地震作用下桥梁-CRTSII型无砟轨道相互作用规律

第14卷第4期铁道科学与工程学报Volume 14 Number 4 2017 年 4 月Journal of Railway Science and Engineering April 2017
地震作用下桥梁-CRTS II型
无砟轨道相互作用规律
刘施、闰斌、张鹏飞2,林智均1
(1.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075;
2.华东交通大学铁路环境振动与噪声教育工程研究中心，江西南昌330013)
摘要：为研究地震对桥梁纵连板式无砟轨道相互作用的影响，以沪昆高铁某16~32m简支箱梁桥-CRTSII型板式无砟轨道 系统为研究对象，建立充分考虑轨道结构层间非线性约束的三维动力仿真模型，探讨ElCentro波和Taft波2种常见地震激 励对结构受力变形的影响，对比3种不同烈度的ElCentro波对系统动力特性的影响程度。

研究结果表明：地震波的频谱特 性与结构动力响应紧密联系，ElCentro波对结构纵向受力与变形影响较大；地震作用下，钢轨、桥墩和端刺承受着较大纵向 力；扣件、滑动层和砂浆层各向位移均在梁缝处出现峰值，扣件和砂浆层纵向位移最大值出现在端刺附近；滑动层通过底座 板滑移耗能，大幅度提高了系统的抗震性能；随着地震烈度的增加，各关键构件受力变形大幅增长。

关键词：简支梁；无砟轨道；梁轨相互作用；地震响应
中图分类号：U213.912 文献标志码： A 文章编号：1672-7029(2017)04-0669-06
The embedded CRTS I slab ballastless track in interaction with
bridges under seismic action
LIU Shi1,YAN Bin1,ZHANG Pengfei2,LIN Zhijun1
(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;
2. Engineering Research Center of Railway Environmental Vibration and Noise, Ministry of Education,
East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)
Abstract: Taking the16-32 m simply-supported bridges and CRTS I slab ballastless track system on Shanghai-Kunming high speed railway as an example,a 3D dynamic simulation model fully considering the nonlinear constraints among track structure layers was established to study the in^uence of seismic action on the interaction between CRTS II track and bridge.The force and deformation laws of key components under ElCentro wave and Taft wave were studied.Besides,the influence of three different intensities of ElCentro wave on the dynamic response of the system was compared.As revealed,the dynamic response of the system is closely connected with the spectral characteristic of seismic wave.ElCentro wave has a relatively big influence on the longitudinal force and deformation.During the earthquake,rail,pier and anchor bear relatively large longitudinal force.The peak values of the displacement in fastener,sliding layer and mortar layer all appear near the beam crevice.The maximum longitudinal displacement of fastener and mortar layer appears near the anchor.The
收稿日期：2016-05-26
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2016zzts400);国家自然科学基金资助项目(51608542)
通信作者：张鹏飞(1975-)，男，内蒙古赤峰人，副教授，从事桥上无砟轨道无缝线路设计理论及关键技术研宄；E-mail: zhangpf4236@
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铁道科学与工程学报2017年4月
longitudinal slipping of sliding layer can improve the anti-seismic property to a great extent . The force and deformation increase greatly with the increase intensity of earthquake .
Key words : simply-supported bridge ; ballastless track ; bridge-track interaction ; seismic response
桥上CRTSII 型纵连板式无砟轨道吸取了德国 博格纵连板式无砟轨道的优缺点[1-2]，结合中国津 京城际铁路长桥多、桥梁比重大的特征，己发展成 为中国独有的一种新型无砟轨道结构形式。

该型轨 道除钢轨采用纵向连续结构外，轨道板和底座板也 是纵向连续的，其梁轨相互作用机理十分复杂[3-4]; 底座板和桥面板之间设置有摩擦因数极小的滑动 层，起到了滑移耗能作用。

目前，该型无砟轨道已 广泛应用于中国京沪、沪杭、杭长和沪昆等多条高 速铁路线[5]。

由上而下，该型轨道主要由钢轨、扣 件、轨道板、砂浆层、底座板、“两布一膜”滑动 层和挡块等构件组成。

简支梁固定支座上方设置剪 力齿槽，梁缝处设置硬质泡沫塑料板，桥台后路基 段设置摩擦板、端刺等。

对于温度及活载作用下桥 上CRTS I I 型板式无砟轨道结构受力变形规律，国 内学者己做了较为深入的研究。

如朱乾坤等[6]研究 了桥上CRTS I I 型板式无砟轨道在列车制动、温度 和竖向活载作用下的受力和变形规律；徐桂弘等[7] 分析了高速列车荷载和水耦合作用下CRTS I I 型板 式无砟轨道道床裂纹的扩展问题；张丰华等[81分析 了分析温度荷载和列车制动荷载对底座板厚度不 足处屈曲的影响；吴青松等[9]探索不同荷载工况作
用下，桥上CRTS I I 型板式轨道结构受力和变形随 温度跨度増长的特点。

近年来，我国西南地震频发， 震中轨道结构一旦发生破坏将对行车安全造成极 大威胁。

而针对地震作用下桥上CRTS I I 型板式无 砟轨道相关研究仍相对较少，地震过程中轨道结构 纵向力传递规律仍不明确。

本文以沪昆高铁某 16〜32 m 简支梁桥为研究对象，探索不同地震波形 和不同地震烈度对轨道结构纵向力传递规律的 影响。

1桥梁CRTS II 型板式无砟轨道计算
模型与相关参数
模型中充分考虑钢轨、轨道板、砂浆层、底座 板、滑动层、桥面板、挡块、固结机构和端刺等关 键构件非线性相互作用，钢轨、轨道板、底座板和 桥梁采用梁单元模拟，扣件、砂浆层、滑动层和摩 擦板采用非线性杆单元模拟；端刺、固结机构和支 座采用线性弹簧单元模拟；挡块用Hook 单元模拟; 混凝土米用考虑箍筋约束的Mander -Confined 模型， 桥墩采用非线性纤维梁单元模拟。

有限元模型如 图1。

Fig. 1
Simulation model for bridge-track system
第4期刘施，等：地震作用下桥梁-CRTS II 型无砟轨道相互作用规律
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-200
200 400钢轨坐标/m
600-200 0
200 400 600轨道板坐标/m
-200 0
200 400 600底座板坐标/m
端刺编号
(a )钢轨应力包络；（b )轨道板应力包络；（c )底座板应力包络；（d )墩底最大剪力；（e )端刺最大纵向力
图2
关键构件纵向受力示意图
Fig. 2 Longitudinal force of key components
模型中，钢轨米用CHN 60轨，相当于UIC 60轨[10]；扣件为WJ -8型，其纵向阻力用^表示[11]， 横向阻力印采用试验拟合结果[6]，x 为钢轨-承轨台 之间的相对位移，其力与位移关系如下：
fi 2x | x | ^ 2 mm
rL
rH
24
I x | >2 mm
[4.5x | x | ^ 2 mm
9 | x | > 2 mm
⑴
(2)
其中：rL 和rH 单位为kN ; x 单位为mm 。

扣件竖向刚度取决于扣件的受力状态、垫板及 弹条的竖向刚度。

轨道板尺寸为6.45 m X 2.55 m X 0.2 m ，为预应力混凝土构件，混凝土强度等级C 55。

砂浆层铺设 宽度2.55 m ，厚度0.03 m ，其纵横竖向刚度采用文 献[12]所取得的试验参数。

底座板采用C 30混凝土 现场浇筑。

除在硬质泡沫塑料板区域的厚度为0.14 m ，其余部位宽2.95 m ，厚0.2 m 。

滑动层采用仅受 压的理想弹塑性弹簧模拟，弹塑性分界点取为0.5 mm ，纵横向滑动摩阻系数取为0.3[13]。

摩擦板设置在桥台和端刺之间，长50 m ，摩擦 因数为0.7[6];端刺为倒T 型，C 30混凝土现场浇筑， 钢筋采用HRB 500。

为减小接缝处梁端转角对轨道
结构的影响，在梁缝两侧1.45 m 范围铺设硬质泡沫 塑料板，在梁缝两端的轨道板、端刺与路基过渡段 设置剪切钢筋。

滑动支座采用双折线模型，摩擦因数取为0.3, 弹塑性变形点为3 mm [14]。

桥墩为薄壁圆端形墩， 墩高为20 m ，墩体采用C 40混凝土，墩壁内外侧 布置双层直径16 mm 的HRB 335纵筋。

系统采用Rayleigh 阻尼，阻尼比A 取为0.05， 阻尼系数《和々按下式取值：
w1w2 ^ -• 1:2h-，P = 2h-(3)
w + w w + w2
式中：Wi 和W 2为系统前两阶自振频率[14]。

2地震作用下系统纵向力传递规律
2.1不同地震波
分别研究ElCentro 波和T a ft 波作用下桥上CRTS II 型板式无砟轨道地震响应规律；地震波激 励方向为顺桥向；地震设防烈度为8度，保留各地 震波频谱特性，仅将最大峰值加速度调至0.3 g [15]， 地震波持续时间为包含地震动峰值的前50 s 。

各关 键构件受力变形规律如图2〜图4。

主要构件纵向受力如图2所示。

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由图2可知，ElCentro波作用下，钢轨、轨道板、底座板和墩底纵向受力整体上要比Taft波作用 下大，端刺所受最大纵向力要比Taft波作用下小。

结构受力特性与地震波的频谱特性紧密联系，ElCentro波对结构纵向受力有较大影响。

2种地震波作用下，钢轨、轨道板、底座板应 力包络曲线均关于跨中呈反对称分布，钢轨、轨道 板最大纵向力出现在桥台附近，底座板最大纵向力 出现在端刺附近；钢轨、端刺、桥台承受纵向力相 对较大。

桥梁、底座板应力在梁缝处出现峰值，在 设计施工及养护维修过程中要特别注意梁缝附近 的轨道板、底座板及砂浆层裂化现象。

各关键构件受力见表1。

表1关键构件纵向受力最大值
Table 1Maximum longitudinal force of key components
项目ElCentro 波Taft 波钢轨应力最大值/MPa85.950.9
轨道板应力最大值/MPa15.79.4
底座板应力最大值/MPa17.910.8
墩底最大纵向剪力/kN14 227.48 616.9
端刺最大纵向力/kN7 600.012 142.9
钢轨各项位移包络如图3所示。

Fig. 3 Longitudinal displacement of rail
由图3可以看出，钢轨纵向位移对不同频谱特 性的地震波作用极为敏感，ElCentro波作用下，其 纵向位移最大值出现在端刺附近，为1.5mm；Taft 波作用下，其纵向位移最大值出现在跨中附近，最大值为47.7 mm。

此外，Taft波对钢轨竖向位移影 响较大，ElCentro波对钢轨横向位移影响较大。

扣件、滑动层和砂浆层纵向位移见图4。

(a)扣件纵向位移；（b)滑动层纵向位移；
(c)砂浆层纵向位移
图4关键构件纵向位移示意图
Fig. 4 Longitudinal displacement of key components
由于梁缝处轨道板、底座板、桥梁应力均出现 峰值，且存在梁端转角的影响，所以扣件、滑动层、砂浆层各向位移均在梁缝处出现峰值；此外，ElCentro波对扣件、滑动层、砂浆层纵向变形影响较大。

由于端刺承受了极大的纵向力，故扣件、砂浆
第4期刘施，等：地震作用下桥梁-CRTS II型无砟轨道相互作用规律673层纵向位移最大值均出现在端刺附近，扣件纵向位
移最大值为 1.5mm(ElCentro波)，0.9 mm(Taft波)；砂浆层纵向位移最大值为1.8mm(ElCentro波)，0.8 mm(Taft波)。

2种地震波作用对扣件竖向、横向位 移和砂浆层横向位移影响相当。

由于滑动层类似于梁面上浮体系，地震作用下 滑动层纵向产生较大位移而不传递纵向力，以此达 到减震耗能的作用。

由于滑动层承受压力较大，所 以其竖向位移也相对较大，最大位移为0.26 mm，滑动层横向位移相对较小。

2.2不同地震强度
基于以上研究分析，选取对结构影响较大的 ElCentro波，研究多遇地震、设计地震和罕遇地震 作用下系统的受力变形规律，对应最大峰值加速度 为0.1，0.3和0.57g[15]，保留地震波频谱特性，地 震波持续时间为包含地震动峰值的前30 s。

3种工况下，各关键构件受力变形包络图相似，参见2.1所述ElCentro波(0.3g)作用下系统关键构件 受力变形包络。

本文仅将各工况下系统关键构件受 力变形最大值列表如表2。

表2关键构件受力变形规律
Table 2 Force and deformation laws of key components 计算项目0.1g0.3g0.57g 钢轨最大应力/MPa24.874.1135.0
轨道板最大应力/MPa 4.713.524.7
底座板最大应力/MPa 4.811.727.3
墩底最大纵向剪力/kN 4 171.612 58520 471
挡块碰撞力最大值/kN 6.616.435.4
端刺最大纵向剪力/kN 3 455.610 79918 465
扣件纵向最大位移/mm0.5 1.4 2.0
滑动层纵向最大位移/mm 3.812.824.3
砂浆层纵向最大位移/mm0.3 1.4 3.5
由表2可以看出，钢轨、墩台和端刺承受着极 大的纵向力；随着地震烈度的増加，各关键构件受 力变形大幅度増长；相比于设计地震烈度，罕见地 震烈度作用时各构件受力増长57.9%~133.3%;变形増长也均在40%以上，将直接威胁梁轨稳定性及 行车安全。

桥梁所受纵向力，扣件、滑动层和砂浆 层横向位移相对较小。

3结论
1)结构动力特性与地震波的频谱特性紧密联 系。

ElCentro波对系统纵向受力变形影响显著。

2)地震作用下，钢轨、端刺和桥台承受纵向力 相对较大。

钢轨、轨道板和底座板应力包络曲线均
关于跨中呈反对称分布，钢轨和轨道板最大纵向力
出现在桥台附近，底座板最大纵向力出现在端刺
附近。

3)由于梁缝处桥梁、底座板均出现应力集中现 象，扣件、滑动层和砂浆层各向位移均在梁缝处出
现峰值。

由于端刺承受了极大纵向力，故扣件和砂
浆层纵向位移最大值均出现在端刺附近。

4)由于滑动层摩擦因数极小，地震过程中滑动 层产生较大纵向滑移，起到减震耗能的作用。

5)随着地震烈度的増加，各关键构件受力变形 大幅度増长。

参考文献：
[1] Bogl Company of German. Number 4 technical report of
Bogl longitudinal connected ballastless track on Jing-Jin
intercity high-speed railway bridges[R]. Jing-Jin Intercity
High-speed Railway Design Department of Bogl
Company of German, 2006.
[2] Bogl Company of German. Number 7 technical report of
Bogl longitudinal connected ballastless track on Jing-Jin
intercity high-speed railway bridges[R]. Jing-Jin Intercity
High-speed Railway Design Department of Bogl
Company of German, 2006.
[3] ZHANG Ji, WU Dingjun, LI Qi. Loading-history-based
track-bridge interaction analysis with experimental
fastener resistance[J]. Engineering Structures, 2015(83):
62-73.
[4]闫斌，刘施，戴公连，等.多维地震作用下桥梁-无砟
轨道非线性相互作用[J].铁道学报,2016, 38(5): 74-80.
YAN Bin, LIU Shi, DAI Gonglian, et al. Nonlinear
interaction between CRTS I ballastless track and
bridges due to multi-dimensional earthquake[J]. Journal
of the China Railway Society, 2016, 38(5): 74-80.
[5]周敏.简支梁桥上CRTSII型板式无砟轨道结构稳定
性研宄[D].长沙：中南大学,2014.
674铁道科学与工程学报2017年4月
ZHOU Min. Stability of CRTS H slab ballastless track
structure on simply supported beam bridges[D].
Changsha: Central South University, 2014.
[6]朱乾坤，戴公连，闫斌.简支梁-CRTS II型板式无砟轨
道制动力传递规律J].铁道科学与工程学报，2014,
11(6): 13-19.
ZHU Qiankun, DAI Gonglian, YAN Bin. Transfer law of
breaking force between simply-supported bridges and
CRTS H slab ballastless track[J]. Journal of Railway
Science and Engineering, 2014, 11(6): 13-19.
[7]徐桂弘，刘学毅，杨荣山，等.列车荷载-水耦合作用
下CRTS H型板式无砟轨道道床裂纹扩展研宄[J].铁
道学报,2014, 36(10): 76-80.
XU Guihong, LIU Xueyi, YANG Rongshan, et al. Effect
of train load and water coupling to crack extension of
CRTS H track[J]. Journal of the China Railway
Society, 2014, 36(10): 76-80.
[8]张丰华，唐进锋，谭亚.桥上CRTS II型板式无砟轨道
底座板屈曲分析[J].石家庄铁道大学学报（自然科学
版),2016⑴:55-58,74.
ZHANG Fenghua, TANG Jinfeng, TAN Ya. Analysis on
base plate buckling of CRTS H ballastless slab track[J].
Journal of Shijiazhuang Tiedao University (Natural
Science), 2016⑴:55-58, 74.
[9]吴青松，任娟娟，刘学毅，等.用于铺设II型板式轨道
的大跨连续梁桥合理温度跨度研宄[J].铁道科学与工
程学报,2016,13(3):414-422.
WU Qingsong, REN Juanjuan, LIU Xueyi. Research on
the critical expansion length of large span continuous
beam bridge for CRTS II slab track[J]. Journal of
Railway Science and Engineering, 2016, 13(3): 414-422. [10] UIC. UIC 774-3 Track/bridge interaction. Recommenda­
tions for calculations[S]. Paris: International Union of
Railways, 2001.
[11] TB 10015—2012,铁路无缝线路设计规范[S].
TB10015—2012, Code for design of railway continuous
welded rail[S].
[12]粟淼.高速铁路桥上纵连板式无砟轨道层间界面工作
性能初探[D].长沙：中南大学,2014.
SU Miao. Preliminary study on interface performance for
longitudinal ballastless track on high-speed railway
bridges[D]. Changsha: Central South University, 2014. [13]邱远喜.长联大跨连续梁桥上CRTS H型板式无砟轨
道受力特性研宄[D].长沙：中南大学,2014.
QIU Yuanxi. Mechanical properties of CRTS II slab
ballastless track on long-span and long-unit continuous
girder bridge[D]. Changsha: Central South University,
2014.
[14] YAN Bin, DAI Gonglian. Seismic pounding and
protection measures of simply-supported beams
considering interaction between continuously welded rail
and bridge[J]. Structural Engineering International, 2013,
23(1): 61-67.
[15] GB50111—2006,铁路工程抗震设计规范[S].
GB50111—2006, Code for seismic design of railway
engineering[S].。