dòng)支座摩阻系數(shù)的影響Fig.6 Influence of sliding bearing friction factor

滑動(dòng)支座摩阻系數(shù)對(duì)鋼軌應(yīng)力影響極小。隨著摩阻系數(shù)的增大，墩底剪力分布更為均勻，梁軌相對(duì)位移和梁間相對(duì)位移均有不同程度的減小。

2.4 線路縱向阻力形式

圖7 線路縱向阻力的影響Fig.7 Influence of track longitudinal resistance

隨著線路縱向阻力的提高，橋梁和軌道之間的相互作用增強(qiáng)，鋼軌應(yīng)力和墩底剪力有所增加，而梁軌相對(duì)位移和梁端位移差減小。由圖7也可看出，在采用小阻力扣件時(shí)，梁間出現(xiàn)較大的相對(duì)位移，梁體將發(fā)生碰撞甚至落梁。

2.5 簡(jiǎn)支梁跨度

分別建立11跨20 m、24 m、32 m和40 m重載鐵路簡(jiǎn)支梁-軌道系統(tǒng)模型，研究橋梁跨度對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響，見(jiàn)圖8。

圖8 簡(jiǎn)支梁跨度的影響Fig.8 Influence of simply-supported bridge span length

由于20～40 m簡(jiǎn)支梁跨度增幅不大，此范圍內(nèi)橋梁跨度對(duì)鋼軌應(yīng)力影響極小，但墩底剪力快速增大，橋梁跨度由32 m增加至40 m時(shí)，墩底剪力平均增大20%。

3 一致激勵(lì)下簡(jiǎn)支梁-軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)

分別計(jì)算4種地震波(0.3 g，下同)作用下11～32 m重載鐵路簡(jiǎn)支梁-軌道系統(tǒng)縱向受力及變形情況，見(jiàn)圖9。

圖9 縱向一致激勵(lì)作用Fig.9 Longitudinal uniform excitation effect

由圖9可以看出，地震波頻譜特性對(duì)橋梁-軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)影響顯著。一致激勵(lì)作用下，鋼軌應(yīng)力包絡(luò)圖呈“雙菱形”分布，鋼軌最大應(yīng)力均出現(xiàn)橋臺(tái)附近(E4地震波作用下可達(dá)260.5 MPa)，各梁縫處鋼軌受力亦較大。放置固定支座的橋臺(tái)承受較大剪力，其余橋墩受力較為均衡。

與橋臺(tái)相鄰的第二跨簡(jiǎn)支梁梁縫處梁軌相對(duì)位移普遍較大(E4地震波作用下可達(dá)25.6 mm)，表明鋼軌已發(fā)生快速滑移。與放置滑動(dòng)支座的橋臺(tái)相接的簡(jiǎn)支梁存在較大的縱向位移(E4地震波作用下達(dá)80.2 mm)，存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

4 行波效應(yīng)作用下簡(jiǎn)支梁-軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)

4.1 行波效應(yīng)作用規(guī)律

設(shè)視波速為200 m/s，分別計(jì)算4種地震波作用下11～32 m重載鐵路簡(jiǎn)支梁-軌道系統(tǒng)受力和變形情況，見(jiàn)圖10。

圖10 縱向行波效應(yīng)作用Fig.10 Longitudinal traveling wave effect

由圖10可知，鋼軌對(duì)縱向非一致激勵(lì)極為敏感，與一致激勵(lì)作用下的“雙菱形”分布不同，行波效應(yīng)下鋼軌應(yīng)力、梁軌相對(duì)位移和梁間相對(duì)位移分布均較為均勻。

4.2 視波速的影響

以E4地震波為例，分析視波速為200～800 m/s的行波效應(yīng)和一致激勵(lì)下，11～32 m重載鐵路簡(jiǎn)支梁-軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)，見(jiàn)圖11。

圖11 視波速的影響Fig.11 Influence of apparent wave velocity

由圖11可得，視波速對(duì)鋼軌應(yīng)力、墩底剪力、梁軌相對(duì)位移和梁間相對(duì)位移均有較大影響，且規(guī)律性并不明晰?？傮w而言，隨著視波速的增加，系統(tǒng)的受力和變形逐漸接近一致激勵(lì)下的情況。

5 溫度、列車制動(dòng)與地震的耦合作用

5.1 溫度與地震耦合作用

在梁體升降溫15℃的基礎(chǔ)上，采用考慮加載歷史的荷載步法分析E4地震波(0.3 g)作用下系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。分析表明，考慮溫度與否對(duì)鋼軌應(yīng)力和墩底水平力的影響極為微小，究其原因，筆者認(rèn)為地震中鋼軌單元受到反復(fù)動(dòng)力作用(且數(shù)值大于鋼軌伸縮力)，對(duì)鋼軌應(yīng)力產(chǎn)生耗散作用[17]。但梁體溫度變形導(dǎo)致梁軌相對(duì)位移和梁間相對(duì)位移增大，一定程度上降低了鋼軌的動(dòng)力穩(wěn)定，見(jiàn)圖12。

圖12 溫度與地震耦合作用Fig.12 Coupling effect of temperature and earthquake

5.2 列車制動(dòng)與地震耦合作用

以E4波為例，假設(shè)(一致激勵(lì)和行波效應(yīng))地震發(fā)生后第5 s、10 s和15 s時(shí)刻，列車從P11端入橋并制動(dòng)，考慮列車豎向活載，制動(dòng)力率取為0.25，系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)見(jiàn)圖13。

圖13 列車制動(dòng)和地震耦合作用Fig.13 Coupling effect of train brake and earthquake

由圖13可以看出，不同時(shí)刻列車在橋上制動(dòng)將一定程度上增大橋梁-軌道系統(tǒng)的受力和變形：某些區(qū)域鋼軌應(yīng)力可增大約53.6 MPa、墩底剪力增大215.8 kN、梁軌相對(duì)位移增大15.2 mm、梁間相對(duì)變形增大28.1 mm。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)30 t軸重重載鐵路橋梁，研究了一致激勵(lì)和行波效應(yīng)下重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋-軌道系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，并探討了主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，得到的主要結(jié)論包括：

(1) 無(wú)縫線路的存在顯著改變了重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋的自振特性，在進(jìn)行鐵路橋梁地震響應(yīng)分析時(shí)，必須考慮橋上軌道結(jié)構(gòu)的影響。

(2)當(dāng)?shù)匦蔚刭|(zhì)條件差別相差不大時(shí)，路基段鋼軌長(zhǎng)度可取為150 m、簡(jiǎn)支梁跨數(shù)可簡(jiǎn)化為11跨、滑動(dòng)支座摩阻系數(shù)可取為0.03。

(3)線路縱向阻力對(duì)系統(tǒng)受力影響顯著，線路阻力較小時(shí)，梁體與梁體、梁體與橋臺(tái)間可能出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，甚至發(fā)生落梁。隨著簡(jiǎn)支梁跨度的增加，墩底剪力快速增大。

(4)橋梁-軌道系統(tǒng)地震響應(yīng)與地震頻譜特性有關(guān)?？傮w而言，一致激勵(lì)作用下，鋼軌應(yīng)力包絡(luò)呈現(xiàn)“雙菱形”分布，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在兩端橋臺(tái)處。某些情況下，梁軌快速相對(duì)位移可達(dá)25.6 mm，鋼軌易發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)。

(5) 由于無(wú)縫線路軌道結(jié)構(gòu)的縱向連續(xù)性，即使對(duì)于跨度較小的簡(jiǎn)支梁橋，也應(yīng)考慮行波效應(yīng)的影響，隨著視波速的增加，鋼軌應(yīng)力和墩底剪力有所增加。

(6) 溫度和列車制動(dòng)作用增強(qiáng)了重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋-軌道系統(tǒng)的地震響應(yīng)，進(jìn)一步增大了軌道結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生動(dòng)力失穩(wěn)的可能性。

[ 1 ] WU Qing, LUO Shihui, COLIN C.Longitudinal dynamics and energy analysis for heavy haul trains [J]. Journal of Modern Transportation, 2014, 22(3): 127-136.

[ 2 ] 楊德修. 重載鐵路軌道技術(shù)發(fā)展方向研究 [J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2012(2): 41-44. YANG Dexiu. Research on development direction of track technology of heavy-haul tailway [J]. Journal of Railway Engineering Society, 2012(2): 41-44.

[ 3 ] 戴福忠, 陳雅蘭. 重載鐵路橋梁設(shè)計(jì)列車標(biāo)準(zhǔn)活載的研究 [J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 2004, 25(4): 81-86. DAI Fuzhong, CHEN Yalan.Study on the standard live load of a train for the design of heavy load railway bridge [J]. China Railway Science, 2004, 25(4): 81-86.

[ 4 ] 王麗, 張玉玲. 新建重載鐵路橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)的研究 [J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2013,46(3):103-109. WANG Li, ZHANG Yuling. Study on the design load model for new heavy haul railway bridges [J]. China Civil Engineering Journal, 2013, 46(3):103-109.

[ 5 ] 戴公連, 朱俊樸, 閆斌. 重載列車與既有鐵路簡(jiǎn)支梁橋的適應(yīng)性研究 [J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 11(2): 7-13. DAI Gonglian, ZHU Junpu, YAN Bin. The adaptability research of heavy haul trains and existing railway simply-supported bridge [J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014,11(2): 7-13.

[ 6 ] 余志武, 李進(jìn)洲, 宋力. 疲勞荷載后重載鐵路橋梁剩余靜載承載力試驗(yàn)研究 [J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2014,36(4):76-85. YU Zhiwu, LI Jinzhou, SONG Li. Experimental study on post-cyclic-loading residual static bearing capacity of heavy-haul railway bridges [J]. Journal of the China Railway Society, 2014, 36(4):76-85.

[ 7 ] 戴公連, 朱俊樸, 閆斌. 30 t軸重重載鐵路簡(jiǎn)支梁橋上無(wú)縫線路縱向力研究 [J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2015,48(8):1-10. DAI Gonglian, ZHU Junpu, YAN Bin. Longitudinal force of continuous welded rail on simply-supported bridge traveled by 30 t axle load heavy haul [J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(8):1-10.

[ 8 ] EuroPean Committee For Standardization. Eurocaode 1:Actions on structures-Part 2:Traffic loads on bridges:BS EN 1991-2[S]. 2003.

[ 9 ] 鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范:TB 10015—2012[S]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2013.

[10] Track/bridge interaction. Recommendations for calculations:UIC. UIC 774-3 [S]. Paris: International Union of Railways, 2001. [11] 戴公連, 閆斌. 高速鐵路斜拉橋與無(wú)縫線路相互作用研究 [J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2013,46(8):90-97. DAI Gonglian, YAN Bin. Interaction between cable-stayed bridge traveled by high-speed trains and continuously welded rail [J]. China Civil Engineering Journal, 2013.46(8): 90-97.

[12] YAN Bin, DAI Gonglian. Seismic pounding and protection measures of simply-supported beams considering interaction between continuously welded rail and bridge [J]. Structural Engineering International, 2013, 23(1):61-67.

[13] 中華人民共和國(guó)鐵道部. 鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50111—2006[S]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2006.

[14] 閆斌, 戴公連. 考慮加載歷史的高速鐵路梁軌相互作用分析 [J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2014,36(6):75-80. YAN Bin, DAI Gonglian. Analysis of interaction between continuously-welded rail and high-speed railway bridge considering loading-history [J]. Journalof the China Railway Society, 2014, 36(6): 75-80.

[15] 重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(征求意見(jiàn)稿) [S]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2011.

[16] 雷俊卿, 李宏年, 馮東. 鐵路橋梁列車制動(dòng)力的試驗(yàn)研究與計(jì)算分析 [J]. 工程力學(xué), 2006,23(3):134-140. LEI Junqing, LI Hongnian, FENG Dong. Experimental study and computational analysis on braking force between running train and railway bridge [J]. Engineering Mechanics, 2006, 23(3):134-140.

[17] 閆斌. 高速鐵路中小跨度橋梁與軌道相互作用研究 [D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué), 2013.

Seismic responses of a 30 t axle weight havey loaded railway simply-supported bridges-tracks system

YAN Bin1,2, PAN Wenbin1, LIU Shi1, DAI Gonglian1,2, WEI Biao1,2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

In order to study seismic responses of a multi-span heavy loaded railway simply-supported bridges- tracks system, the validated bridge-track interaction analysis method was used to establish the simulation model of interaction between heavy loaded railway simply-supported bridges and double ballast tracks considering pile-soil interaction, pier elastic-plastic deformation, sliding bearing friction and track nonlinear resistance. The study revealed the seismic response law of the heavy loaded railway simply-supported bridges and tracks system under the seismic uniform excitation and traveling wave effect. The influences of design parameters, such as, track segment length, simply-supported bridge amount, span length, track longitudinal resistance form and sliding bearing friction coefficient were discussed. The stress characteristics of the system under the coupling effects among temperature, train brake and earthquake were analyzed. The results showed that when the geological conditions are similar, simply-supported bridges can be reduced to 11 spans and 150 m is taken as the length of track segment on embankment; when the track resistance decreases, both collision and beam falling may occur between beams and between abutment and beam; under longitudinal uniform excitation, the track stress envelope shape is a “double-diamond” with its maximum value appearing near the abutment, and the dynamic instability may occur due to larger track-bridge relative displacements near beam gaps; under the traveling wave effect, the stress and deformation laws of the system change significantly, so it is necessary to consider the effect of traveling wave even for smaller span simply-supported bridges; temperature and train braking action further increase the possibility of dynamic instability of the system under earthquakes.

heavy loaded railway; railway bridge; simply-supported beam; continuously welded rail; seismic response

高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金(U13342023); 中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題(2015G001-G); 中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (2014M552158)

2015-08-05 修改稿收到日期：2016-01-09

閆斌 男，博士后，副教授，1984年生

魏標(biāo) 男，副教授，1982年生

U213.912

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.03.030