横向地震作用下高速铁路轨道几何形变机理与地震诱发轨道不平顺研究

本刊推荐：该研究系统阐明了横向地震作用下高速铁路轨桥系统的地震损伤演化特征，首次量化了桥梁结构损伤向轨道几何形变（Track Irregularity）的传递机制，建立了墩顶位移、固定支座变形与箱梁错位（Girder Misalignment）的映射关系，提出了地震诱发轨道线形不平顺（Ground Motion-generated Track Alignment Irregularity）的构建方法，为高速铁路桥震后行车速度阈值评估提供了重要理论依据。

　　

Highlight

Numerical simulation modeling

III型模块化板式无砟轨道系统（III-type modular slab ballastless track）的力传递界面由钢轨和弹性扣件系统构成，过渡结构包含轨道板、自密实混凝土填充层和土工布隔离层，下部基础为钢筋混凝土底座板。底座板通过预埋套筒灌浆钢筋与梁面锚固，形成双向预应力连接体系。

Deterioration mechanism of track irregularity under lateral earthquakes

数值模拟模型设5跨，桥墩高度分别为14米和10米。选用El Centro Array（地震1）和Ferndale City Hall（地震2）作为激励，峰值地面加速度设为0.4g。非线性时程分析表明：墩顶位移幅值显著小于固定支座变形，桥墩与支座变形对箱梁振动的贡献分别为主次。钢轨与箱梁间无显著相对位移，但箱梁横向错位将导致钢轨弯曲。地震诱发轨道线形不平顺由梁缝区（Girder Gap Zones）和梁面区（Girder Deck Zones）交替组成，梁缝区轨道不平顺斜率较大，梁面区较小。首次严重轮轨碰撞（Wheel-Rail Collision）发生于梁缝区后，列车在梁面区运行期间横向振动迅速衰减，且相邻梁缝区轮轨碰撞引发的列车响应相互独立、不可叠加。

Target ground motion-generated track alignment irregularity

轨道线形退化机制表明，地震诱发轨道线形几何不平顺由波长较长、斜率较小的梁面区与波长较短、斜率较大的梁缝区交替构成。基于箱梁横向错位的可能情形，采用四种阶跃函数模式建立目标地震诱发轨道线形几何不平顺的数学模型。

Response spectrum of standard value for girder misalignment

数值模型中桥墩高度随机设置为5-20米之间的整数。模态分析记录一阶横向自振周期T₁，选用50条地震记录作为轨桥系统激励进行非线性时程分析。最大箱梁错位标准值与T₁呈现明显非线性关系，据此可建立标准值响应谱（Response Spectrum），大幅简化高速铁路桥震后行车能力评估与设计流程。

Conclusion

本文分析了横向地震作用下高速铁路轨桥系统的地震响应特性，研究了规则与不规则桥梁的损伤发展机制及轨道几何不平顺退化机理，建立了地震诱发箱梁错位、轨道线形不平顺与震后桥上速度阈值的映射关系，最终提出了目标地震诱发轨道线形不平顺的构建方法。