地震作用下高速鐵路橋上軌道水平變形分析

闞正明，李雪紅，徐秀麗，林 珊，王 蕊

(南京工業大學 土木工程學院，江蘇 南京 211816)

地震作用下高速鐵路橋上軌道水平變形分析

闞正明，李雪紅，徐秀麗，林 珊，王 蕊

(南京工業大學 土木工程學院，江蘇 南京 211816)

橫向地震作用下，考慮主梁和扣件的三維剛度，基于時程分析方法，研究了橋墩剛度、扣件橫向剛度對梁縫處軌道折角的影響，并結合相關規范對軌道變形的安全性進行了評價。結果表明:橋墩的線剛度對梁縫處軌道局部水平折角影響較大，線剛度越小，其上部軌道折角越大，相鄰橋墩線剛度不同時，折角會增大;改變扣件橫向剛度對水平折角影響較小;對所分析的模型工況，軌道整體水平轉角和折轉角滿足列車行車安全性的要求。但當墩柱高度不同時，梁體錯動位移量不滿足要求，在設計時應采取控制措施。

軌道折角 鐵路橋梁 行車安全性 地震響應

CRSTⅠ型無砟軌道橋上底座在梁縫處斷開，在橫向地震作用下，梁縫處局部范圍必然會產生折角，輪軌力可能會超出設計時的計算值，使列車處在危險狀態。對于軌道折角，日本做了比較多的研究，既規定正常行駛下折角限值，也對地震作用下折角限值做了規定。日本《鐵道構造物等設計標準·同解說(耐震設計)》對地震作用下橋上車輛的運行安全標準作出了規定，其中之一即為限定地震時橋梁墩臺間相對位移量和橋上線路折角。國內對軌道折角研究較少，《鐵路工程抗震設計規范》未提到軌道折角，《新建300—350公里客運專線鐵路暫行規定》中只對正常行駛下橋面處梁端水平折角做了規定。王其昌等［1］借助翟婉明教授所確立的車輛—軌道耦合動力學理論與方法，給出了高速鐵路路橋過渡段軌道折角的容許限值;趙坪銳等［2］建議采用搭板時，不均勻沉降引起的軌道折角應更小;王冠通［3］利用ANSYS軟件建立橋上板式無砟軌道三維實體有限元模型，得出地震作用下梁體橫斷面軌道垂向變形明顯;王貴春［4］以軌道折角不平順作為激振源，進行了軌道折角對車輛走行性影響的試驗研究。

由于地形變化的影響，高速鐵路由橋向路過渡過程中，墩高會發生漸變;在高烈度區，路基與橋墩剛度差異、漸變橋墩間剛度差異勢必會對梁縫處軌道有較大影響。本文在既有研究的基礎上，基于Abaqus有限元分析軟件，以高速鐵路常用的多跨32 m簡支梁橋為工程背景，建立高速鐵路三維多層次單元全橋模型［5］，通過改變墩高、扣件橫向剛度等參數，分析軌道的變形特性，以期為高鐵橋梁的抗震設計、列車安全運行提供參考。

1 計算模型及分析工況

1.1 計算模型

以某高速鐵路多跨簡支梁橋為工程背景，選取該橋路橋過渡段5跨簡支梁為計算橋跨且只考慮一側有橋臺(參見圖2)。橋上CRTSⅠ型板式無砟軌道由鋼軌、彈性扣件、軌道板、砂漿調整層、底座板等部分組成。鋼軌作為主要研究對象，采用實體單元，梁縫處鋼軌網格細化。扣件采用WJ-7B型，以彈簧阻尼單元模擬，扣件橫向和垂向剛度參照文獻［6］取值，縱向剛度參照《鐵路無縫線路設計規范》(TB 10015—2012)取值，扣件作用點為鋼軌網格點，按照軌道實況每隔0.625 m設置一對扣件，梁縫處扣件間距0.6 m，每個支點設置3個彈簧單元。軌道板、砂漿調整層、底座等間距等尺寸布置，均采用可變形體來模擬，賦予材料彈性模量、阻尼以及密度等，結構之間采用面—面約束。考慮主梁的空間剛度，用殼單元模擬，主梁之間梁縫間距為10 cm，支座用連接單元模擬，轉動不作約束。墩以梁單元模擬。由于梁軌相互作用引起路堤上鋼軌產生變形的范圍較大，因此在實際分析中，本模型以橋臺以外100 m為鋼軌鎖定點。有限元全橋模型如圖1所示。

為方便建模，殼單元設定實常數厚度。對于主梁橫截面有厚度變化的懸臂部分，采用等效剛度法處理，即通過等剛度原則，求出等效慣性矩，從而得到等效厚度。

1.2 分析工況

圖1 有限元全橋模型

本文主要研究橋墩剛度和扣件橫向剛度這兩個參數對軌道變形的影響。其中橋墩剛度的變化通過改變墩高和截面尺寸來實現，共考慮4種模型工況。限于篇幅，圖2只繪出了模型一工況的示意圖，由路基向橋梁方向，橋臺處編號為0#，墩的編號依次是1#，2#，3#，4#，5#。其余模型工況的墩高及線剛度見表1。

圖2 模型一工況(單位:cm)

表1 各模型工況墩高及線剛度

橫向輸入的3條人工波是由8度(0.30g)一區Ⅱ類場地對應原反應譜擬合而成，時長20 s，計算結果取大值。

2 橋墩剛度變化對梁縫處局部軌道水平折角的影響

為分析橋墩剛度變化對軌道局部折角的影響，此處固定扣件橫向剛度不變，為45 MN/m，墩高變化分別取模型一到模型四4種工況。軌道局部水平折角θ (弧度制)的計算根據地震作用下軌道梁縫相鄰兩扣件處軌面相對位移Δl(以下簡稱軌面相對位移)和兩扣件間距600 mm的三角函數關系近似得出。

2.1 軌面相對位移和梁體錯動位移

經對各模型進行動力時程分析可以看出，在橫向地震作用下，主梁梁縫處會發生較明顯錯動，梁縫處局部范圍內軌道亦有明顯的變形，這主要是由于下部結構的側向變形及支座的轉動導致的。本文主要分析軌道水平方向的變形。圖3為模型一、二、三工況內外軌軌面相對位移。表2列出了各模型軌面相對位移和主梁之間錯動位移的(以下簡稱梁體錯動位移)關系。

圖3 模型一、二、三工況內外軌軌面水平相對位移

表2 軌面相對位移和梁體錯動位移的關系mm

圖3表明，內外軌梁縫處軌面水平相對位移非常接近，其中最大相差0.9 mm，即地震作用下，不同位置軌道水平折角受梁體空間剛度影響較小，在計算軌道水平折角時，可不考慮軌道位置的影響，只驗算其中一根軌道即可。

由表2可看出:①橋梁梁縫位置處，梁體錯動越大，軌面相對位移越大，二者的變化趨勢一致，軌面變形依附梁體的錯動;②以梁縫處扣件間距0.6 m作為分析范圍，軌面水平相對位移是梁體水平錯動位移的50% ～55%;③不同的模型工況由于墩高變化不同，剛度不同，其軌面相對位移和梁體錯動位移不同，說明橋墩剛度變化對梁體的錯動和軌道變形影響較大。

2.2 軌道局部水平折角分析

根據上述軌面相對位移計算各模型工況梁縫處的水平折角，表3列出了各模型工況橋墩線剛度及對應的梁縫處局部水平折角。表中角度以弧度計。

表3 各模型工況橋墩線剛度及對應的梁縫處局部水平折角

由表3可看出，軌道折角的變化受橋墩線剛度影響較大:

1)當同一座橋梁各墩高相同、線剛度接近，并且橋墩的橫向剛度較大時(如模型一的1#墩～4#墩)，主梁梁縫處的水平折角總體上均較小，相對較大的水平折角出現在橋臺處。

2)當同一座橋不同墩柱的線剛度變化時，隨著墩柱線剛度的減小，水平折角逐漸增大。如模型二1#墩～2#墩，線剛度由 2.2×108kN/m減小到 1.3×108kN/m，水平折角由27.3‰增加到30.8‰;模型三1#墩～3#墩，線剛度由2.2×108kN/m減小到0.91×108kN/m，水平折角由27.3‰增加到49.4‰;模型四1#墩～3#墩，線剛度由2.2×108kN/m減小到0.91×108kN/m，水平折角由25.0‰增加到52.8‰。

3)當不同橋梁相鄰墩柱線剛度變化規律一致時，水平折角相近，如模型二至模型四的1#墩，與其相鄰的2#墩的線剛度均為1.3×108kN/m，其水平折角在25.0‰～27.3‰之間;而與相鄰墩柱線剛度相同的情況比則折角較大，如模型一的1#墩，其鄰墩2#墩的線剛度與之相同，則其水平折角只有14.1‰。

4)不同橋梁，當相鄰墩等剛度時，線剛度越小，水平折角越大，如模型一至模型三的4#墩，其相鄰的3#和5#兩墩墩高與其一致，線剛度相同，當線剛度依次為2.2×108，1.3×108，0.91×108kN/m逐漸減小時，水平折角則逐漸增大，依次為8.5‰，26.8‰，38.6‰。

3 扣件橫向剛度對梁縫處局部軌道水平折角的影響

扣件對軌道有橫向約束作用，為了對比不同橫向剛度對軌道折角的影響，計算模型的扣件橫向剛度選取45，60，80 MN/m。圖4為模型一、二、三工況在不同扣件橫向剛度時的水平折角。

由圖4可知:增加扣件橫向剛度基本上不會改善軌道在梁縫處的軌面折角，反而可能會使折角有增大趨勢，因此設計時不應采取增大扣件剛度來減小軌道折角的方案。

圖4 模型一、二、三工況在不同扣件橫向剛度時水平折角

4 軌道水平變形的安全性評價

我國《城市軌道交通結構抗震設計規范》［7］中對E1地震下軌道變形的行車安全限值作了規定，即當列車速度為300 km/h時梁端平行轉角、折轉角及錯位限值分別為5.5‰，3.0‰及9 m。各模型的相應計算值如表4所示。

可見計算出的最大平行轉角和折轉角分別為1.50‰和1.65‰，均滿足限值要求。而錯位除模型一各墩處錯位滿足要求外，其余均不滿足要求。說明當橋梁的墩柱高度發生變化會導致軌道的局部變形較大。

表4 各模型工況軌道平行轉角、折轉角及錯位

5 結論

1)線路內外軌對梁縫處局部水平折角影響很小，在分析時可以只分析其中一根軌道即可。

2)橋墩線剛度變化對梁體的錯動和軌道變形影響較大，并且梁體錯動越大，軌道相對位移越大，即軌面變形依附梁體的錯動;梁縫處兩扣件之間軌道的相對位移與梁體的錯動位移有一定的對應關系，對于本文的分析范圍，軌面水平相對位移是梁體水平錯動位移的50%～55%。

3)軌道水平折角的變化受橋墩線剛度影響較大。墩高相同、線剛度接近、并且橋墩的橫向剛度較大時，主梁梁縫處的水平折角總體上均較小，相對較大的水平折角出現在橋臺處;而當墩柱的線剛度有差異時，隨著墩柱線剛度的減小，水平折角逐漸增大;相鄰墩柱線剛度不同時則折角增大。

4)增加扣件橫向剛度基本上不會改善軌道在梁縫處的軌面水平折角，反而可能使折角趨于增大，因此設計時不應采取增大扣件剛度來減小軌道折角的方案。

5)對所分析的模型工況，當列車時速為300 km/h時，梁端平行轉角和折轉角均滿足限值要求，但錯位除模型一滿足要求外，其余均不滿足要求。因此在設計時應盡量避免墩柱線剛度出現較大差異，當不可避免時建議采取措施控制梁體的錯位值。

［1］王其昌，蔡成標，羅強，等．高速鐵路路橋過渡段軌道折角限值的分析［J］．鐵道學報，1998(3):110-114．

［2］趙坪銳，郭利康，魏周春．無碴軌道路橋過渡段剛度及變形分析［J］．路基工程，2009(4):18-20．

［3］王冠通．地震作用下橋上無砟軌道的力學特性［D］．北京:北京交通大學，2011．

［4］王貴春．橋上軌道折角引起的車橋系統振動分析［J］．鐵道建筑，2013(10):5-7．

［5］周援衡，王永和，卿啟湘．高速鐵路板式軌道計算模型的建立［J］．湖南大學學報(自然科學版)，2011(5):40-47．

［6］邱金帥，蔡小培，安彥坤．扣件間距對無砟軌道動態軌距的影響［J］．鐵道建筑，2011(8):106-108．

［7］中華人民共和國住房和城鄉建設部．GB 50909—2014 城市軌道交通結構抗震設計規范［S］．北京:中國計劃出版社，2014．

(責任審編 孟慶伶)

U442.5+5

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．32

2015-04-12;

:2015-06-10

江蘇省“六大人才高峰”資助項目(第11批次)

闞正明(1990— )，男，江蘇儀征人，碩士研究生。

1003-1995(2015)08-0112-04