考慮行波效應的線-橋結(jié)構(gòu)地震響應分析研究.pdf

1、高速鐵路對社會經(jīng)濟的發(fā)展起著非常重要的作用。橋梁作為軌道的支承載體，從有利于節(jié)約寶貴的土地資源和有利于環(huán)境保護出發(fā)，高速鐵路橋梁的比例比普通鐵路高得多。地震是一種突發(fā)性的破壞力極強的自然災害。當?shù)卣鸢l(fā)生時，橋梁的支座受地面振動激振而使得整個橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈振動，直接影響到橋梁結(jié)構(gòu)和橋上列車的安全。橋梁是生命線工程的重要組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)的破壞將直接導致鐵路線路功能的失效，不但造成大量的經(jīng)濟損失，還可能引起人員傷亡。中國是一個地震災害嚴重

2、的國家，多條高速鐵路穿越地震帶。因此，線—橋結(jié)構(gòu)的抗震性能日益受到關注。本文在借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的基礎上，針對高速鐵路典型的無砟軌道橋梁，考慮行波效應的作用，建立了絕對坐標系下線—橋地震響應動力平衡方程，編制了相應的分析程序TBDAUE。并以常用的多跨簡支梁橋為研究對象，系統(tǒng)分析了一致地震動和非一致振動地震動作用下線—橋結(jié)構(gòu)動力性能。本文各章主要內(nèi)容如下:
　　第1章:闡述了考慮行波效應進行地震作用下線—橋結(jié)構(gòu)振動響應研究的必

3、要性及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹本文研究內(nèi)容。
　　第2章:對研究所采用的計算原理進行闡述:介紹了行波效應產(chǎn)生的原因，分析對于大跨度橋梁的地震響應問題必須考慮行波效應在絕對坐標系下進行計算的原因;描述了軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的分析模型，介紹了目前軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)常用的幾種模型以及建模方法，分析各種模型和建模方法的不同，并運用有限元方法分別建立軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的動力平衡方程;闡述了包括大質(zhì)量法、擬靜力求解法和直接求解法三種常見的地震波輸入

4、方法的原理，分析不同地震波輸入方法的不同點;最后給出Wilson-θ法和Newmark-β法兩種常見的求解動力學方程的數(shù)值積分方法的操作過程，并分析兩種方法的不同。
　　第3章:本章主要闡述了線—橋結(jié)構(gòu)地震響應計算程序的設計過程，設計過程中所遇到的問題以及解決的方法，主要如下:
　　分析現(xiàn)有有限元軟件的不足，即無法對地震波積分產(chǎn)生的零線漂移現(xiàn)象進行修正以及在建立線—橋結(jié)構(gòu)模型時建模的繁雜性，以解決這些不足之處為目的編制了地震

5、—線—橋耦合動力分析程序，在程序中完全分離軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)，使其在各自的建模過程中完全不需要考慮連接問題，而由程序采用插值算法進行連接計算。
　　程序采用有限單元法建立軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的動力學方程。其中鋼軌采用梁單元進行模擬?？紤]到橋梁結(jié)構(gòu)的復雜性和多變性，采用梁單元、板殼單元兩種單元類型對橋梁結(jié)構(gòu)進行模擬，并能考慮集中彈簧、集中阻尼、集中質(zhì)量、主從節(jié)點以及梁單元軸力的影響。
　　以絕對坐標系為參考系，程序分別建立軌道結(jié)

6、構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的動力學方程，考慮行波效應，讀入地震波的加速度、速度和位移時程，并通過插值計算線—橋耦合作用力，通過迭代使得線—橋耦合作用力同時滿足軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)之間力的平衡條件和變形邊界條件，最后分別輸出軌道和橋梁結(jié)構(gòu)的響應。為了完成線—橋耦合作用力的插值計算，程序內(nèi)置了剛臂單元、軌下彈簧—阻尼單元，并采用了三次樣條曲線插值算法和等效節(jié)點力分配算法。
　　在分離軌道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)之后，如將鋼軌視為僅在兩端簡支的梁而將軌下彈簧—阻

7、尼力作為主動力輸入計算，則在鋼軌長度增大到某個數(shù)值之后出現(xiàn)線—橋耦合作用力迭代計算發(fā)散的問題。通過對計算數(shù)據(jù)分析，采用單自由度體系為例進行說明，分析了迭代發(fā)散的原因。迭代發(fā)散的原因是由于僅有兩端簡支的鋼軌長度的增加造成鋼軌的剛度大幅度下降，當鋼軌在扣件處節(jié)點的剛度下降到比對應的軌下彈簧的剛度小時，則將軌下彈簧力作為主動力輸入會得到一個更大的節(jié)點位移，而更大的節(jié)點位移會在下一迭代步中計算得到更大的彈簧力，重復迭代過程則計算結(jié)果迅速發(fā)散。為

8、了解決鋼軌長度增加造成的線—橋耦合作用力發(fā)散問題，程序?qū)撥壱暈樵诿總€扣件處有彈簧—阻尼支座的多點支承連續(xù)梁，將扣件處的橋面響應作為支座激勵輸入，通過分析以及算例驗證表明，可以有效解決迭代發(fā)散的問題。
　　為了對自編程序的準確性進行驗證，采用有限元軟件Midas Civil的計算結(jié)果與自編程序的計算結(jié)果進行驗證。同時采用多個算例對自編程序插值計算的精度進行評估。最后給出了目前常用的解決地震波零線漂移的方法。
　　第4章:采用

9、自編程序?qū)こ虒嵗M行多個工況下的分析計算，對比行波與非行波、不同剪切波速、單向與多向地震和不同墩高等多個因素對地震—線—橋結(jié)構(gòu)動力響應的影響，并得出結(jié)論。
　　第5章:總結(jié)本研究的工作，提出已經(jīng)解決的問題，指出不足和尚未解決的問題，并對日后的繼續(xù)研究方向提出建議。
　　本文以京滬高速鐵路上一座典型的多跨簡支梁橋以及橋上無砟軌道為分析對象，計算多種工況下線—橋結(jié)構(gòu)的地震響應，得出以下結(jié)論:
　　(1)三向一致振動地震波

10、作用下，各時刻鋼軌的橫向位移以平移為主，此時鋼軌的變形主要由橋墩、梁和鋼軌自身的變形組成，鋼軌的位移數(shù)值較大但自身變形較小。各時刻鋼軌的垂向位移整體呈現(xiàn)平移但梁縫鄰近處的鋼軌位移出現(xiàn)突變，這是由于縱向地震波引起的墩頂轉(zhuǎn)角θy所致。因此梁端處鋼軌錯位表現(xiàn)為有規(guī)律的正反向交替，各跨梁體的傾斜方向隨著時間來回改變，通過對比雙向地震波的計算結(jié)果可以驗證產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因。因此在進行結(jié)構(gòu)的地震響應分析時，縱向地震波的影響很大。
　　(2)不同

11、剪切波速行波作用時，鋼軌最大橫向位移和垂向位移與三向一致振動地震波作用的計算結(jié)果比較接近。每一跨內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的時程曲線與一致振動的計算結(jié)果除了相位差之外沒有太大變化，行波作用對于單跨簡支梁橋及上部軌道結(jié)構(gòu)的影響很小。
　　(3)行波作用下全橋鋼軌的橫向位移和豎向位移曲線均有明顯的彎曲，鋼軌的橫向位移為一條光滑的曲線，垂向位移整體為曲線且在每跨的鄰近梁縫附近有錯位變形，各時刻橫向位移和豎向位移曲線均隨著剪切波速提高曲線趨近于

12、光滑。鋼軌各時刻橫向變形主要由支座橫向位移引起的結(jié)構(gòu)變形組成，結(jié)構(gòu)自身的振動變形占的比例很小。而鋼軌的垂向變形則主要由豎向支座位移和結(jié)構(gòu)振動變形組成，由豎向支座位移引起的結(jié)構(gòu)變形和縱向地震引起的梁端錯位變形組成，結(jié)構(gòu)自身的振動變形占的比例也很小。由于縱向地震波的行波效應使得各時刻鋼軌在梁端的錯位出現(xiàn)沿縱向來回交替的現(xiàn)象。
　　(4)多跨簡支梁橋墩高變化對鋼軌橫向位移曲線的影響很小，這是由于地面橫向位移引起的結(jié)構(gòu)位移較大所造成。而墩