尤慶忠，張遠榮

(1.廈深鐵路廣東有限公司，深圳 518031;2.中國鐵道科學研究院 深圳研究設計院，深圳 518034)

廈深鐵路五嘉隴特大橋在汕揭高速K24+150.36附近跨越在建汕揭高速公路，鐵路與公路斜交，鐵路在跨越高速公路處采用(52+88+52)m預應力混凝土連續(xù)梁，矩形橋墩，群樁基礎。

橋址處于Ⅷ度地震區(qū)，地震動峰值加速度為0.20 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s?？缭礁咚俟诽幍鼗韺訛榧s4 m厚粉質(zhì)黏土，下為約10 m厚淤泥質(zhì)細砂和厚度超過20 m的黏土。五嘉隴特大橋跨越的汕揭高速公路路基下臥層有可液化的細砂，設計處理方式為擠密砂樁與CFG樁，公路部門認為高速鐵路行車振動可能引起路基基底產(chǎn)生液化問題。本文擬用數(shù)值計算方法對橋梁行車振動對地基土的響應進行分析。

1 橋梁行車振動分析

考慮列車—線路—結構間的共同作用，分別建立列車、橋梁的空間振動分析模型，采用計算機模擬分析方法，對廈深線五嘉隴雙線特大橋進行車線橋耦合動力響應分析。

1.1 車橋動力分析模型

1.1.1 橋梁模型

應用MSC.PATRAN按實際尺寸建立橋梁的三維有限元模型?；炷林髁?、橋墩均采用梁單元，墩梁間支座采用主從約束方程處理。該模型總共254個節(jié)點，232個單元。模型如圖1所示。

1.1.2 列車模型

列車模型是由多節(jié)機車和車輛組成的，每節(jié)車輛(機車)都是由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對、彈簧和阻尼器組成的多自由度空間振動系統(tǒng)。在分析過程中，對車輛模型做如下假定:

圖1 整橋有限元軸視模型

1)不考慮車體、轉(zhuǎn)向架和輪對的彈性變形，即將車體、轉(zhuǎn)向架和輪對均視為剛體;

2)輪對和車體沿線路方向做等速運動，不考慮縱向動力作用的影響;

3)機車和車輛均為兩系懸掛系統(tǒng)，車輛系統(tǒng)的阻尼均簡化為黏滯阻尼器;

4)車體關于質(zhì)心左右對稱和前后對稱;5)車輪與鋼軌允許脫離，即車輪可以懸空。

1.2 車橋空間耦合振動分析模型

運用車輛動力學與橋梁結構動力學的研究方法，將車輛與橋梁看作一個聯(lián)合動力體系，以輪軌接觸處為界面，分別建立橋梁與車輛運動方程，兩者之間通過輪軌的幾何相容條件和相互作用力平衡條件來聯(lián)系。通過分別求解車輛、橋梁的運動方程，用迭代過程來滿足輪軌幾何相容條件和相互作用力平衡條件。

車輛輪對在豎直方向的力為輪對軸重加上輪對慣性力，以及通過與輪對連接的豎向彈簧和阻尼器傳遞的彈簧力和阻尼力，輪軌間采用赫茲接觸理論;而在橫向和縱向，則由于輪對在鋼軌上存在著蠕滑，輪軌作用力與蠕滑力有關，ADAMS/Rail的蠕滑力計算以Kalker接觸蠕滑理論為基礎。

1.3 軌道不平順

本次檢算針對列車類型采用了三種軌道不平順樣本，分別為美國五級譜、美國六級譜和德國低干擾譜。其中美國五級譜允許客車速度達到144 km/h，美國六級譜適應的客車速度達到176 km/h，德國低干擾譜轉(zhuǎn)換的時域不平順樣本作為高速列車(動車組)線路的激勵。

1.4 計算工況

計算工況如表1所示。

表1 計算工況

1.5 自振頻率

橋梁第一階橫向自振頻率1.143 Hz(對稱橫彎)，第一階豎向自振頻率是1.611 Hz(對稱豎彎)。

1.6 車橋振動響應分析結果

1)橋梁振動加速度響應

53號墩承臺底最大橫向加速度0.090 m/s2;最大縱向加速度0.046 m/s2;最大豎向加速度0.116 m/s2。

54號墩承臺底最大橫向加速度0.084 m/s2;最大縱向加速度0.032 m/s2;最大豎向加速度0.103 m/s2。

最大振動加速度遠小于橋址的地震動峰值加速度。

2)橋梁動位移響應

53號墩承臺底最大橫向動位移0.540 mm;最大縱向動位移0.165 mm;最大豎向動位移0.087 mm。

54號墩承臺底最大橫向動位移0.454 mm;最大縱向動位移0.162 mm;最大豎向動位移0.094 mm。

橋梁振動位移是非常微小的。

2 橋梁振動對公路地基的影響

2.1 橋梁橫向水平振動對液化土地基的影響

圖2為由橋梁橫向水平振動產(chǎn)生的高速公路地基動應力分布圖。由圖2可知，最大動應力發(fā)生在橋梁墩臺與基地土接觸面上，為3 676 Pa。分布形狀類似橢圓形，最大長度約為17 m，最大寬度約15 m。

2.2 橋梁縱向水平振動對液化土地基的影響

圖3為由橋梁縱向水平振動產(chǎn)生的高速公路地基動應力分布圖。由圖3可知，最大動應力發(fā)生在橋梁墩臺與基地土接觸面上，為5 428 Pa，分布形狀類似橢圓形，最大長度約為19 m，最大寬度約17 m。

圖2 橋梁橫向振動引起的高速公路地基動應力(單位:Pa)

圖3 橋梁縱向振動引起的高速公路地基動應力(單位:Pa)

2.3 橋梁豎向振動對液化土地基的影響

計算得到的地基動應力如圖4，動應力最大值為344 Pa，分布范圍豎向最大約為18 m，橫向最大約為16 m。

圖4 承臺豎向振動引起的底部地基動應力(單位:Pa)

3 橋梁振動引起地基液化的可能性分析

液化土地基的液化可能性以及抗震加固措施與設計地震動荷載(加速度幅值、頻譜、持時)以及在土體中產(chǎn)生的動應力大小有直接關系。

3.1 從淤泥質(zhì)細砂的抗液化強度方面考慮

若細砂所受動剪應力小于其抗液化強度，則可判定細砂不會液化。淤泥質(zhì)細砂的液化強度需通過振動三軸試驗確定，目前缺乏這方面的試驗資料。根據(jù)經(jīng)驗，細砂的液化強度一般為其靜強度的60% ～70%。根據(jù)地質(zhì)資料，淤泥質(zhì)細砂層厚約12 m，且上覆2 m厚粉質(zhì)黏土，其抗剪強度約為24～150 kPa，因此其抗液化強度約為15～90 kPa。

由橋梁振動引起的高速公路液化土層(淤泥質(zhì)細砂)動應力橫向最大值為3.676 kPa、縱向最大值為5.428 kPa、豎向最大值為0.344 kPa，小于加固后其液化強度，因此不會發(fā)生液化現(xiàn)象。

3.2 從橋梁振動荷載與地震動荷載的對比考慮

動荷載強度直接影響到飽和細砂層的孔壓比大小，進而影響到液化發(fā)生的可能性。該工點的地震動峰值加速度為0.2 g，根據(jù)汕揭高速公路的設計情況，對該處地基的原處理措施為擠密砂樁與CFG樁，加固后的地基在地震作用下能夠防止液化現(xiàn)象的發(fā)生。

以53號墩為例，列車通過時，液化土層范圍內(nèi)橋梁墩臺與基樁的水平加速度范圍為0.013～0.090 m/s2，豎向振動加速度范圍為0.043～0.116 m/s2，地基所受振動加速度遠小于該場地的設計地震峰值加速度2 m/s2，單列車通過時橋墩振動持時一般小于20～30 s。地震動荷載與橋梁振動荷載的頻率特征雖有所差異(圖5、圖6)，但據(jù)前人的工作經(jīng)驗，動荷載的頻率并非是影響砂土液化的主要因素。

圖5 典型地震加速度時程曲線

圖6 橋梁樁基承臺振動典型加速度時程曲線

4 結論及建議

1)橋梁動力分析表明，53號、54號橋墩(跨汕揭高速公路橋墩)橫向、縱向、豎向最大動位移分別為0.540 mm，0.165 mm，0.094 mm，橫向、縱向、豎向最大加速度分別為 0.090 m/s2，0.046 m/s2，0.116 m/s2。

2)橋梁墩臺基礎水平振動引起的地基動應力分布形狀類似橢圓形，橫向最大長度約為17 m，最大寬度約15 m，縱向最大長度為19 m，最大寬度約17 m，振動影響范圍有限。

3)由橋梁振動引起的高速公路液化土層(淤泥質(zhì)細砂)動應力橫向最大值為3.676 kPa，縱向最大值為5.428 kPa，豎向最大值為0.344 kPa，小于加固后的細砂液化強度，不會發(fā)生液化現(xiàn)象。

4)由橋梁振動引起的地基振動加速度，遠小于場地地震動峰值加速度(2 m/s2)。因此該高速公路液化土地基在橋梁行車振動條件下，地基是不會液化的。

5)為進一步降低橋梁振動對高速公路地基的影響，以及公路填方引起地基土對橋梁墩臺側向擠壓，建議在兩墩臺靠近公路填方一側設置隔離剛性樁。樁徑1.0 m，樁距3.5 m。

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