【摘 要】
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近年来,随着我国高速铁路建设的快速发展且向着西部多断层地区逐渐推进,导致高速铁路桥梁的修建面临着近断层地震的影响。近断层地震动由于具有速度脉冲作用使得结构破坏尤为严重。目前,我国相关的铁路抗震设计规范没有充分考虑近断层地震动对高速铁路桥梁的影响。在近断层区域修建高速铁路桥梁越来越多的情况下,研究近断层脉冲地震动对高速铁路桥梁-轨道系统的影响具有重要的实际意义。为此,展开了如下的研究工作:1.为研究
【基金项目】
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四川省科技计划(2019YJ0243,2019YFG0460);
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近年来,随着我国高速铁路建设的快速发展且向着西部多断层地区逐渐推进,导致高速铁路桥梁的修建面临着近断层地震的影响。近断层地震动由于具有速度脉冲作用使得结构破坏尤为严重。目前,我国相关的铁路抗震设计规范没有充分考虑近断层地震动对高速铁路桥梁的影响。在近断层区域修建高速铁路桥梁越来越多的情况下,研究近断层脉冲地震动对高速铁路桥梁-轨道系统的影响具有重要的实际意义。为此,展开了如下的研究工作:1.为研究近断层地震动对高速铁路简支梁桥梁轨系统的影响,基于ANSYS有限元平台建立了考虑轨道结构和路基边界条件的梁轨一体精细化有限元模型。对近断层地震动进行频谱特性分析,从时域和频域的角度上揭示了具有脉冲效应的近断层地震动的特殊性。利用选取的近断层地震动和远断层地震动,分析了近断层地震动对高速铁路桥梁-轨道系统的影响,主要结论有:(1)地震作用下顺桥向的墩底弯矩、墩底剪力、墩顶位移均呈现出先增大后减小的规律;相比于远断层地震动,无论是顺桥向还是横桥向,脉冲型近断层地震动导致了更大的塑性变形,对桥墩的延性要求更高,同时增加了梁与梁之间的相对位移,更容易发生碰撞。(2)钢轨应力总是桥台附近出现极大值,远离桥台后钢轨的应力逐渐减小,当路基上的钢轨足够长后钢轨应力减小至0。近断层地震作用下,钢轨的最大应力和最大位移显著提升,钢轨最大应力较远断层地震动增加了56.9%,钢轨最大位移较远断层地震动增加了97.2%。近断层地震动明显增大了梁轨相对位移和梁缝处钢轨的横向相对位移。2.为研究扣件阻力对高速铁路简支梁桥梁轨系统地震响应的影响,定义了五种不同的扣件纵、横向阻力模型,输入脉冲型近断层地震动,对高速铁路桥梁进行非线性时程分析,讨论了不同扣件阻力对梁轨系统纵向和横向地震响应的影响,主要结论有:(1)桥墩的变形随着扣件纵向阻力的增加而降低。当扣件纵向阻力从5k N/组增加到25k N/组时,各墩的墩顶纵向位移平均降低了17.5%,邻梁相对位移降低了约45%,扣件纵向阻力的增加可以明显减小邻梁相对位移,降低碰撞的风险。(2)扣件纵向阻力为25k N/组时,全桥范围内的钢轨最大应力较5k N/组时增加了162.9%,钢轨的最大应力显著增加,扣件阻力的增加对桥墩抗震有利对轨道不利,过高的扣件阻力可能会导致钢轨发生超限破坏。扣件横向阻力的增加对桥墩横向的内力、位移和主梁位移影响很小,但可能会增加梁缝处钢轨的横向相对位移。3.为分析桥墩高度对高速铁路简支梁桥地震响应的影响,通过调整桥墩高度,输入脉冲型近断层地震动,分别计算五种不同桥墩高度的梁轨系统的动力响应,主要结论有:(1)墩高对高速铁路桥梁地震响应的影响显著,随着桥墩高度的增加,桥墩和梁体的纵、横向位移、梁端相对位移明显增加。(2)墩高从10m增加到18m,钢轨最大应力增加了39.3%,各个梁缝处钢轨的横向相对位移增加了60%以上,钢轨的应力和横向变形随着墩高的增加明显增加。4.考虑到高速铁路简支梁桥的轨道和桥梁连接成一个整体,不再是传统意义上的小跨径结构,地震动的空间效应可能会对结构的地震响应产生影响,选取视波速作为主要变量,通过与一致激励进行比较,研究了行波效应对近断层地震动作用下高速铁路简支梁桥梁轨系统动力响应的影响,主要结论有:(1)行波效应降低了桥墩的墩底纵向弯矩和墩顶纵向位移,但各墩的墩底纵向剪力较一致激励情况下部分增大部分减小。视波速由600m/s增加到一致激励情况下,各墩的墩顶纵向位移平均增加了51.7%。(2)考虑行波效应后,处于全桥中间部分区域的钢轨应力大幅度增加,全桥的应力分布更加均匀,随着视波速的增加钢轨应力的分布逐渐接近一致激励。
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