关于轨道约束对铁路减隔震桥梁地震响应的影响分析

关于轨道约束对铁路减隔震桥梁地震响应的影响分析

高军1，2林晓3

1.清华大学土木工程系北京海淀100083；

2.武广高铁公司湖北武汉430212；

3.中国石油大学（北京）北京昌平100061

摘要：基于铁路桥梁采用减隔震设施的必要性，对轨道约束作用对结构振动特性、地震响应及基于罕遇地震的轨道约束作用影响进行深入分析，为桥梁设计与建设提供参考借鉴。

关键词：轨道约束；铁路减隔震桥梁；桥梁地震响应

桥梁作为当前铁路运输重要基础设施，保证结构抗震安全具有重要的现实意义。为此，在设计工作中，尤其是在抗震设防地区，必须采用合适的减隔震设施。而在此过程中，轨道约束作用会对桥梁自身地震响应带来一定影响。

1结构振动特性受轨道的影响

根据相关学者作出的研究，轨道约束作用的存在，必然会影响到结构自身动力特性与其地震条件下的响应。为了对结构受轨道的影响进行深入分析，先以某支座一次刚度达到无穷大的桥梁为例。该桥梁的道床阻力系数确定为10kN/m，将滑动位移确定为2mm。前五阶振型比对结果如图1所示。从图1中可以看出，在考虑轨道约束作用的条件下，结构自身振动频率表现出明显的增大趋势，而振型则十分相似。

图1前五阶振型比对结果

为对道床阻力系数造成的影响进行分析，使Fu为0-20kN/m，设滑动位移为2mm，且保持不变。从频率计算结果可以看出，伴随道床阻力系数不断增大，自身频率明显变大，早期发生的变化较为明显，之后趋于变缓，同时向保持稳定变化。与高阶频率相比，低阶频率可较短的时间内趋于稳定。轨道约束作用对纵向振动特性会产生很大影响，然而，如果道床阻力系数达到10kN/m，则前五阶振型对应的频率变化都相对较小[1]。

2结构地震响应受轨道的影响

对道床阻力系数进行分级，分成以下六个不同的等级：其一，10kN/m；其二，12kN/m；其三，14kN/m；其四，16kN/m；其五，18kN/m；其六，20kN/m。据此，对结构地震响应受轨道约束作用的影响进行分析。在计算过程中，以ElCentro为地震波主要输入，将加速度峰值确定为0.3g，分析时充分考虑道床及支座具有的弹塑性。

主梁位移受道床阻力系数因素的影响如图2所示。图2中，横轴表示主梁的编号，纵轴表示考虑与不考虑轨道约束作用条件下，主梁纵向发生的最大位移比值。经计算与分析可以看出，1#桥梁中间跨主梁发生的位移增大，而桥台周围跨主梁发生的位移明显减小，最大增幅为不考虑轨道约束作用时的19%，而减小的幅度为41%；2#桥梁局部主梁发生的位移有所减小，局部主梁实际位移明显增大，最大增幅为不考虑轨道约束作用时的33%，减小幅度为不考虑轨道约束作用时的34%。各道床阻力系数条件对相同桥梁不同主梁发生的位移的影响具有类似的规律，同时如果道床阻力达到10kN/m，则系数取值发生的变化不会对支座位移造成太大影响。可见，轨道约束作用会影响到主梁结构地震响应。

图2主梁位移受道床阻力系数因素的影响

除此之外，5#墩位置计算结果存在突变的主要原因为该墩刚度不同，导致结构自身地震响应产生突变。可见，主梁纵向上的结构地震响应会受到轨道约束作用很大影响。因结构自振特性有所不同，影响规律也不尽相同，所以部分主梁会产生很大的位移，而部分主梁不会产生很大的位移[2]。

支座位移受道床阻力系数因素的影响如图3所示。图3中，横轴表示支座编号，纵轴表示考虑与不考虑轨道约束作用条件下，支座位移比值。经计算分析后可以看出，支座位移受轨道约束作用的影响，其规律与主梁类似，部分支座产生的位移有所减小，部分支座产生的位移有所增大。

图3支座位移受道床阻力系数因素的影响

对于减隔震装置，其耗能是对其阻尼效果进行衡量的关键技术指标。为对装置耗能受轨道约束作用的影响进行分析，需对支座自身累积耗能予以计算。其计算公式为：

（1）

式（1）中，F表示装置反力；du表示位移增量；t表示地震的持续时间。

从结果中可以看出，支座耗能受轨道约束作用的影响，其规律和支座位移受到的影响极为相似，从1#桥角度讲，支座耗能受道床阻力系数因素的影响较小，而2#桥这种影响不容忽视，必须给予高度重视。

墩底最大剪力受道床阻力系数因素的影响如图4所示。图4中，横轴表示桥墩编号，纵轴表示考虑和不考虑轨道约束作用，最大剪力比值。从结果中可以看出，最大剪力受轨道约束作用的影响相对较小。

图4墩底最大剪力受道床阻力系数因素的影响

为对各地震波条件下轨道约束作用对地震响应造成的影响，分别对桥梁输入三种地震波，然后进行分析对比，将加速度确定为0.3g，而道床阻力系数确定为10kN/m。从结果中可以看出，尽管不同地震波对应不同计算结果，但具有相同的变化趋势，轨道约束作用的存在，会增加或者是减少地震响应。

如果道床阻力系数相对较小，则梁、轨间会产生很大位移，反之，如果道床阻力系数很大，则梁、轨间位移很小。此外，还发现，当道床阻力系数完全相同时，梁、轨无位移，与桥台相近的一侧产生位移。可见，受到地震力作用后，与桥台相近的桥跨，其位移比中间跨大。

通过以上分析可以看出，轨道约束作用会对桥梁自身动力特性、主梁及支座位移产生明显影响，但不会对桥墩底部剪力产生太大影响。在考虑轨道约束作用的情况下，纵向约束有所增大，自身频率显著提高。然而，主梁和支座结构的地震响应和位置、动力特性等因素有关，相应的影响规律无法实现同一而论，实际情况十分复杂[3]。

3基于罕遇地震的轨道约束作用影响

为对罕遇地震条件下结构响应受轨道约束作用的影响，需要将加速度更改至0.57g，再予以正常的分析计算。结果表明，在罕遇地震条件下，主梁位移受轨道约束作用的影响，其规律与设计地震条件基本相同。根据计算结果能看出，在罕遇地震条件下，桥墩底部最大剪力受轨道约束的影响相对较小，在设计过程中，为简化流程可不予考虑。从总体角度讲，轨道约束作用对铁路减隔震桥梁产生的影响，其规律对地震强度并不敏感。

4结束语

综上所述，以上述分析计算结果为依据，在综合考虑地震波具有的随机性，道床具有的摩阻力及其离散性，边界条件与减隔震支座基本原理的基础上，在桥梁的抗震设计工作中，必须考虑轨道约束作用可能造成的不利影响，从而保证减隔震支座发挥应有的作用效果。

参考文献：

[1]高建强，张永亮，陈兴冲，刘尊稳.无砟轨道系统对铁路减隔震桥梁地震响应的影响[J].世界地震工程，2017，33（01）：202-208.

[2]肖质江，王斌.铁路减隔震桥梁轨道地震反应分析[J].山西建筑，2013，39（24）：186-188.

[3]谢旭，王炎，陈列.轨道约束对铁路减隔震桥梁地震响应的影响[J].铁道学报，2012，34（06）：75-82.