横向地震作用下高速铁路CRTSⅢ型无砟轨道-桥梁系统震致轨道不平顺研究.pdf
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1、第 20 卷 第 8 期2023 年 8 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 8August 2023横向地震作用下高速铁路CRTS 型无砟轨道-桥梁系统震致轨道不平顺研究周旺保1,2,彭东航1,蒋丽忠1,2,刘丽丽1,余建1(1.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075;2.高速铁路建造技术国家工程研究中心,湖南 长沙 410075)摘要:为探究高速铁路轨道桥梁系统震后轨道不平顺的产生机理,以桥面铺设CRTS 型无砟轨道结构的高速铁路轨道桥梁系统为对象,考虑钢轨、扣件、轨道板、自密实
2、混凝土层、隔离层土工布、弹性橡胶垫、底座板等轨道结构部件,建立非线性动力仿真模型,分析轨道桥梁系统在不同地震动强度下各关键构件的损伤规律及震致轨道残余位移分布规律,建立映射轨道不平顺计算模型,并将其与震致轨道不平顺有限元计算结果进行对比。研究结果表明:地震将引起显著的轨道不平顺,恶化钢轨的平顺程度,在设计地震和罕遇地震作用下,钢轨在梁缝处有明显折角,行车安全设计时应重点关注梁缝处的钢轨变形。钢轨的应力峰值出现在梁缝处,其应力大于钢轨的容许屈服应力。单元板式轨道结构的扣件极易在梁缝位置损坏,远离梁缝的扣件均处于健康状态。自密实混凝土与底座板不会相对滑动,二者的层间残余位移极小。在设计地震和罕遇地
3、震下,固定支座以及滑动支座均产生显著的残余位移,而桥墩残余位移较小。隔离层以及桥墩的残余位移对于震致轨面几何形态变位的贡献可以忽略不计,震致轨道不平顺主要由扣件以及支座的残余变形引起。关键词:高速铁路桥梁;CRTS 型轨道系统;残余位移;轨道不平顺;损伤规律;映射关系中图分类号:U442.55 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)08-2773-12Study on track irregularity of CRTS ballastless track-bridge system of high-speed railway under
4、 transverse earthquakeZHOU Wangbao1,2,PENG Donghang1,JIANG Lizhong1,2,LIU Lili1,YU Jian1(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.National Engineering Research Center of High-speed Railway Construction Technology,Changsha 410075,China)Abstract:To explore the mec
5、hanism of track irregularities of high-speed railway track-bridge system after earthquake,the CRTS ballastless track-bridge system of high-speed railway was taken as the object.A nonlinear dynamic simulation model was constructed containing rail,fastener,track slab,self-compacting 收稿日期:2022-07-28基金项
6、目:国家自然科学基金资助项目(U1934207,52078487,52178180);湖南省交通科技项目(202011);中南大学创新驱动项目(502501006);湖南创新型省份建设专项经费资助项目(2019RS3009)通信作者:周旺保(1982),男,湖南岳阳人,副教授,博士,从事工程结构抗震研究;E-mail:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221499铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月concrete layer,base slab,geotextile isolation layer,elastic rubber pad and othe
7、r track structural components.The damage law of key components of the track-bridge system and the distribution mode of residual displacement of the track were analyzed under different intensities earthquake.The mapping calculation model of track irregularity was established and compared with the fin
8、ite element calculation results of track irregularity induced by earthquake.The results show that the earthquake causes significant track irregularity and degrades the smoothness of the rail.Under design earthquake and rare earthquake,the rail has obvious bending angle at the bridge gap,and the rail
9、 deformation at the bridge gap should be paid attention to in the design of driving safety.The peak stress of the rail appears at the bridge gap,and its stress is far less than the allowable yield stress of the rail.The fasteners of the discontinuous track structure are easily damaged at the bridge
10、gap,and the fasteners far from the bridge gap are in a healthy state.The self-compacting concrete and the base slab will not slide relatively,and the residual displacement of the isolation layer is very small.In the design earthquake and rare earthquake,the fixed and sliding bearing have significant
11、 residual displacements,while the residual displacement of pier is small.The influence of the residual displacement of the isolation layer and pier on the geometric deformation of the rail induced by the earthquake can be ignored.The track irregularity induced by the earthquake is mainly caused by t
12、he residual deformation of the fasteners and bearings.Key words:high-speed railway bridge;CRTS track system;residual displacement;track irregularity;damage law;mapping relationship 截至2022年,中国运营的高速铁路总里程已达到4.0万km,我国已建成世界上最大的高速铁路网,形成了“四纵四横”的整体布局1。我国的高铁线路多采用“以桥代路”的形式,桥梁在高铁线路中所占的比重较大2。现有的四纵四横高速铁路网中有三纵两横位
13、于高烈度地震区,因此我国高速铁路桥梁面临严重的地震威胁3。列车的高速平稳运行是以线路的平顺性为基础,地震后桥梁和轨道的损伤会降低轨道的平顺性,最终将严重影响震后行车和灾害救援。考虑到震后交通恢复和应急救援的需要,近年来,学者们针对高速铁路轨道桥梁系统的震致损伤均开展了研究47,其主要围绕轨道结构的地震响应规律以及各构件破坏机理的研究,但目前关于研究地震导致轨道不平顺的产生机理的文献尚不多见。地震作用下高速铁路轨道桥梁系统无可避免地会产生残余位移,轨道桥梁系统是一个密不可分的整体,各构件的残余位移会通过系统的层间相互作用映射至轨面,导致轨道几何形位发生改变,劣化轨道平顺状态89。因此明确地震作用
14、下高速铁路轨道桥梁系统的震致轨道不平顺的演化规律具有重要的工程实用价值,它是合理控制震致轨道不平顺的理论前提。本文以高速铁路的5跨简支梁桥为研究对象,建立带CRTS 型板式无砟轨道结构的高速铁路简支梁桥有限元模型,分析在不同地震动强度下各构件的损伤规律及震后残余位移,同时依据几何关系将构件的残余位移映射至轨面形成映射轨道不平顺,并将其与震后轨道不平顺对比,揭示了横向地震作用下震后轨道不平顺的演化规律,研究结果可为合理控制震后轨道不平顺提供参考。1 高速铁路轨道桥梁系统有限元模型以位于8度区(设计基本加速度为0.3g)的高速铁路轨道桥梁系统为研究对象,其中桥梁结构包括箱梁、支座和桥墩。箱梁采用长
15、度为32.6 m的混凝土箱梁。支座采用PZ-5000的盆式橡胶支座,如图1(b)所示,每一跨箱梁由4个支座支撑,支座由1个固定支座、1个双向滑动支座以及2个单向滑动支座组成。桥墩采用高度为14 m的实心圆端形墩。如图1(c)所示,CRTS 型板式无砟轨道结构自上而下由 CHN60 钢轨、WJ-8 型扣件、轨道板、自密实混凝土层、隔离层土工布以及底座板等部分组成10。轨道板与自密实混凝土依靠门型钢筋以及混凝土的黏结力实现连接。底座板中央的2774第 8 期周旺保,等:横向地震作用下高速铁路CRTS 型无砟轨道桥梁系统震致轨道不平顺研究限位凹槽与自密实混凝土的凸台互相咬合。底座板上表面铺设土工布,
16、限位凹槽四周设置弹性橡胶垫,以缓冲凸台与凹槽的碰撞11。以5跨高速铁路CRTS 型无砟轨道简支梁桥系统为例,采用ANSYS建立高速铁路轨道桥梁系统的有限元模型,桥梁两侧各考虑长度为50 m的路基段,如图1(a)所示。在有限元模型中,钢轨、轨道板、底座板、自密实混凝土层以及主梁采用BEAM189弹性梁单元模拟,材料特性1213见表1。桥墩底部的塑性铰区域采用广义梁单元进行模拟,其横向弯矩曲率骨架曲线如图 2(b)所示14。(a)钢轨;(b)弯矩曲率骨架曲线;(c)理想弹塑性单元;(d)弹性连接单元图2主要构件的力学模型Fig.2Mechanical models of main componen
17、ts(a)CRTS 型板式轨道简支梁桥模型;(b)支座布置图;(c)CRTS 型板式无砟轨道结构图1高速铁路CRTS 型无砟轨道结构简支梁桥示意图Fig.1Schematic diagram of high-speed railway simply supported bridge with CRTS ballastless track structure2775铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月轨道板与下方的自密实混凝土层相互黏结,其二者通过 MPC184 刚臂连接。自密实混凝土层与底座板间的隔离层土工布、滑动支座、固定支座以及扣件等采用理想弹塑性单元COMBIN40模拟1
18、5,土工布的滑动摩擦因数取为0.6916。每块轨道板对应的底座设置有2个限位凹槽,凹槽四侧面设置厚度为8 mm的弹性橡胶垫板17,弹性橡胶垫板采用仅受压不受拉的线性弹簧模拟。底座板与桥梁通过预埋钢筋相连,现场浇筑混凝土并分段设置,因此通过MPC184刚臂单元连接底座板与梁体。利用墩底六弹簧模拟桩土相互作用,弹簧刚度利用m法计算18。2 地震动的选取桥址位于8度抗震设防区,设计地震峰值加速度为0.30g。场地土为剪切波速150250 m/s的类中软土。根据场地信息生成设计反应谱,从PEER地震动数据库中选取和设计反应谱匹配程度最高的10条地震动记录,如图3所示。本文考虑了50 a发生概率分别为6
19、3%,10%和2%的0.1g多遇地震、0.3g设计地震和0.57g罕遇地震。不同的PGA通过地震波峰值的调幅实现。对于上述10条地震动,在地震加速度的尾端增加一段时长为10 s的 零 值 段 以 模 拟 地 震 停 止 后 结 构 的 自 由 振动18(图4)。高速铁路轨道桥梁系统的动力特性如表2所示,桥梁的1阶振型为梁体横向正对称振动,这表明桥梁的横向振动较容易在横向地震中被激发。因为桥梁两侧路基系统对桥梁结构的横向约束较弱,横向地震对于高速铁路桥梁残余变形影响较大,因此本文的地震输入方向选为横向18。本文重点研究横向地震下的震致轨道不平顺的产生机理,因此后文中的位移若不特指,所有位移均是代
20、指横向位移。表1结构的材料属性Table 1Material properties of structures构件箱梁底座板自密实层轨道板钢轨材料混凝土混凝土混凝土混凝土钢材弹性模量/MPa3.61042.81043.31043.61042.0105质量密度/(kgm3)2 5002 5002 5002 5007 850泊松比0.20.20.20.20.3图3地震动反应谱Fig.3Response spectra of seismic records图4输入的地震动Fig.4Input ground motion表2动力特性Table 2Dynamic characteristics阶次123
21、自振频率/Hz1.738 92.054 12.249 8自振周期/s0.570.480.44振型梁体横向正对称振动梁体纵向反对称振动梁体横向反对称振动振型图2776第 8 期周旺保,等:横向地震作用下高速铁路CRTS 型无砟轨道桥梁系统震致轨道不平顺研究3 轨道桥梁系统关键构件地震损伤规律CRTS 型无砟轨道结构采用了“单元板”的设计理念,跨间唯一纵连的钢轨在地震作用下可能会承受较大地震力而产生不可恢复的塑性变形,同时震后桥梁结构以及轨道层间构件出现的残余变形映射至轨面也会导致轨道几何形位发生改变18。因此,有必要明确钢轨在地震作用下是否会产生塑性变形以及震后轨道桥梁系统产生较大残余位移的构件
22、。3.1轨道结构的响应3.1.1钢轨钢轨是CRTS 型无砟轨道结构中唯一的全线路连续构件。铁路无缝线路设计规范规定钢轨的屈服强度为457 MPa,取1.3的安全系数可得钢轨的容许屈服应力为352 MPa20。图5分别给出了在不同地震强度下,轨道桥梁系统输入10条地震动后钢轨的横向残余位移分布以及钢轨平均应力包络图,横坐标原点为0号桥台,选取32.7 m的墩距作为横坐标的标距。震后钢轨横向残余位移分布表明(图5(a),图5(b)和图5(c):地震将引起显著的钢轨残余位移,恶化轨道的平顺程度;8度多遇地震下钢轨基本能保持初始的平直状态,但在8度设计和罕遇地震作用下,震后钢轨几何形态在梁缝处均有明显
23、折角,行车安全设计时应重点关注梁缝处的钢轨变形。不同地震动强度下的钢轨平均应力包络图表明(图5(d):在横向地震作用下,钢轨应力峰值出现在梁缝处。这是因为CRTS 型轨道结构中钢轨是唯一纵向连续构件,当相邻简支梁的位移不协调时,梁缝处的钢轨便会承受极大的地震力;在罕遇地震下,路桥过渡段处钢轨的峰值应力高达405 MPa,其应力大于钢轨的容许屈服应力,这表明梁缝处的钢轨在地震作用下会进入塑性变形状(a)PGA=0.10g地震下轨道不平顺;(b)PGA=0.30g地震下轨道不平顺;(c)PGA=0.57g地震下轨道不平顺;(d)钢轨应力包络图图5钢轨的地震响应Fig.5Seismic respon
24、se of rail2777铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月态。行车安全设计时应重点关注梁缝处的钢轨变形,尤其是重点设计路桥过渡段的接口位置,避免震后钢轨出现严重塑性变形甚至断裂。3.1.2扣件扣件是轨道结构的重要组成部件,其作用是保持钢轨与轨道板间的可靠联结,阻止钢轨的纵横向移动。扣件的屈服位移为 2 mm4。扣件在不同地震强度下的峰值位移分布及震后残余位移分布如图6所示。由图6(a)可以发现:随着地震动PGA 的增大,沿线各扣件的最大变形也逐渐增大。在8度多遇地震下,沿线扣件均处于弹性阶段。在设计和罕遇地震下,梁缝附近的扣件的变形幅值会超过2 mm的损伤界限,而在桥梁跨
25、中以及路基段的扣件的变形幅值均较小。这是因为钢轨是唯一纵向连续构件,梁缝处的钢轨会因相邻梁的转动而承受较大弯矩,固定钢轨的扣件便会承受较大外力,因此梁缝处的扣件极易损坏。地震动结束后,扣件的残余位移分布如图6(b)所示。在8度多遇地震下,沿线扣件的残余位移基本为0,这是因为扣件在地震过程中始终处于弹性阶段,扣件的最大位移均未超出损伤限值。然而在设计和罕遇地震下,梁缝附近的扣件均有较大的 残 余 位 移,残 余 位 移 分 别 高 达 6.1 mm 及23.3 mm,这是因为梁缝附近的扣件的变形幅值均超过了扣件损伤限值。在梁缝区域,扣件的残余位移迅速增大,在梁缝区域以外的扣件残余位移迅速减小至0
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