馮玉林,高 鴿,蔣麗忠,韓建平,張?jiān)铺?/p>

(1.華東交通大學(xué),南昌 330013； 2.軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測(cè)與保障國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330013； 3.中南大學(xué),長(zhǎng)沙 410075； 4.蘭州理工大學(xué),蘭州 730050)

引言

2021年3月，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步做好鐵路規(guī)劃建設(shè)工作意見(jiàn)》[1]，其中指出中國(guó)高速鐵路目前的運(yùn)營(yíng)情況，多條高鐵處于未達(dá)速運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。例如，設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km的高鐵，目前僅京張高鐵、京滬高鐵、京津城際、成渝高鐵4條高鐵達(dá)速運(yùn)營(yíng)。另有20余條高鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)速為300 km，而其設(shè)計(jì)時(shí)速均為350 km。設(shè)計(jì)時(shí)速為250 km的高鐵，目前也有多條運(yùn)行速度僅為200 km/h，未達(dá)速運(yùn)營(yíng)。

復(fù)雜環(huán)境下高速鐵路線路軌道不平順狀態(tài)是高鐵時(shí)速難以達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)速的重要因素。我國(guó)所處地震帶有地震范圍廣、頻率高、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，諸多現(xiàn)實(shí)因素使得我國(guó)高速鐵路網(wǎng)建設(shè)在時(shí)間和空間上都無(wú)法完全避開(kāi)地震區(qū)域，目前我國(guó)已建成的高速鐵路網(wǎng)有“四縱四橫”，而其中有“三縱兩橫”處于地震區(qū)，如京滬高速鐵路線路穿越4條地震帶。對(duì)歷史上發(fā)生的地震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明，可危及高速鐵路的地震約20余次，僅20世紀(jì)以來(lái)危險(xiǎn)性地震高達(dá)7次，未來(lái)建設(shè)相當(dāng)比例的橋梁將直接跨越高烈度地震區(qū)。我國(guó)高速鐵路橋梁占線比超過(guò)了50%，列車(chē)大部分時(shí)間都是在橋上運(yùn)行，高速鐵路橋上運(yùn)行安全面臨顯著地震威脅。

高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)在地震作用下將會(huì)產(chǎn)生殘余位移和剛度退化等問(wèn)題，該類(lèi)問(wèn)題的出現(xiàn)是不可避免的，且該效應(yīng)會(huì)繼續(xù)通過(guò)軌道-橋梁層間作用映射至軌面，進(jìn)而導(dǎo)致軌道發(fā)生幾何形位和剛度狀態(tài)的改變，使軌面平順狀態(tài)劣化，甚至?xí)斐闪熊?chē)脫軌現(xiàn)象(圖1)。因此，對(duì)地震作用下高速鐵路橋上軌道平順性進(jìn)行研究對(duì)維護(hù)列車(chē)安全、穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)問(wèn)題尤為關(guān)鍵。軌道不平順譜既可表征與評(píng)價(jià)某類(lèi)高鐵線路的宏觀幾何狀態(tài)，又可為軌道的養(yǎng)護(hù)維修工作提出指導(dǎo)性建議，同時(shí)也是對(duì)車(chē)輛、軌道、橋梁等動(dòng)力性能分析與評(píng)估中需要輸入的重要激勵(lì)之一[2]。

圖1 地震下軌道-橋梁系統(tǒng)各構(gòu)件損傷與軌面變形的映射關(guān)系

鑒于此，提出考慮地震損傷的高速鐵路橋上軌道不平順譜的相關(guān)計(jì)算方法，總結(jié)計(jì)算方法中各部分的研究進(jìn)展，并指出目前關(guān)于考慮地震損傷的高速鐵路橋上軌道不平順譜相關(guān)研究方面的不足與發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)綜合管理線路運(yùn)營(yíng)安全的靜、動(dòng)態(tài)性能，科學(xué)評(píng)價(jià)、管理震后無(wú)砟軌道的平順狀態(tài)，正確評(píng)估震后列車(chē)的走行安全性均具有重要意義。

1 考慮地震損傷的橋上軌道譜計(jì)算方法

考慮地震損傷的高速鐵路橋上軌道不平順譜計(jì)算方法的具體計(jì)算流程如下。

(1)提出一種多層等效結(jié)構(gòu)模型模擬高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)邊界，并分析后繼結(jié)構(gòu)路基長(zhǎng)度、橋梁跨數(shù)對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，進(jìn)而確定出合理引橋跨數(shù)與路基長(zhǎng)度，最終建立考慮結(jié)構(gòu)與地震動(dòng)隨機(jī)性以及引橋與路基影響的高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)線橋一體化模型。

(2)開(kāi)展高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)的抗震性能試驗(yàn)，揭示低周往復(fù)荷載下各關(guān)鍵構(gòu)件的耗能機(jī)制與破壞機(jī)理，并提出相應(yīng)的荷載-位移滯回模型，開(kāi)展高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)線橋一體化模型地震損傷機(jī)理分析，探明高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)在地震作用下易損構(gòu)件的典型損傷變形模式。

(3)提出地震作用下考慮層間聯(lián)結(jié)失效影響的高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)易損構(gòu)件的典型損傷變形模式與軌面變形動(dòng)態(tài)映射演化計(jì)算方法，并基于映射演化關(guān)系進(jìn)一步提出考慮地震損傷的軌道不平順樣本。

(4)揭示地震作用下典型高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)軌面變形演化機(jī)理，建立考慮地震損傷的高速鐵路橋上軌道幾何不平順譜。

基于上述計(jì)算流程，從高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)震致線橋一體化模型、震致?lián)p傷演化機(jī)理、震致?lián)p傷映射機(jī)理及震致軌道不平順譜幾個(gè)方面介紹研究進(jìn)展。

2 高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)震致線橋一體化模型研究

為適應(yīng)高速鐵路對(duì)行車(chē)平順度的高標(biāo)準(zhǔn)需求，高速鐵路多采用“以橋代路”模式。精確的線橋一體化分析模型對(duì)于軌道-橋梁系統(tǒng)的抗震性能分析十分重要。高速鐵路多采用縱連板式無(wú)砟軌道和無(wú)縫鋼軌，致使各橋跨之間具有較好的耦聯(lián)性，必將對(duì)橋梁的地震響應(yīng)產(chǎn)生影響。

張永亮等[3-4]結(jié)合軌道系統(tǒng)的部分特點(diǎn)，基于高速鐵路多跨簡(jiǎn)支梁，采用有限元軟件建立線橋一體化模型，并對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算分析，分析結(jié)果表明，相鄰墩高差相差較大的簡(jiǎn)支梁橋墩地震響應(yīng)受軌道系統(tǒng)影響較大，且隨著后繼簡(jiǎn)支梁跨數(shù)的減少，對(duì)邊墩地震響應(yīng)也愈加明顯。張永亮等[5]在將軌道約束系統(tǒng)即底座板、軌道板及鋼軌等效成一個(gè)或兩個(gè)整體截面的基礎(chǔ)上，分別建立了高速鐵路CRTSⅡ型無(wú)砟軌道線橋一體化簡(jiǎn)化模型，研究了軌道-橋梁系統(tǒng)相鄰后繼結(jié)構(gòu)與軌道約束對(duì)橋跨地震反應(yīng)的影響，結(jié)果表明：連續(xù)梁橋地震響應(yīng)計(jì)算結(jié)果相比傳統(tǒng)模型，線橋一體化模型計(jì)算結(jié)果更大，且相鄰后繼簡(jiǎn)支梁跨數(shù)越多，大跨度連續(xù)梁橋的地震反應(yīng)越明顯。高建強(qiáng)等[6]考慮了高速鐵路大跨度連續(xù)梁橋的相關(guān)特點(diǎn)，分別建立了傳統(tǒng)模型與線橋一體化模型，并對(duì)其進(jìn)行抗震計(jì)算和非線性時(shí)程分析，計(jì)算和分析結(jié)果表明：軌道約束會(huì)使大跨度鐵路減隔震橋梁各墩的地震響應(yīng)放大，尤其是聯(lián)間墩的增幅最為明顯。閆斌等[7]借助于有限元軟件建立了考慮無(wú)砟軌道層間非線性約束的橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道仿真模型，為研究橋上CRTSⅡ板式無(wú)砟軌道地震特性，將其與橋上CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果表明：相對(duì)于橋上CRTSⅠ型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，橋上CRTSⅡ型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗震性能更好，原因是其滑動(dòng)層摩擦系數(shù)很小，產(chǎn)生滯回耗能作用[8]。

謝旭等[9]對(duì)橋臺(tái)后路基段軌道計(jì)算長(zhǎng)度取值對(duì)橋梁地震響應(yīng)產(chǎn)生的影響展開(kāi)研究，研究表明，當(dāng)橋梁兩側(cè)的軌道路基延伸量達(dá)到200 m以上時(shí)，軌道長(zhǎng)度取值對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響較小。MONTENEGRO等[10]對(duì)高架橋兩端軌道的延伸進(jìn)行建模，以保證橋梁結(jié)構(gòu)和路堤之間過(guò)渡區(qū)的正確表示。YAN等[11]在進(jìn)行車(chē)橋耦合振動(dòng)分析時(shí)，為減小邊界條件的影響，路基長(zhǎng)度采用100 m。PETRANGELI等[12]分別對(duì)橋梁與軌道耦合結(jié)構(gòu)和無(wú)軌道結(jié)構(gòu)建立模型，并將兩種模型在不同地震作用下的地震反應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)地震作用下軌道和橋梁結(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理展開(kāi)討論，進(jìn)一步研究橋梁地震反應(yīng)受軌道約束的影響。KIM等[13]以中國(guó)臺(tái)灣某座高速鐵路簡(jiǎn)支梁橋?yàn)楸尘?，建立了多個(gè)橋梁與軌道結(jié)構(gòu)一體化模型，并采用中國(guó)臺(tái)灣高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，檢驗(yàn)了橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性與可靠性，研究了在地震荷載作用下梁軌相互作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力情況及相對(duì)位移產(chǎn)生的影響。

采用彈簧系統(tǒng)等效軌道約束作用經(jīng)常使用在大跨數(shù)橋梁動(dòng)力響應(yīng)分析中，只對(duì)重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，然后將其他非重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)用彈簧系統(tǒng)替代。張俊杰[14]用一系列等效方法將后繼橋梁和路基部分等效成S-P彈簧系統(tǒng)，大大縮減了整體模型復(fù)雜度。ZANARDO[15]在無(wú)限長(zhǎng)橋梁的邊界處設(shè)置了剛度阻尼彈簧阻尼單元進(jìn)行模擬。LI等[16]開(kāi)發(fā)了一種非線性S-P彈簧系統(tǒng)，在模型邊界處的每根鋼軌切割處進(jìn)行布置，以等效軌道系統(tǒng)所提供的縱向支撐。JIANG等[17]推導(dǎo)了高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程和自然邊界條件，得到了系統(tǒng)自振特性的解析計(jì)算方法，進(jìn)而研究高速鐵路軌道-橋梁路基段鋼軌長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響。ZHANG等[18-19]在已有研究基礎(chǔ)上，提出了一種多層等效結(jié)構(gòu)來(lái)模擬高速鐵路邊界，并分析后繼結(jié)構(gòu)跨數(shù)對(duì)地震響應(yīng)造成的影響以及提出了模型中合適的路基段模擬長(zhǎng)度，并據(jù)此對(duì)線橋一體化簡(jiǎn)化模型中的引橋臨界跨數(shù)和路基臨界長(zhǎng)度的選取展開(kāi)了討論。典型彈簧系統(tǒng)等效軌道約束作用的模型示意及線橋一體化簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖2、圖3所示。蔣麗忠等[20]以高速鐵路連續(xù)梁橋、兩端4跨引橋、400 m路基以及CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道組成的整體系統(tǒng)為例，基于有限元方法，對(duì)兩種軌道-橋梁系統(tǒng)建立線橋一體化模型，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖2 典型彈簧系統(tǒng)等效軌道約束作用的橋梁模型

圖3 高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)線橋一體化模型

當(dāng)前研究中線橋一體化模型建模方式基本趨于一致，但對(duì)于后繼結(jié)構(gòu)處理方面，對(duì)現(xiàn)有高速鐵路線橋一體化計(jì)算模型仍存在諸多爭(zhēng)議，要將路基軌道約束系統(tǒng)和后繼橋跨等因素綜合考慮在內(nèi)。

3 高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)震致?lián)p傷演化機(jī)理研究

高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)在地震作用下產(chǎn)生的殘余變形及剛度退化等損傷形式是不可避免的，且其中關(guān)鍵構(gòu)件的損傷效應(yīng)會(huì)繼續(xù)通過(guò)層間相互作用，進(jìn)一步映射到軌面，產(chǎn)生軌道幾何不平順和剛度不平順現(xiàn)象，從而使高速鐵路列車(chē)-軌道-橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能受到嚴(yán)重影響，甚至?xí){行車(chē)安全[21]。然而，關(guān)于軌道-橋梁系統(tǒng)中橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件損傷機(jī)理已有大量研究，而地震作用下軌道各關(guān)鍵構(gòu)件損傷機(jī)理研究尚處于起步階段。

目前，關(guān)于軌道結(jié)構(gòu)層間界面的粘結(jié)性能試驗(yàn)已有大量研究，且獲得了一定成果。Borger公司[22]、劉鈺等[23]及DAI等[24]均開(kāi)展了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)推板試驗(yàn)，研究了軌道結(jié)構(gòu)的界面剪切能力與界面粘結(jié)滑移行為，并得到了相應(yīng)的粘結(jié)承載力。FU等[25]提出了一種可以將應(yīng)變率考慮在內(nèi)的CA砂漿連續(xù)損傷統(tǒng)計(jì)本構(gòu)模型。ZHU等[26]通過(guò)試驗(yàn)與有限元分析，揭示了雙塊式無(wú)砟軌道混凝土界面的損傷本構(gòu)關(guān)系和疲勞性能。LIU等[27]基于掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)，研究了CA砂漿與兩種修復(fù)材料的界面粘結(jié)機(jī)理。也有大量學(xué)者對(duì)扣件阻力相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行研究，ZENG等[28]以WJ-8型扣件為研究對(duì)象，以豎向荷載與扭矩為變量對(duì)扣件縱向阻力-位移展開(kāi)試驗(yàn)研究。YUN等[29]基于試驗(yàn)結(jié)果將縱向和豎向加載進(jìn)行組合，以模擬實(shí)際工況和阻力特性。大量扣件試驗(yàn)表明，扣件縱向位移-阻力關(guān)系具有彈塑性特征，即當(dāng)扣件縱向受力逐漸增大時(shí)，縱向位移也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且增加到一定值時(shí)，縱向力將保持恒定值。因此，扣件的本構(gòu)模型已被驗(yàn)證，可被簡(jiǎn)化為彈塑性恢復(fù)力模型[30]。

層間其他構(gòu)件力學(xué)性能試驗(yàn)也有研究，王繼軍等[31]對(duì)單個(gè)銷(xiāo)釘靜態(tài)、疲勞承載力及足尺模型銷(xiāo)釘承載能力開(kāi)展了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)有銷(xiāo)釘布置方式下受到的應(yīng)力幅值較小且受力較均勻，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。為測(cè)試滑動(dòng)層的摩擦系數(shù)及底座板的推移阻力，趙磊[32]采用液壓千斤頂分級(jí)開(kāi)展了滑動(dòng)層摩擦系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)，根據(jù)力-位移的關(guān)系，進(jìn)而推算出土工布的摩擦系數(shù)取值范圍為0.75～0.9。進(jìn)一步，趙磊[32]對(duì)限位銷(xiāo)釘?shù)南尬荒芰M(jìn)行頂推試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼筋屈服致使限位銷(xiāo)釘施加至一定荷載時(shí)，限位剛度將出現(xiàn)較為顯著的松弛現(xiàn)象，且剛度也會(huì)明顯降低。馮玉林等[33]率先開(kāi)展了高速鐵路CRTSⅡ板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)試件的抗震性能相關(guān)試驗(yàn)研究，如圖4、圖5所示，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作系統(tǒng)的分析評(píng)估，確定了剪切鏈接件直徑與根數(shù)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的承載能力、失效模式、耗能能力、延性特征、強(qiáng)度以及剛度退化規(guī)律等影響的顯著性和影響趨勢(shì)。

圖4 軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖5 軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件抗震性能試驗(yàn)裝置

對(duì)已有研究歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)，對(duì)高速鐵路軌道-系統(tǒng)層間構(gòu)件研究時(shí)，大多選用理想的彈塑性本構(gòu)模型，但該方式能否真實(shí)反映層間關(guān)鍵構(gòu)件的損傷機(jī)理與耗能機(jī)制目前尚且未知；關(guān)于高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)抗震性能研究目前比較片面且存在一定缺陷，將系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)和地震動(dòng)隨機(jī)綜合考慮在內(nèi)的研究尚未深入進(jìn)行。

4 高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)震致?lián)p傷映射機(jī)制研究

目前，大多是溫度、列車(chē)反復(fù)荷載及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不均勻沉降引起的橋梁結(jié)構(gòu)單一變形與鋼軌變形映射關(guān)系研究，而地震作用下軌道-橋梁系統(tǒng)亦會(huì)產(chǎn)生如梁體錯(cuò)臺(tái)、橋墩沉降、支座變形、梁端轉(zhuǎn)角、軌下部件損傷、層間剛度不均勻及聯(lián)結(jié)失效等多種損傷模式，基于軌道-橋梁系統(tǒng)層間變形協(xié)調(diào)作用，這些損傷同樣會(huì)映射至軌面，引起附加軌道不平順，最終影響列車(chē)運(yùn)行安全[34]，如圖6所示(沉降Δ1)。然而，對(duì)于考慮地震作用下軌道剛度不均勻，層間鏈接失效等損傷影響的系統(tǒng)各構(gòu)件損傷與軌道變形不平順研究尚不多見(jiàn)。

圖6 橋梁變形與軌面變形的映射關(guān)系

CHEN等[35]分別推導(dǎo)了單元板無(wú)砟軌道、縱連板無(wú)砟軌道和雙塊式無(wú)砟軌道，3種軌道-橋梁系統(tǒng)橋墩沉降與軌道變形之間映射關(guān)系的解析表達(dá)式，在高速鐵路橋墩沉降安全閾值的確定方面提出了一種方法。進(jìn)一步，CHEN[36]開(kāi)展多墩沉降對(duì)列車(chē)-軌道-橋梁耦合動(dòng)力系統(tǒng)的影響研究，確定了高速鐵路簡(jiǎn)支梁連續(xù)多墩沉降的安全值，得出了橋墩沉降量與車(chē)輛動(dòng)力指標(biāo)變化量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[37]。魏亞輝等[38]基于室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值仿真分析方法，對(duì)梁端轉(zhuǎn)角、梁體錯(cuò)臺(tái)等變形因素對(duì)梁端扣件產(chǎn)生的影響規(guī)律進(jìn)行研究，進(jìn)而得到了對(duì)變形量值與扣件附加力幅值產(chǎn)生影響的主要因素。蔡小培等[39]在高速鐵路單元板和雙塊式無(wú)砟軌道梁-板-實(shí)體空間耦合有限元模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)基礎(chǔ)沉降幅值、形式及范圍與軌道平順性的關(guān)系展開(kāi)分析。

郭宇等[40]通過(guò)建立考慮板底脫空影響的路基沉降與軌面變形映射關(guān)系，對(duì)單元式與縱連式軌道進(jìn)行研究，指出了不同沉降形式引起的兩種軌道軌面變形特征和變化規(guī)律，并將其進(jìn)行對(duì)比分析。何春燕等[41]基于有限元方法，建立了高速鐵路CRTSⅢ型無(wú)砟軌道路橋過(guò)渡段產(chǎn)生的沉降與鋼軌變形之間的映射關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，基于最小二乘多項(xiàng)式擬合原理，進(jìn)一步分析得到該映射關(guān)系的函數(shù)表達(dá)。GOU等[42]根據(jù)軌面變形機(jī)理，分析了軌道板和鋼軌在扣件位置處的變形，進(jìn)而推導(dǎo)了軌面變形的理論公式，并用有限元模型進(jìn)行了驗(yàn)證。馮玉林等[43-45]在考慮引橋與路基的高速鐵路CRTSⅠ、CRTSⅡ型無(wú)砟軌道-橋梁系統(tǒng)層間相互作用的基礎(chǔ)上，基于勢(shì)能駐值原理，推導(dǎo)了橋梁變形與軌面變形的映射關(guān)系微分方程及自然邊界條件，對(duì)于橋梁變形與軌面變形間的映射關(guān)系提出相應(yīng)解析模型。

關(guān)于軌下構(gòu)件變形與軌面變形間映射關(guān)系的研究主要集中于路基沉降、橋梁墩臺(tái)沉降及溫度荷載作用等工況，其能否適用于震致?lián)p傷工況有待進(jìn)一步深入研究；軌道結(jié)構(gòu)層間脫空效應(yīng)選擇單向彈簧進(jìn)行模擬，僅對(duì)接觸和脫空兩個(gè)極限狀態(tài)開(kāi)展研究，難以反映軌道結(jié)構(gòu)層間復(fù)雜偶聯(lián)特性[46]。國(guó)內(nèi)外對(duì)軌下構(gòu)件變形幅值、波長(zhǎng)及形式等軌面映射變形影響因素開(kāi)展了大量參數(shù)分析，但大多研究基于確定性分析，難以反映震致?lián)p傷的隨機(jī)性。

5 高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)震致軌道不平順譜研究

軌道不平順譜是對(duì)軌道平順性進(jìn)行整體評(píng)價(jià)的一種較為有效的方法，可反映軌道不平順?lè)导安ㄩL(zhǎng)量部分相關(guān)信息，表征與評(píng)價(jià)某類(lèi)線路的宏觀幾何狀態(tài)，是對(duì)軌道平順狀態(tài)的合理評(píng)定以及軌道病害判定的重要指標(biāo)，也是重要的輸入激勵(lì)之一。在車(chē)輛、軌道、橋梁等動(dòng)力性能分析與評(píng)估中，對(duì)因軌道不平順引起的車(chē)輛響應(yīng)及對(duì)列車(chē)走行懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)等相關(guān)研究具有重要應(yīng)用價(jià)值[47-49]。

近年來(lái)隨著高速鐵路的快速發(fā)展，各國(guó)學(xué)者對(duì)軌道不平順譜展開(kāi)了更詳細(xì)與精確的研究。羅林等[50]從理論推導(dǎo)分析、仿真模型計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比3個(gè)方面，對(duì)手工靜態(tài)測(cè)量與軌檢車(chē)動(dòng)態(tài)檢測(cè)下軌道不平順樣本的差異及其對(duì)軌道譜的精度影響展開(kāi)研究，研究結(jié)果表明，對(duì)軌檢車(chē)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)得出的結(jié)果能夠真實(shí)反映幅值大小和實(shí)際軌道不平順動(dòng)態(tài)變化特征。CHEN等[51]在我國(guó)干線、秦沈客專(zhuān)的大量軌道不平順實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用Welch法與最大熵法等開(kāi)展了功率譜估計(jì)，依據(jù)軌道譜幅值的分布范圍，將譜線按幅值從大到小的順序依次進(jìn)行分級(jí)，并采用非線性最小二乘方法對(duì)每一等級(jí)譜線進(jìn)行擬合，進(jìn)而獲得相關(guān)理論公式，根據(jù)分類(lèi)分級(jí)的譜線對(duì)線路的平順狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判。LUO等[52]對(duì)軌道不平順譜的估計(jì)方法、車(chē)體加速度響應(yīng)與軌道不平順間的相關(guān)性、軌道譜和TQI指數(shù)間的關(guān)系展開(kāi)研究，并編制軌道不平順的分析程序。XU等[53-55]基于青藏鐵路、秦沈客專(zhuān)、京津城際、朔黃重載鐵路實(shí)測(cè)線路數(shù)據(jù)對(duì)軌道譜進(jìn)行研究并作出估計(jì)，分析了線路軌道譜的特征。陳果等[56]以車(chē)輛-軌道系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真為基礎(chǔ)，將我國(guó)干線、秦沈客專(zhuān)軌道譜與國(guó)外典型軌道譜進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)存在的差異性。鐵科院[57]對(duì)經(jīng)過(guò)提速改造后的既有干線軌道不平順譜特征展開(kāi)了計(jì)算和分析，基本掌握了我國(guó)既有干線軌道提速后的幾何質(zhì)量狀態(tài)，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院以我國(guó)新建的高速鐵路如京津城際、武廣、鄭西、京滬等為背景，對(duì)軌道不平順數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并對(duì)其功率譜進(jìn)行分析，經(jīng)研究得到了高速鐵路軌道不平順?lè)导邦l率特征[58]。DU等[59]基于譜的隨機(jī)振動(dòng)理論，提出了一種用卷積求和法計(jì)算橋梁地震反應(yīng)演化功率譜密度的方法。PFAFFINGER等[60]提出了一種由既有平滑響應(yīng)譜確定功率譜密度函數(shù)的方法。利用極值的概率分布，建立了響應(yīng)譜與功率譜密度函數(shù)的關(guān)系。

若能將高速鐵路線路的地震損傷納入軌道不平順，提出考慮地震損傷的高速鐵路橋上軌道不平順譜，對(duì)綜合管理線路運(yùn)營(yíng)安全的靜、動(dòng)態(tài)性能，科學(xué)評(píng)價(jià)、管理震后無(wú)砟軌道的平順狀態(tài)，正確評(píng)估震后列車(chē)的走行安全性具有重要意義。但目前關(guān)于考慮地震損傷的高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)軌道不平順譜的相關(guān)研究尚不多見(jiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)震致線橋一體化模型、震致?lián)p傷演化機(jī)理、震致?lián)p傷映射機(jī)制、震致軌道不平順譜研究總結(jié)，得出以下結(jié)論。

(1)現(xiàn)有高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)線橋一體化模型中，對(duì)后繼結(jié)構(gòu)的處理尚存諸多爭(zhēng)議，需進(jìn)一步深入研究，綜合考慮后繼橋跨、軌道約束、路基等諸多因素影響。

(2)在已有研究中對(duì)高速鐵路軌道層間關(guān)鍵構(gòu)件的處理方式，多數(shù)學(xué)者采用理想彈塑性本構(gòu)模型展開(kāi)研究，但目前并不能確定該處理方式是否能真實(shí)反映層間關(guān)鍵構(gòu)件的損傷情況和耗能能力；關(guān)于高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)抗震性能的研究目前較片面且存在一定缺陷，將系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)和地震動(dòng)隨機(jī)綜合考慮在內(nèi)的研究尚未深入進(jìn)行。

(3)關(guān)于軌下構(gòu)件變形與軌面變形間映射關(guān)系的研究主要集中于路基沉降、橋梁墩臺(tái)沉降及溫度荷載作用等工況，其是否適用于震致?lián)p傷工況有待進(jìn)一步深入研究；國(guó)內(nèi)外對(duì)軌下構(gòu)件變形幅值、波長(zhǎng)及形式等軌面映射變形影響因素開(kāi)展了大量參數(shù)分析，但大多研究基于確定性分析，難以反映震致?lián)p傷的隨機(jī)性。

(4)基于概率統(tǒng)計(jì)角度，將不同水準(zhǔn)地震作用下的高速鐵路橋上軌道不平順樣本與軌道初始不平順樣本疊加、轉(zhuǎn)換并擬合，所獲得用于分析震后行車(chē)安全的考慮地震損傷的高速鐵路橋上軌道不平順譜尚未提出。

7 展望

(1)深入開(kāi)展高速鐵路軌道層間關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能試驗(yàn)，對(duì)各構(gòu)件的失效模式、承載能力、耗能能力、延性、剛度和強(qiáng)度退化規(guī)律等性能進(jìn)一步研究，針對(duì)各構(gòu)件提出相應(yīng)實(shí)用的滯回本構(gòu)模型。

(2)開(kāi)展高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)在地震及余震下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，研究各關(guān)鍵構(gòu)件受多維地震耦合影響的損傷機(jī)理、破壞模式，揭示地震及余震作用導(dǎo)致的各關(guān)鍵構(gòu)件損傷累積機(jī)理及力學(xué)指標(biāo)演變規(guī)律。提出與地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)變形模式、軌下構(gòu)件服役狀態(tài)、材料特性、線路結(jié)構(gòu)形式等相關(guān)線路映射關(guān)系。

(3)在研究中將結(jié)構(gòu)參數(shù)與地震動(dòng)隨機(jī)性考慮在內(nèi)，對(duì)高速軌道-橋梁系統(tǒng)層間關(guān)鍵構(gòu)件震致?lián)p傷與脫空等引起的軌道附加不平順進(jìn)行大量樣本分析，基于改進(jìn)Blackman-Turkey法、Levenberg-Marquardt算法獲得考慮地震損傷的高速鐵路橋上軌道不平順譜、軌道不平順譜圖及軌道不平順譜擬合公式。

(4)在獲得考慮地震損傷的高速鐵路橋上軌道不平順譜的基礎(chǔ)上，結(jié)合高速鐵路列車(chē)-軌道-橋梁動(dòng)力學(xué)耦合系統(tǒng)程序，進(jìn)一步開(kāi)展基于行車(chē)安全的高速鐵路軌道-橋梁系統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)研究。