肖質江 王 斌

(1.金華市交通規(guī)劃設計院有限公司，浙江金華 321015;2.浙江八詠公路工程有限公司，浙江金華 321015)

鐵路橋梁與建筑結構和公路橋梁不同，鐵路橋梁有列車行駛的安全性和舒適性的要求，為了滿足這一特別要求，鐵路橋梁必須保證在地震動作用下結構的位移響應較小。由于對地震位移響應的要求，減隔震技術在鐵路橋梁上的應用還不是很多。國內外學者通過對鐵路減隔震橋梁的地震反應研究，驗證了減隔震設計方法在鐵路橋梁抗震設計中的應用［1-3］，但是對軌道的地震反應研究還很不充分。本文以我國高速鐵路客運專線上一座采用E型鋼阻尼支座的32 m簡支梁橋為對象，建立了橋梁結構的非線性計算模型，并進行地震反應分析，研究軌道約束對鐵路減隔震橋梁地震反應的影響以及地震作用下鋼軌的橫向彎曲與殘余變形，為鐵路減震橋梁的抗震設計提供參考。

1 橋梁及計算模型

本文選取如圖1所示的高速鐵路減震橋梁為工程背景進行研究，上部結構為預應力混凝土簡支箱梁。橋梁孔徑布置為9×32 m，墩高10.5 m～42 m，采用E型鋼阻尼構件組合作為減隔震支座。為分析軌道的約束效應及地震反應規(guī)律，采用MIDAS Civil建立了如圖2所示的軌道—橋梁—減隔震支座的非線性計算模型，減隔震支座和軌道扣件采用雙直線彈簧單元，鋼軌采用雙直線非線性梁單元模擬、主梁和橋墩用線彈性梁單元，全橋離散為1 532個梁單元和2 321個彈簧單元。

根據(jù)橋梁的實際設計參數(shù)采用如圖3所示的雙直線彈簧單元來模擬E型鋼阻尼元件的力學性能，圖3中Fy為屈服力，F(xiàn)d為設計力，Dy為屈服位移，Dd為設計位移。本文所選取分析的支座屈服力為800 kN，屈服位移和設計位移分別為10 mm和100 mm。

在線橋一體化計算模型中，鋼軌和箱梁之間的連接扣件采用彈簧單元來模擬，扣件彈簧的力學特性由道床阻力決定。道床阻力包括軌枕與道床間的摩擦阻力和軌枕盒內道砟抗推力。道床阻力與軌枕類型及道砟密實程度、材質、顆粒級配、道床斷面形狀等有關。對于無砟軌道來說，道床縱向阻力取扣件縱向阻力;有砟軌道除采用小阻力扣件地段外線路縱向阻力取道床縱向阻力，鋪設小阻力扣件地段的道床縱向阻力取扣件縱向阻力，線路縱向阻力具有結構相關性及離散性［4］。根據(jù)國內外相關資料，道床縱向阻力—位移關系可采用如圖4所示的理想彈塑計算模型，圖4中Fμ為道床阻力系數(shù)，當軌道與道床的相對位移超過2 mm左右時阻力不再增加。本文參考文獻［5］的研究成果，道床阻力系數(shù)取為20 kN/m。

2 輸入地震波

本文非線性動力時程分析選用具有代表性的兩條歷史地震波作為地震動輸入，分別為 El Centro波和臺灣集集地震波(TCU052)。為了便于對比分析，將兩條地震波的加速度峰值均調整至0.3g，相當于設計地震烈度為8度。圖5為兩條地震波的加速度時程曲線，圖6為峰值加速度調整為0.3g時的加速度反應譜曲線。

3 計算結果

3.1 軌道約束對墩底剪力的影響

本文分別以順橋向和橫橋向的結構地震響應為對象進行分析。圖7給出了兩條地震波作用下橋梁墩底剪力的地震響應。圖7中水平軸為橋墩號，豎軸為未考慮軌道影響的墩底最大剪力與考慮軌道影響的結果之比。從計算結果可以看出，軌道約束對橫橋向的墩底最大剪力影響較小，對順橋向的墩底剪力影響較大，且對邊跨的橋墩影響程度大于中跨橋墩。分析原因主要是因為鋼軌與梁體的縱向連接剛度遠遠大于橫向連接剛度。

3.2 軌道約束對支座變形的影響

圖8給出了兩條地震波作用下支座變形的地震響應。圖8中水平軸為支座編號，豎軸為未考慮軌道影響的支座最大位移與考慮軌道影響的結果之比。從計算結果可以看出，軌道約束對支座橫橋向變形的影響較小，對順橋向變形的影響較大，且對邊跨的橋墩影響程度大于中跨橋墩。同時可以看出，受橋墩高度的影響，軌道對不同橋墩處的支座位移影響規(guī)律略有差異。

3.3 震后軌道變形計算結果

考慮到震后軌道橫向變形主要由軌道塑性變形及梁軌間的扣件殘余變形引起，本文分別分析了扣件單元的力—位移和鋼軌單元的彎矩—曲率的履歷曲線。圖9給出了地震作用下8號，9號支座間鋼軌的M—Ψ曲線和扣件的F—Δ曲線。從圖9中可以看出鋼軌扣件產生了較大的位移并且進入了塑性工作狀態(tài)，而鋼軌單元則處于彈性工作狀態(tài)。近場地震及遠場地震對結構地震效應的影響相同。由此可見，震后鋼軌的變形主要取決于扣件的力學特性。

4 結語

本文以高速鐵路客運專線上采用E型鋼阻尼構件組合作為減震支座的簡支梁橋為對象，探討了軌道約束對橋梁地震響應的影響，通過多條地震波輸入時的計算結果分析，得到以下幾點結論:

1)軌道約束對鐵路減震橋梁橫橋向地震響應的影響較小，對順橋向地震響應的影響較大，對支座位移的影響要遠遠大于對墩底剪力的影響，距離橋臺越近，影響程度越明顯;2)地震后，鋼軌扣件產生了較大的位移并且進入了塑性工作狀態(tài)，而鋼軌則處于彈性工作狀態(tài)。震后鋼軌的變形主要取決于扣件的殘余變形，軌道變形在梁端最大，跨中幾乎無變形，中跨橋墩處軌道變形大于邊跨橋墩處軌道變形;3)不同地震波對橋梁結構的地震響應影響規(guī)律是不同的，結構的地震響應主要和自身自振特性以及地震波的加速度反應譜的卓越周期有關，在設計時，盡量使得結構自振周期避開地震波的卓越周期。

［1］張 駿，湯勁松.鐵路簡支梁橋支座的減震性能研究［J］.石家莊鐵道學院學報，2002(1):64-69.

［2］張 駿，閻貴平.減隔震支座對梁式橋抗震性能的影響［J］.中國公路學報，2002(1):41-46.

［3］趙 偉，薛素鐸，李雄彥，等.摩擦擺支座的滑道半徑對結構隔震性能影響分析［Z］.2007.

［4］中華人民共和國鐵道部.鐵路無縫線路設計規(guī)范報批終稿［S］.

［5］謝 旭，王 炎，陳 列.軌道約束對鐵路減隔震橋梁地震響應的影響［J］.鐵道學報，2012(6):75-82.