基于线桥一体化模型的高速铁路桥梁抗震性能及设计方法研究

我国高速铁路桥梁大多处于高烈度地震区,其轨道结构广泛采用无砟轨道系统。由于无砟轨道系统的纵向刚度较大,导致桥梁相邻桥跨间的地震效应耦合显著。在进行桥梁地震反应分析时,现有的抗震计算模型均未考虑无砟轨道系统的约束效应。以我国高速铁路无砟轨道桥梁为研究对象,进行基于性能的抗震设计研究。通过建立地震作用下的高速铁路桥梁线桥一体化模型,采用理论分析、有限元计算及模拟地震振动台试验相结合的研究方法,重点研究不同地震作用下桥梁的地震反应规律,基于IDA的桥梁结构在大震下的抗震薄弱部位、重力式桥墩的地震易损性以及支座的不同损伤状态对桥梁下部结构的影响。主要研究以下内容:(1)针对高速铁路桥梁中采用的不同无砟轨道形式,提出了板式无砟轨道桥梁的简化抗震计算模型,通过与精细化抗震计算模型进行对比研究,验证了简化模型的合理性。同时,提出了双块式无砟轨道桥梁的线桥一体化抗震精细化及简化计算模型,并进行了对比验证。基于三水准设防的抗震设计方法,提出了多遇地震及罕遇地震作用下的线桥一体化精细化抗震计算模型,给出了模型中各构件的力学参数合理取值。同时考虑到精细化模型的复杂性,为便于应用,提出了考虑轨道系统约束影响的线桥一体化简化抗震计算模型,可对《铁路工程抗震设计规范》中建议考虑桥面系影响时计算模型的建立提供参考。(2)以高速铁路无砟轨道32 m简支梁桥为原型,设计并制作1∶20单跨简支梁桥缩尺模型进行振动台试验,分别研究有、无轨道约束条件下,简支梁桥在不同地震作用下的地震反应。结果表明,无砟轨道系统对高速铁路简支梁桥的动力特性及地震反应影响显著。考虑轨道系统的影响后,桥梁的纵桥向自振频率与阻尼比均增大。轨道系统的存在增大了桥梁整体的刚度,增强了各跨之间的耦联性,改变了桥梁上部结构惯性力大小及分布。无砟轨道桥梁抗震设计时应考虑无砟轨道系统的影响。(3)从基于性能的抗震设计角度出发,提出了我国高速铁路无砟轨道桥梁抗震设计理论框架。针对无砟轨道桥梁线桥一体化抗震计算模型,分别提出了多遇、罕遇地震下的地震反应分析方法及抗震验算方法。基于IDA研究得出了桥梁结构在大震下的抗震薄弱部位。结果表明,支座水平抗力与其竖向承载力的相对关系决定了桥梁的地震破坏模式,当支座的水平抗力取其竖向承载力的20%时,支座成为结构的抗震薄弱部位;当支座的水平抗力取其竖向承载力的30%时,墩身成为结构的抗震薄弱部位。由于支座的破坏比桥墩破坏的修复更容易,建议高烈度区桥梁支座的水平承载力不宜取值过大,但为防止支座破坏后发生落梁,应加强防落梁措施。(4)以某高速铁路上双块式无砟轨道梁桥为研究对象,通过IDA分析,分别研究了有、无轨道系统约束条件下,桥梁结构的动力特性及其地震易损性。同时,研究了轨道约束下墩身配筋率对重力式桥墩及桥梁系统易损性的影响。研究结果表明,轨道系统的存在,提高了桥梁整体刚度,桥梁结构的自振周期减小。结构发生完全破坏时,轨道约束下的超越概率明显减小。重力式桥墩在进入完全破坏状态之前,考虑轨道约束时的损伤超越概率低于不考虑轨道约束模型;进入完全破坏状态后,轨道约束下的超越概率明显减小。对于少筋混凝土桥墩(配筋率为0.1%~0.5%),随着配筋率的增大,桥墩的损伤状态表现出由部分延性至完全延性的破坏特征。桥梁系统在中等损伤状态下,连续梁的固定墩控制整个桥墩系统的易损性,在完全破坏损伤状态下,整个桥墩系统的易损性需综合固定墩、联间墩及活动墩的易损性。(5)通过研究轨道系统约束下支座的不同损伤状态对桥梁下部结构的影响,并与不考虑轨道约束计算结果进行比较表明:对于连续梁桥与多跨简支梁桥组合桥型,当连续梁固定支座损伤进入干摩擦状态,或一联内其他活动支座进入咬合或干摩擦状态,均可有效降低固定墩墩底内力。当固定支座进入干摩擦状态而其他支座正常工作时,结构受到的地震作用减小。而当活动支座进入咬合状态后,活动墩与固定墩共同参与受力,也能降低固定墩的地震反应,按传统模型进行计算严重低估了联间交界墩的地震反应。对于墩高相近的多跨简支梁桥,轨道约束有效减弱了中间墩的地震内力,各墩底弯矩呈抛物线型分布,且距离桥台越近,墩底弯矩降低越明显。设置在同一墩顶的两排支座如同时进入干摩擦损伤后,大震作用下,可降低该墩的墩底内力。在进行实桥的抗震计算时,应合理考虑桥梁支座可能处于的各种工作模式及轨道约束的影响,以便得到桥墩的最不利内力。

Research on seismic performance and design method for high-speed railway bridges based on track-bridge integrated model