近斷層脈沖型地震作用下高速鐵路橋梁-軌道系統(tǒng)響應(yīng)分析

喻梅 呂佳偉 賈宏宇 賈康 鄭史雄 趙燦暉

摘? ?要：為了研究在近斷層脈沖型地震作用下高速鐵路橋梁-軌道系統(tǒng)的動力響應(yīng)規(guī)律，針對高速鐵路線上最常用的簡支梁形式結(jié)構(gòu)，以某8 × 32.7 m高速鐵路簡支箱梁橋為例. 建立了考慮簡支梁與CRTS I型板式無砟軌道之間相互作用的橋梁-軌道模型，討論了具有破裂前方脈沖、滑沖脈沖、無脈沖型近斷層地震動對橋梁-軌道系統(tǒng)的影響及扣件阻力改變時橋梁-軌道系統(tǒng)動力響應(yīng)的變化. 結(jié)果表明：三種脈沖類型地震動作用下鋼軌的受力和變形規(guī)律保持一致，脈沖型地震動較無脈沖型地震動增加了約20%鋼軌應(yīng)力和位移. 相對于軌道系統(tǒng)，橋墩對脈沖類型更為敏感，在破裂前方脈沖和滑沖脈沖地震作用下，橋墩的墩頂最大位移比無脈沖地震動分別增大了106.6%和148.6%，墩底彎矩和剪力也有明顯增大，在進行高速鐵路橋梁抗震設(shè)計時應(yīng)考慮脈沖類型對橋梁結(jié)構(gòu)的影響. 扣件縱向阻力從5 kN/組增大到15 kN/組時，墩頂最大位移降低了10%，但鋼軌應(yīng)力和位移峰值約為原來的2倍.

關(guān)鍵詞：近斷層地震動;高速鐵路;CRTS I型板式無砟軌道;脈沖效應(yīng);橋梁-軌道系統(tǒng)

中圖分類號：U24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A

Response Analysis of High-speed Railway Bridge-rail

System Subjected to Near-fault Pulse-type Earthquake

YU Mei1，2，L?Jiawei1，2，JIA Hongyu3，JIA Kang3，ZHENG Shixiong3，ZHAO Canhui3

（1. State Key Laboratory of Mountain Bridge and Tunnel Engineering（Chongqing Jiaotong University），Chongqing 400074，China;

2. Engineering Research Center of Bridge Structure and Material in the Mountainous Area of

Ministry of Education（Chongqing Jiaotong University），Chongqing 400074，China;

3. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract：To study the dynamic response law of high-speed railway bridge-rail system subjected to the action of near-fault impulse earthquake， an 8×32.7 m high-speed railway simply supported box girder bridge is taken as an example for the simple-supported beam form structure most commonly used on high-speed railway line. A bridge-rail model considering the interaction between simply supported beams and CRTS I type slab ballastless track is established. The effects of near-fault ground pulses with rupture front pulses，sliding pulses，and pulse-free near-fault on the bridge-rail system are discussed，as well as the changes of bridge-rail system dynamic response when fastener resistance changes. The results show that the stress and deformation rules of the track under the action of the three pulse types of ground motion are consistent. The pulse-type ground motion increases the track stress and displacement by about 20% when compared with the pulse-free ground motion. Compared with the track system，the pier is more sensitive to the type of pulse. Under the action of pulse and slip pulse before the rupture，the maximum displacement of the pier top is increased by 106.6% and 148.6%，respectively，when compared with the non-pulse ground motion. The bending moment of the pier bottom and the shear force are also increased significantly，and the impact of the pulse type on the bridge structure should be considered in the seismic design of high-speed railway bridges. When the longitudinal resistance of the fastener is increased from 5 kN/group to 15 kN/group，the maximum displacement of the pier top is reduced by 10%，but the peak stress and displacement of the track are about twice the original values.

Key words：near-fault ground motion;high-speed rail;CRTS I plate-type ballastless track;pulse effect;bridge and rail system

高速鐵路是國家重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，對我國經(jīng)濟發(fā)展具有重大的意義. 為了保證行車平順性和旅客舒適性，也為了減小路基帶來的沉降影響. 一般路段，高速鐵路采用以橋帶路的方式修建，從而使得橋梁總里程數(shù)不斷增加，也導(dǎo)致了高速鐵路橋梁修建臨近斷層或跨越斷層. 另外，已有地震災(zāi)害表明速度脈沖作用會對近斷層區(qū)域的建筑物造成更為嚴(yán)重的破壞，如1994年美國的Northridge地震、1995年日本的Kobe地震、1999年中國臺灣的Chi-Chi地震、2008年中國的汶川地震. 特別是近斷層地震動的速度脈沖作用對結(jié)構(gòu)的影響已經(jīng)日益引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注. Liao等[1]以高速公路連續(xù)梁橋為研究對象，分析了近遠(yuǎn)場地震動對結(jié)構(gòu)的影響，指出近斷層地震動對結(jié)構(gòu)的延性要求更高. Shrestha[2]研究了近斷層豎向地震動對斜拉橋的影響. 張凡等[3-4]研究了近斷層脈沖效應(yīng)和SSI效應(yīng)對大跨斜拉橋地震響應(yīng)的影響. Chouw等[5-6]研究了空間變化的近斷層地震動和土與結(jié)構(gòu)相互作用對懸臂梁橋的影響. 陳昉健等[7]研究了近場地震對銹蝕的鋼筋混凝土橋墩的影響. 左燁等[8]對近斷層地震動作用下曲線梁橋碰撞效應(yīng)進行了研究，指出近斷層脈沖型地震動較遠(yuǎn)場地震對曲線梁橋碰撞效應(yīng)的影響更為顯著. Sevim等[9-10]通過數(shù)值模擬和試驗的方法，研究了近、遠(yuǎn)斷層地震動對拱橋抗震性能的影響. 李宇等人[11-13]研究了近斷層地震作用下隔震結(jié)構(gòu)的響應(yīng)及隔震效果. Brown等[14]通過振動臺試驗研究了近斷層地震動對橋墩的影響，結(jié)果表明近斷層地震動將導(dǎo)致更大的應(yīng)變、曲率和殘余位移. 丁幼亮等[15]研究了多塔懸索橋近斷層地震作用下的地震反應(yīng)特點. 國內(nèi)外學(xué)者對近斷層脈沖效應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有一定的研究，但是幾乎都集中在橋梁結(jié)構(gòu)本身，而在高速鐵路線上的橋梁結(jié)構(gòu)本身與軌道為一個整體，地震作用下會相互影響. 在近斷層修建高速鐵路橋梁越來越多的情況下，研究近斷層脈沖地震作用對橋梁-軌道系統(tǒng)的動力響應(yīng)是非常必要的.

綜上所述，本文以高速鐵路CRTS I型板式無砟軌道簡支梁橋為研究對象，考慮了梁-軌相互作用下的橋梁和軌道系統(tǒng)的動力響應(yīng)，建立了能考慮橋梁與無砟軌道相互作用以及路基段對鋼軌剛度和邊界條件影響的精細(xì)化模型，分析了不同脈沖類型近斷層地震動對橋梁-軌道系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響，并對軌道設(shè)計參數(shù)進行了分析. 研究結(jié)論可為高速鐵路橋梁抗震設(shè)計提供理論依據(jù).

1? ?高速鐵路橋梁-軌道模型

1.1? ?橋梁概況

以橋跨布置為8 × 32.7 m的高速鐵路雙線簡支梁為例，主梁為單箱單室截面，橋面寬度12.6 m，箱梁高度3.035 m，主梁材料為C50混凝土. 軌道結(jié)構(gòu)采用CRTS I型板式無砟軌道，由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿、底座板、填充樹脂、凸形擋臺構(gòu)成. 支座采用盆式橡膠支座，橋墩使用墩高12 m圓端型實體橋墩. 全橋結(jié)構(gòu)如圖1所示.

1.2? ?有限元模型

CRTS I型無砟軌道橋梁系統(tǒng)構(gòu)造如圖2所示，鋼軌為CHN60型標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，采用Beam188梁單元模擬. 橋上扣件使用WJ-7型小阻力扣件，間距0.629 m，采用非線性彈簧單元Combin39模擬扣件縱向阻力，其本構(gòu)模型為理想彈塑性模型，線性彈簧單元Combin14模擬扣件的橫向和垂向剛度，橫向剛度取50 kN/mm，垂向剛度取35 kN/mm[16]. 根據(jù)中鐵第四勘察設(shè)計院對扣件阻力進行現(xiàn)場測試的結(jié)果，WJ-7型小阻力扣件的縱向滑移阻力在3 ～ 5 kN之間，彈塑性臨界點在0.5 ～ 1 mm之間. 本文扣件縱向阻力取5 kN/組，彈塑性臨界點取0.5 mm. 路基地段的扣件采用常阻力扣件，線路縱向阻力按式（1）取值[17]：

r = 12.0x，x ≤ 2 mm? ? 24.0，x > 2 mm? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：r為線路縱向阻力，kN/m;x為軌道相對扣件的縱向位移，mm.

采用Beam188梁單元模擬軌道板和底座板，軌道板為C60混凝土預(yù)制構(gòu)件，寬度為2.4 m，設(shè)計厚度為0.19 m，板與板之間設(shè)有70 mm板縫. 底座板厚0.2 m，寬2.8 m，C35混凝土現(xiàn)澆而成，底座板與主梁之間視為剛性連接，相鄰底座板之間留有20 mm的伸縮縫. CA砂漿層尺寸與軌道板相同，厚度50 mm，CRTS I型板式無砟軌道砂漿彈性模量約為300 MPa. 根據(jù)抗推實驗結(jié)果[18]， CA砂漿摩擦系數(shù)約為0.55，轉(zhuǎn)換成縱向阻力為6.5 kN/m，采用Combin39非線性彈簧單元模擬.

凸形擋臺和樹脂對軌道板主要起約束限制位移的作用，將凸形擋臺及樹脂對軌道板約束作用視為板端線性彈簧[19]，彈簧剛度為80 kN/mm. 支座采用KTPZ5500型盆式橡膠支座，固定支座采用線性彈簧單元Combin14模擬，活動支座的力學(xué)模型可視為理想彈塑性恢復(fù)力模型如圖3所示，采用非線性彈簧單元Combin39模擬，設(shè)計摩擦系數(shù)取0.03[19]，盆式橡膠支座屈服位移一般為2 ～ 5 mm，本文取3 mm.

主梁為預(yù)制C50預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋墩采用圓端型實體橋墩，截面尺寸為6 m × 2.3 m，混凝土采用Mander本構(gòu)模型，鋼筋為雙折線模型. 在強震作用下橋墩可能進入塑性，假設(shè)橋墩塑性鉸存在于墩底，墩底截面彎矩曲率曲線利用Xtract軟件計算分析得到，截面屬性見表1.

采用非線性彈簧單元Combin40模擬橋墩塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動功能，墩底固結(jié)，不考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用. 在橋梁兩端各模擬100 m路基上的鋼軌，以消除邊界條件對橋梁結(jié)構(gòu)的影響[20]. 根據(jù)上述模擬方式，采用通用有限元軟件ANSYS建立8 × 32 m高速鐵路簡支梁模型，有限元模型如圖4所示.

對有限元模型進行模態(tài)分析，表2列出模型的前5階自振頻率及其振型特點. 由表可知高速鐵路簡支梁的自振周期小于0.6 s，為短周期結(jié)構(gòu).

2? ?地震動的選取及頻譜特性分析

2.1? ?地震動的選取

近斷層地震動的速度脈沖作用主要來源于2種形式[21]，一是由破裂的方向性效應(yīng)引起的雙向或多向速度脈沖，二是由滑沖效應(yīng)地面永久位移引起的單向速度脈沖. 本文僅考慮近斷層地震動的脈沖類型對高速鐵路簡支梁橋的影響，未考慮近斷層地震動其他特性，如果綜合考慮上盤效應(yīng)、滑沖效應(yīng)、破裂方向效應(yīng)和脈沖效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響，這些效應(yīng)之間的相互影響難以區(qū)分，反而效果不佳. 基于PEER強震庫（美國太平洋地震工程研究中心），從Chi-Chi地震和Northridge地震中選取具有破裂前方脈沖、滑沖脈沖、無脈沖型的近斷層地震動各6條. 其中，Northridge地震只有破裂前方脈沖地震動，地震動的詳細(xì)參數(shù)見表3. 地震動的斷層距均在20 km以內(nèi)，由于場地條件對橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響明顯，因此，選取符合橋址所在地的場地類別為C類或D類的地震動. PGA、PGV和PGD分別代表地面運動加速度峰值、速度峰值和位移峰值，當(dāng)PGV/PGA>0.2時有明顯脈沖現(xiàn)象，PGV/PGA<0.2時脈沖現(xiàn)象不明顯.

2.2? ?近斷層地震動反應(yīng)譜分析

3種脈沖類型地震動具有明顯不同的特征，為了了解近斷層地震波的頻譜特性，采用阻尼比為0.05的單自由度體系，計算出3組地震動作用下的加速度反應(yīng)譜平均值和速度反應(yīng)譜平均值.

由圖5可知，對于單自由度加速度反應(yīng)譜，當(dāng)體系周期T < 0.4 s時，近場無脈沖地震譜加速度平均值明顯大于脈沖型地震動;當(dāng)體系周期0.4 s < T < 0.8 s時，3組地震動譜加速度平均值數(shù)值上下波動比較接近;當(dāng)體系周期T > 0.8 s時破裂前方脈沖和滑沖脈沖地震動的譜加速度平均值明顯大于無脈沖地震動. 圖6為譜速度平均值，其變化規(guī)律和譜加速度平均值的變化規(guī)律類似. 高速鐵路簡支梁橋為短周期結(jié)構(gòu)，自振周期在0.6 s以內(nèi)，此區(qū)間內(nèi)地震響應(yīng)變化較為復(fù)雜，無脈沖型地震動主要影響結(jié)構(gòu)自振周期小于0.4 s的高階振型，而3種脈沖類型地震動都會對結(jié)構(gòu)的基本振型產(chǎn)生較大的影響.

3? ?地震響應(yīng)分析

橋梁設(shè)防烈度為8度，Ⅱ類場地，將3組地震波的加速度峰值調(diào)至罕遇地震加速度0.38g，通過調(diào)幅地震波的頻譜特征不會改變，僅考慮地震的一致激勵，時程分析采用Rayleigh阻尼，阻尼比h為0.05，阻尼系數(shù)α和β為

式中：ω1和ω2為結(jié)構(gòu)的前兩階振型對應(yīng)的圓頻率.

3.1? ?橋梁-軌道系統(tǒng)振動方程

地震作用下高速鐵路橋梁-軌道系統(tǒng)振動方程如下：

3.2? ?軌道結(jié)構(gòu)響應(yīng)

為考察近斷層地震動對軌道結(jié)構(gòu)的影響，計算縱向地震激勵作用下鋼軌的動力響應(yīng)，其應(yīng)力包絡(luò)曲線和位移包絡(luò)曲線見圖7和圖8，鋼軌坐標(biāo)以第一跨簡支梁最左側(cè)的梁端為原點. 在三類近斷層地震動作用下，鋼軌應(yīng)力包絡(luò)曲線和位移包絡(luò)曲線規(guī)律基本一致，鋼軌應(yīng)力在左側(cè)第一跨簡支梁的末端和右側(cè)橋臺處取得極值. 遠(yuǎn)離橋臺后鋼軌應(yīng)力逐漸降低，這是因為橋臺處剛度大而橋墩的剛度較小，在墩臺過渡位置需要較大的內(nèi)力來協(xié)調(diào)變形. 橋上的鋼軌應(yīng)力在整座橋梁的中間橋跨區(qū)域應(yīng)力最小，路基上鋼軌應(yīng)力在距離橋臺40 m范圍內(nèi)仍有較大值，距離橋臺80 m后鋼軌應(yīng)力趨于穩(wěn)定接近于0. 鋼軌的絕對位移在橋跨中間部分最大，越靠近橋梁兩側(cè)路基段越小并逐漸趨近于0. 相對于近場無脈沖型地震動，在破裂前方脈沖和滑沖脈沖地震作用下鋼軌產(chǎn)生了更大的應(yīng)力和位移，但兩者之間數(shù)值較為接近，約比無脈沖型地震動增加了20%的應(yīng)力和位移峰值.

3.3? ?橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)

表4至表6為不同脈沖類型近斷層地震動作用下第四跨橋梁地震響應(yīng)情況. 結(jié)果表明：橋墩的內(nèi)力變形規(guī)律保持一致，均為滑沖脈沖地震作用下最大，破裂前方脈沖次之，無脈沖最低. 相比于無脈沖型地震動，脈沖型近斷層地震動明顯增加了橋墩的內(nèi)力和變形. 在罕遇地震作用下橋墩已經(jīng)屈服進入塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)周期已經(jīng)改變，而脈沖型地震動包含較多的長周期成分，此時橋梁對低頻成分更敏感，將產(chǎn)生更劇烈的反應(yīng)，因此，滑沖脈沖和破裂前方脈沖地震作用下橋墩的內(nèi)力、位移、轉(zhuǎn)角均大于無脈沖型地震動. 盡管脈沖型近斷層地震動增加了橋墩的內(nèi)力和變形，但墩底形成塑性鉸后，墩底彎矩和剪力增加有限而塑性變形大大增加. 破裂前方脈沖地震作用下的墩頂最大位移平均值和墩底轉(zhuǎn)角平均值較無脈沖地震動分別增大了106.6%和115%;滑沖脈沖地震作用下的墩頂最大位移平均值和墩底轉(zhuǎn)角平均值較無脈沖地震動分別增大了148.6%和168.9%，這意味著橋墩需要更大的延性變形能力. 滑沖脈沖地震動的PGV/PGA范圍在0.32～0.75，而破裂前方脈沖地震動PGV/PGA范圍在0.18～0.35，滑沖脈沖在同一方向的加速度持續(xù)時間更長，有更大的瞬時能量輸入，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反應(yīng)較破裂前方脈沖地震更大. 主梁縱向最大位移與墩頂最大位移規(guī)律相同，地震發(fā)生后，作用力通過橋墩傳至主梁使主梁變形規(guī)律與橋墩類似，而高速鐵路軌道為無縫焊接鋼軌，其位移受到縱向相鄰位置處鋼軌的約束限制了鋼軌的位移導(dǎo)致鋼軌位移不同于橋墩與主梁. 相對于軌道結(jié)構(gòu)，近斷層地震動的脈沖類型對橋墩與主梁的影響更為顯著，在進行近斷層區(qū)域高速鐵路簡支梁橋抗震設(shè)計時，應(yīng)該對近斷層地震動脈沖類型加以區(qū)分考慮其對結(jié)構(gòu)的影響，以免低估結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，造成過大的結(jié)構(gòu)變形而導(dǎo)致碰撞落梁或倒塌.

4? ?扣件阻力的影響

扣件縱向阻力是高鐵橋梁重要的設(shè)計參數(shù)，為使研究具有普遍性，本節(jié)研究不同扣件阻力對軌道結(jié)構(gòu)和橋墩地震響應(yīng)的影響. 縱橋向輸入具有滑沖脈沖的TCU052-E臺站近斷層地震動進行一致激勵. 討論扣件縱向阻力分別為5 kN/組（小阻力扣件）、7.5 kN/組、10 kN/組、15 kN/組時橋梁-軌道系統(tǒng)的地震響應(yīng)情況，扣件縱向阻力本構(gòu)模型均采用理想彈塑性模型.

圖9和圖10給出了扣件縱向阻力改變時鋼軌的應(yīng)力包絡(luò)曲線和位移包絡(luò)曲線. 隨著扣件縱向阻力的增加，鋼軌對橋梁的約束能力增強，將從橋梁上獲得更多的能量，使鋼軌的應(yīng)力和位移大幅度增加. 當(dāng)扣件縱向阻力增加到15 kN/組時，鋼軌應(yīng)力和位移約為小阻力扣件的2倍.

對橋墩而言，扣件縱向阻力改變時橋墩的位移情況如圖11所示. 隨著扣件縱向阻力增加，墩頂位移有一定程度的降低，當(dāng)扣件縱向阻力為15 kN/組時墩頂位移約為小阻力扣件的90%. 雖然增大扣件縱向阻力可以降低橋墩的反應(yīng)對橋梁抗震有利，但同時也會顯著增加鋼軌的應(yīng)力和位移. 扣件縱向阻力過大，可能導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)先于橋墩結(jié)構(gòu)破壞，若此時列車在橋上運行，可能會有列車脫軌從橋上掉落的風(fēng)險，因此，通過增大扣件阻力來改善橋梁的抗震性能并不是一個合理的辦法.

5? ?結(jié)? ?論

本文基于通用有限元軟件ANSYS，建立了考慮橋梁和軌道結(jié)構(gòu)之間相互作用的梁-軌模型，分析了不同脈沖類型近斷層地震動對橋梁-軌道系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響及不同扣件阻力對橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律的影響，結(jié)論如下：

1）三類近斷層地震動作用下，鋼軌的受力和變形規(guī)律保持一致，鋼軌應(yīng)力在橋臺附近出現(xiàn)極值，遠(yuǎn)離橋臺應(yīng)力逐漸減小，鋼軌位移在橋跨中間區(qū)域位移較大，越靠近路基段越小逐漸趨近于0. 相比于無脈沖型地震動，脈沖型地震動作用下鋼軌的應(yīng)力和位移峰值增大了約20%.

2）脈沖型近斷層地震動明顯增加了橋墩的內(nèi)力和位移，對橋墩的延性提出了更高的要求. 滑沖脈沖地震動作用下主梁與橋墩的響應(yīng)大于破裂前方脈沖地震動大于無脈沖地震動，說明主梁與橋墩比軌道結(jié)構(gòu)更容易受到脈沖類型的影響. 因此在進行近斷層區(qū)域的高鐵橋梁抗震設(shè)計時應(yīng)采用不同脈沖類型的近斷層地震驗算.

3）當(dāng)扣件縱向阻力從5 kN/組增大到15 kN/組時橋墩的最大位移降低了約10%，對高鐵橋梁抗震有利，但鋼軌的應(yīng)力和位移峰值約為原來的2倍. 扣件縱向阻力的增加顯著放大了軌道結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，可能會對軌道結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，不利于震后修復(fù). 因此，在近斷層區(qū)域橋梁設(shè)計中，不宜選用過大阻力的鋼軌扣件.

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