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

In China, non-ballasted track is the most widely used type in the track system of high-speed railway bridges, the rigidity of which is obviously higher than that ballasted track. The bearings, piers, foundation, and track of bridges could damage and get into plastic working state in different sequence order under seismic action, making seismic reaction of each component different from the others obviously, and the coupling of seismic effects within the spans of bridges quite remarkable. The topic intents to carry out the research of seismic performance and design method for high-speed railway bridges based on track-bridge integrated model under seismic action on the basis of the shaking table test research and theory analysis. Firstly, the interaction mechanism between the non-ballasted and substructure of bridges is studied through building of the integrated model of bridge and track; the shaking table test is conducted simultaneously, verifying the rationality of the model built. Secondly, the failure mode and seismic performance of high-speed railway bridges with the track-bridge integrated model is studied; the performance-based seismic design method for high-speed railway bridges is proposed. Finally, a rational seismic system that takes the bearings as "seismic fuses" is proposed for keeping the damage of substructure under control; the influence of the restraint effect of non-ballasted track on the seismic reaction of the substructure is studied after the damage of bearings, and an optimum design method is proposed for the substructure after the damage of bearings.

我国高速铁路桥梁轨道系统大多采用无砟轨道，其刚度明显高于有碴轨道。在地震作用下，支座、桥墩、基础及轨道都有可能发生损伤以不同的次序进入塑性工作状态，从而使各部件的地震反应明显不同，各跨之间的地震效应耦合显著。本课题拟在振动台试验研究及理论分析基础上，开展地震下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。首先，通过线桥一体化模型的建立，研究无砟轨道与桥梁下部结构的相互作用机理；同时进行振动台试验，验证所建模型的合理性。其次，采用线桥一体化模型研究高速铁路桥梁的破坏机理及抗震性能，在此基础上，提出高速铁路桥梁基于性能的抗震设计方法。最后，提出将支座作为"抗震保险丝"，使下部结构损伤可控的合理抗震体系；研究支座破坏后无砟轨道的约束作用对下部结构地震反应的影响，提出支座破坏后下部结构的优化设计方法。

我国高速铁路桥梁大多处于高烈度地震区，轨道系统广泛采用无砟轨道，其纵向刚度较大，导致桥梁各跨之间的地震效应耦合显著。本项目综合考虑轨道系统、支座、墩身等的线桥一体化计算模型的建立方法，并研究基于一体化模型的抗震性能及设计方法，主要研究内容及结论如下：.（1）针对结构受力特点，提出了地震作用下无砟轨道计算模型建立的基本原则，提出了多遇及罕遇地震作用下线桥一体化抗震计算模型，总结了无砟轨道系统对梁桥地震反应的影响规律。 .（2）设计并制作1：20缩尺模型进行振动台试验，研究了32m无砟轨道简支梁桥的抗震性能。结果表明:轨道约束下位移与加速度反应均相对减小，固定墩墩底弯矩及钢筋应力反应均减小；轨道约束改善了墩底的受力状态，对桥墩的抗震有利。.（3）建议了无砟轨道桥梁地震设防水准，划分并定义了其抗震性能水准，制定了各级地震下的抗震设防目标及最低性能要求。对重力式桥墩损伤状态进行明确定义，提出了把墩顶位移延性比作为其抗震性能指标。.（4）多遇地震下，地震反应可采用线性时程分析法或反应谱法。对于配筋率0.1%～0.5%的重力式混凝土桥墩，强度按容许应力法验算。罕遇地震下，应采用非线性时程反应分析方法，对于配筋率大于0.5%的钢筋混凝土桥墩，采用位移延性系数作为验算指标；配筋率在0.1~0.5%之间的桥墩进行延性抗震设计时，其延性系数应按线性折减。.（5）以CRTSⅡ型无砟轨道简支梁桥等典型的桥梁为例，进行了罕遇地震下建模，分析支座损伤状态对桥梁地震反应的影响，得出支座在各种工作状态下的墩底截面内力及墩顶位移的变化规律。结果表明：当支座的水平抗力分别取其竖向承载力的20%与30%时，支座与墩身可能分别成为结构的抗震薄弱部位。.（6）采用IDA对一典型双块式无砟轨道连续梁桥进行了地震易损性分析。得出轨道约束下各个方向的自振周期均有所减小。强震作用下，轨道约束有效地降低了桥墩发生破坏的概率。同一地震作用下，配筋率愈大，发生同等级破坏的概率愈小。.（7）针对现行的《铁路工程抗震设计规范》，建议增加：考虑无砟轨道系统影响的线桥一体化计算模型，少筋混凝土重力式桥墩多遇地震下的验算方法及罕遇地震下的有限延性设计方法。.本项目的研究成果为高速铁路桥梁的抗震设计及《铁路工程抗震设计规范》的修订提供依据。对于提高我国高速铁路桥梁抗震设计水平、减少地震损失、确保震后交通畅通具有重大的理论与实际意义。