五嘉隴特大橋行車振動(dòng)對(duì)跨區(qū)高速公路路基的影響分析

尤慶忠，張遠(yuǎn)榮

(1.廈深鐵路廣東有限公司，深圳 518031;2.中國鐵道科學(xué)研究院 深圳研究設(shè)計(jì)院，深圳 518034)

廈深鐵路五嘉隴特大橋在汕揭高速K24+150.36附近跨越在建汕揭高速公路，鐵路與公路斜交，鐵路在跨越高速公路處采用(52+88+52)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，矩形橋墩，群樁基礎(chǔ)。

橋址處于Ⅷ度地震區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.20 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。跨越高速公路處地基表層為約4 m厚粉質(zhì)黏土，下為約10 m厚淤泥質(zhì)細(xì)砂和厚度超過20 m的黏土。五嘉隴特大橋跨越的汕揭高速公路路基下臥層有可液化的細(xì)砂，設(shè)計(jì)處理方式為擠密砂樁與CFG樁，公路部門認(rèn)為高速鐵路行車振動(dòng)可能引起路基基底產(chǎn)生液化問題。本文擬用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)橋梁行車振動(dòng)對(duì)地基土的響應(yīng)進(jìn)行分析。

1 橋梁行車振動(dòng)分析

考慮列車—線路—結(jié)構(gòu)間的共同作用，分別建立列車、橋梁的空間振動(dòng)分析模型，采用計(jì)算機(jī)模擬分析方法，對(duì)廈深線五嘉隴雙線特大橋進(jìn)行車線橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析。

1.1 車橋動(dòng)力分析模型

1.1.1 橋梁模型

應(yīng)用MSC.PATRAN按實(shí)際尺寸建立橋梁的三維有限元模型。混凝土主梁、橋墩均采用梁?jiǎn)卧樟洪g支座采用主從約束方程處理。該模型總共254個(gè)節(jié)點(diǎn)，232個(gè)單元。模型如圖1所示。

1.1.2 列車模型

列車模型是由多節(jié)機(jī)車和車輛組成的，每節(jié)車輛(機(jī)車)都是由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、彈簧和阻尼器組成的多自由度空間振動(dòng)系統(tǒng)。在分析過程中，對(duì)車輛模型做如下假定:

圖1 整橋有限元軸視模型

1)不考慮車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)的彈性變形，即將車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)均視為剛體;

2)輪對(duì)和車體沿線路方向做等速運(yùn)動(dòng)，不考慮縱向動(dòng)力作用的影響;

3)機(jī)車和車輛均為兩系懸掛系統(tǒng)，車輛系統(tǒng)的阻尼均簡(jiǎn)化為黏滯阻尼器;

4)車體關(guān)于質(zhì)心左右對(duì)稱和前后對(duì)稱;5)車輪與鋼軌允許脫離，即車輪可以懸空。

1.2 車橋空間耦合振動(dòng)分析模型

運(yùn)用車輛動(dòng)力學(xué)與橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究方法，將車輛與橋梁看作一個(gè)聯(lián)合動(dòng)力體系，以輪軌接觸處為界面，分別建立橋梁與車輛運(yùn)動(dòng)方程，兩者之間通過輪軌的幾何相容條件和相互作用力平衡條件來聯(lián)系。通過分別求解車輛、橋梁的運(yùn)動(dòng)方程，用迭代過程來滿足輪軌幾何相容條件和相互作用力平衡條件。

車輛輪對(duì)在豎直方向的力為輪對(duì)軸重加上輪對(duì)慣性力，以及通過與輪對(duì)連接的豎向彈簧和阻尼器傳遞的彈簧力和阻尼力，輪軌間采用赫茲接觸理論;而在橫向和縱向，則由于輪對(duì)在鋼軌上存在著蠕滑，輪軌作用力與蠕滑力有關(guān)，ADAMS/Rail的蠕滑力計(jì)算以Kalker接觸蠕滑理論為基礎(chǔ)。

1.3 軌道不平順

本次檢算針對(duì)列車類型采用了三種軌道不平順樣本，分別為美國五級(jí)譜、美國六級(jí)譜和德國低干擾譜。其中美國五級(jí)譜允許客車速度達(dá)到144 km/h，美國六級(jí)譜適應(yīng)的客車速度達(dá)到176 km/h，德國低干擾譜轉(zhuǎn)換的時(shí)域不平順樣本作為高速列車(動(dòng)車組)線路的激勵(lì)。

1.4 計(jì)算工況

計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況

1.5 自振頻率

橋梁第一階橫向自振頻率1.143 Hz(對(duì)稱橫彎)，第一階豎向自振頻率是1.611 Hz(對(duì)稱豎彎)。

1.6 車橋振動(dòng)響應(yīng)分析結(jié)果

1)橋梁振動(dòng)加速度響應(yīng)

53號(hào)墩承臺(tái)底最大橫向加速度0.090 m/s2;最大縱向加速度0.046 m/s2;最大豎向加速度0.116 m/s2。

54號(hào)墩承臺(tái)底最大橫向加速度0.084 m/s2;最大縱向加速度0.032 m/s2;最大豎向加速度0.103 m/s2。

最大振動(dòng)加速度遠(yuǎn)小于橋址的地震動(dòng)峰值加速度。

2)橋梁動(dòng)位移響應(yīng)

53號(hào)墩承臺(tái)底最大橫向動(dòng)位移0.540 mm;最大縱向動(dòng)位移0.165 mm;最大豎向動(dòng)位移0.087 mm。

54號(hào)墩承臺(tái)底最大橫向動(dòng)位移0.454 mm;最大縱向動(dòng)位移0.162 mm;最大豎向動(dòng)位移0.094 mm。

橋梁振動(dòng)位移是非常微小的。

2 橋梁振動(dòng)對(duì)公路地基的影響

2.1 橋梁橫向水平振動(dòng)對(duì)液化土地基的影響

圖2為由橋梁橫向水平振動(dòng)產(chǎn)生的高速公路地基動(dòng)應(yīng)力分布圖。由圖2可知，最大動(dòng)應(yīng)力發(fā)生在橋梁墩臺(tái)與基地土接觸面上，為3 676 Pa。分布形狀類似橢圓形，最大長度約為17 m，最大寬度約15 m。

2.2 橋梁縱向水平振動(dòng)對(duì)液化土地基的影響

圖3為由橋梁縱向水平振動(dòng)產(chǎn)生的高速公路地基動(dòng)應(yīng)力分布圖。由圖3可知，最大動(dòng)應(yīng)力發(fā)生在橋梁墩臺(tái)與基地土接觸面上，為5 428 Pa，分布形狀類似橢圓形，最大長度約為19 m，最大寬度約17 m。

圖2 橋梁橫向振動(dòng)引起的高速公路地基動(dòng)應(yīng)力(單位:Pa)

圖3 橋梁縱向振動(dòng)引起的高速公路地基動(dòng)應(yīng)力(單位:Pa)

2.3 橋梁豎向振動(dòng)對(duì)液化土地基的影響

計(jì)算得到的地基動(dòng)應(yīng)力如圖4，動(dòng)應(yīng)力最大值為344 Pa，分布范圍豎向最大約為18 m，橫向最大約為16 m。

圖4 承臺(tái)豎向振動(dòng)引起的底部地基動(dòng)應(yīng)力(單位:Pa)

3 橋梁振動(dòng)引起地基液化的可能性分析

液化土地基的液化可能性以及抗震加固措施與設(shè)計(jì)地震動(dòng)荷載(加速度幅值、頻譜、持時(shí))以及在土體中產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力大小有直接關(guān)系。

3.1 從淤泥質(zhì)細(xì)砂的抗液化強(qiáng)度方面考慮

若細(xì)砂所受動(dòng)剪應(yīng)力小于其抗液化強(qiáng)度，則可判定細(xì)砂不會(huì)液化。淤泥質(zhì)細(xì)砂的液化強(qiáng)度需通過振動(dòng)三軸試驗(yàn)確定，目前缺乏這方面的試驗(yàn)資料。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，細(xì)砂的液化強(qiáng)度一般為其靜強(qiáng)度的60% ～70%。根據(jù)地質(zhì)資料，淤泥質(zhì)細(xì)砂層厚約12 m，且上覆2 m厚粉質(zhì)黏土，其抗剪強(qiáng)度約為24～150 kPa，因此其抗液化強(qiáng)度約為15～90 kPa。

由橋梁振動(dòng)引起的高速公路液化土層(淤泥質(zhì)細(xì)砂)動(dòng)應(yīng)力橫向最大值為3.676 kPa、縱向最大值為5.428 kPa、豎向最大值為0.344 kPa，小于加固后其液化強(qiáng)度，因此不會(huì)發(fā)生液化現(xiàn)象。

3.2 從橋梁振動(dòng)荷載與地震動(dòng)荷載的對(duì)比考慮

動(dòng)荷載強(qiáng)度直接影響到飽和細(xì)砂層的孔壓比大小，進(jìn)而影響到液化發(fā)生的可能性。該工點(diǎn)的地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，根據(jù)汕揭高速公路的設(shè)計(jì)情況，對(duì)該處地基的原處理措施為擠密砂樁與CFG樁，加固后的地基在地震作用下能夠防止液化現(xiàn)象的發(fā)生。

以53號(hào)墩為例，列車通過時(shí)，液化土層范圍內(nèi)橋梁墩臺(tái)與基樁的水平加速度范圍為0.013～0.090 m/s2，豎向振動(dòng)加速度范圍為0.043～0.116 m/s2，地基所受振動(dòng)加速度遠(yuǎn)小于該場(chǎng)地的設(shè)計(jì)地震峰值加速度2 m/s2，單列車通過時(shí)橋墩振動(dòng)持時(shí)一般小于20～30 s。地震動(dòng)荷載與橋梁振動(dòng)荷載的頻率特征雖有所差異(圖5、圖6)，但據(jù)前人的工作經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)荷載的頻率并非是影響砂土液化的主要因素。

圖5 典型地震加速度時(shí)程曲線

圖6 橋梁樁基承臺(tái)振動(dòng)典型加速度時(shí)程曲線

4 結(jié)論及建議

1)橋梁動(dòng)力分析表明，53號(hào)、54號(hào)橋墩(跨汕揭高速公路橋墩)橫向、縱向、豎向最大動(dòng)位移分別為0.540 mm，0.165 mm，0.094 mm，橫向、縱向、豎向最大加速度分別為 0.090 m/s2，0.046 m/s2，0.116 m/s2。

2)橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)水平振動(dòng)引起的地基動(dòng)應(yīng)力分布形狀類似橢圓形，橫向最大長度約為17 m，最大寬度約15 m，縱向最大長度為19 m，最大寬度約17 m，振動(dòng)影響范圍有限。

3)由橋梁振動(dòng)引起的高速公路液化土層(淤泥質(zhì)細(xì)砂)動(dòng)應(yīng)力橫向最大值為3.676 kPa，縱向最大值為5.428 kPa，豎向最大值為0.344 kPa，小于加固后的細(xì)砂液化強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生液化現(xiàn)象。

4)由橋梁振動(dòng)引起的地基振動(dòng)加速度，遠(yuǎn)小于場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度(2 m/s2)。因此該高速公路液化土地基在橋梁行車振動(dòng)條件下，地基是不會(huì)液化的。

5)為進(jìn)一步降低橋梁振動(dòng)對(duì)高速公路地基的影響，以及公路填方引起地基土對(duì)橋梁墩臺(tái)側(cè)向擠壓，建議在兩墩臺(tái)靠近公路填方一側(cè)設(shè)置隔離剛性樁。樁徑1.0 m，樁距3.5 m。

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