青藏高原地区铁路桥梁动力响应的时程分析法

青藏高原地区铁路桥梁动力响应的时程分析法

清朝西藏铁路的拉一条长546.41公里的常年冷冻区穿越了世界气温的上升背景。在世界气温不断上升的背景下，其对多年制冻土区路桥设计的稳定性是否能够避免和缓解，取决于施工热扰动和列车振动的影响，保证铁路的安全运行，是清代建设与维护行业的中心主题。随着青藏铁路的开通和运营，每天重复多次。不同形式市政车辆的动态稳定性，尤其是动态动力稳定性，已成为铁路运营后必须研究的主题。青藏铁路采取了不同结构的路基形式来确保冻土路基的稳定性.其中,采用块石路基结构形式是应用最为广泛的典型冷却路基工程措施.早期的国内外实测资料表明,块石路基具有降低地温的效果.现场的地温观测和变形监测均表明,块石路基能够起到保护冻土路基稳定性的作用.为了研究不同季节路基振动荷载的传递特征,把握块石路基的动力响应特性,评价列车振动荷载对路基内部及其下部多年冻土层稳定性的影响,分别于2008～2010年的寒季和暖季,对青藏铁路北麓河段的块石路基和素土路基进行了列车通过实时对比振动监测,并运用动力有限元方法进行了动力响应分析.1块石路基dk1142+400青藏铁路北麓河段位于青藏高原可可西里与风火山之间,属北麓河冲、洪积高平原地貌,海拔高程为4.62～4.64km.试验段内沉积地层主要为上第3系湖相沉积以及第6系全新统冲洪积层,岩性以泥岩、砂岩、黏土及粉砂为主.该段为厚层地下冰地段,地下冰分布较为广泛.天然冻土上限为-1.5～-2.0m,年平均地温为-1.41～-1.68°C.试验段近期年平均气温为-3.8°C.振动测试的块石路基(DK1142+700断面)结构形式为底部水平层状块石和路基边坡倾斜层状块石护坡的复合结构,其块石粒径约为30～40cm,两边护道,中间为填土(见图1(a)).素土路基(DK1142+480断面)阴坡的护坡为铁路运营后补强厚1.0m的块石护坡,其他为填土(见图1(b)).2青藏铁路不同结构路基振动特征青藏铁路的实时振动测试是利用强震动观测手段监测铁路路基的振动传递过程,以把握不同结构路基的机车振动加速度传递规律,对于了解路基结构的振动性能,进而研究机车动荷载对青藏铁路多年冻土区路基变形的影响规律十分重要.为分析不同季节铁路路基的振动特征,分别于2008年11月及2009年7月对青藏铁路不同结构路基形式(DK1142+700断面和DK1142+480断面)进行了强震动测试.测试点分别布设在右路肩和左、右坡脚位置(左侧为阳坡,右侧为阴坡).测试仪器使用美国产ETNA型强震加速度计.检波器为水平2方向CH1、CH2及上下方向CH3(垂直路基平面).观测选取的触发加速度为0.98cm/s2,采样间隔为5ms,记录长度为激震前后各20s.3强振动试验的结果3.1动载传递衰减效应图2分别为在寒季和暖季机车通过块石路基和素土路基测试断面时,路肩和坡脚处采集到的CH3方向加速度时程.可见,虽然各观测数据振源特征不同,然而,从路肩到坡脚的所有观测结果均呈现出明显的动载传递衰减效应,以及路肩和坡脚处的明显相位差异.比较同一断面不同季节的观测结果可以看出,暖季动载传递的衰减率大于寒季,这是由于寒、暖季青藏高原路基上部土体刚度变化所致.在寒季,由于路基上部土体冻结,结构刚度大,传递速度快,故衰减效应小.3.2不同频率函数的点波关系在现场观测数据中,因传感器的灵敏度等原因,使得加速度记录出现一定的随机性,可用频谱或者加速度能量谱特征来评价振动响应的传递特征.加速度能量谱指加速度能量在各频率点的分布,加速度能量谱函数G(ω)和频谱函数f(jω)的关系为G(ω)=|f(jω)|2(1)G(ω)=|f(jω)|2(1)图3分别为在寒季和暖季机车通过块石路基和素土路基测试断面时,路肩、坡脚处采集到的CH3方向加速度的能量谱分布.可以看出:虽然各观测断面的振源特征不同;然而,从路肩到坡脚的加速度能量谱均出现1%～10%的显著衰减.比较同一断面不同季节的观测结果,暖季时,加速度能量谱从路肩到坡脚衰减到1%以下,寒季时,加速度能量谱从路肩到坡脚衰减到10%.素土路基材料单一,能量谱的频率变化不大,而块石路基由于具有层状分布的特征,随着路基的传递,其加速度能量谱的频率特征发生了较为明显的变化.4车轮结构的动力响应分析采用二维等价线性时程响应动分析法对青藏铁路块石路基和素土路基进行动力响应数值模拟,分析2种路基结构的动荷载传递特性和位移响应特性.4.1研究对象及边界条件首先,采用SHAKE程序计算考虑土体非线性时,自由场土体的动力响应特征.在二维有限元动分析中,土体材料采用一维土体最大应变时的动剪切模量和阻尼比,块石材料采用线弹性模型.根据试验区的现场钻孔资料建立有限元模型,路基底部土层设定为冻结状态,分析模型见图4.土层分布按照该区工程地质条件划分,测试区各土层的力学性能参数见表1.地基设定为平面应变单元(等价线性),边界条件为侧向人工边界和底部固定边界.计算中,首先进行自重计算,将得到的应力作为初始应力条件,路肩处施加垂直方向的机车动荷载而进行动力响应的数值计算.所施加的荷载为机车通过时路肩处采集的CH3方向强震动加速度时程(见图5中路肩记录数据).4.2块石路基、素土路基内不同深度处的加速度时程图5为数值计算所得素土路基、块石路基模型在路肩、坡脚不同位置处的加速度时程曲线.可以看出,其结果与强震动观测结果相同,从路肩到坡脚,2种路基结构均呈现出衰减效应.在相同振源特征的情况下,阴、阳坡脚的振动响应不同,素土路基最大衰减了85%,块石路基最大衰减了90%,可以认为在相同振源的作用下,块石路基的衰减效应大于素土路基.图6所示为素土路基、块石路基模型在路基内部不同深度处的加速度时程曲线(观测点的位置见图4).可以看出:对于素土路基,由于路基边坡的反射,从路肩到路基内部的列车动荷载传递在路基土体上部的衰减并不明显,路基中心原天然地表处的振动加速度幅值大于坡脚处,通过地表后下部土体的振动衰减明显;对于块石结构路基,由于路基结构呈现出明显的层状分布特征,列车动载荷的传递特征与素土路基有所不同,块石层上部土体内振动增大,通过块石层后,振动荷载的加速度幅值迅速衰减.图7为2种结构路基最大加速度能量谱沿路基高度方向的分布情况.可以看出:在天然地表1.5m以上的路基土体中心位置,块石路基的能量谱大于素土路基;然而,能量谱传递经过块石层后,块石层下部土体中心处的能量谱远小于素土路基相应深度处土体的能量谱,这说明列车振动荷载的传递与不同路基结构形式有关,在路基中心,块石路基到达天然地表时的衰减效应大于素土路基.4.3结构路基最大振动沉降量与路基高度方向分布关系图8所示为素土路基、块石路基模型在路基内部不同深度处的沉降量时程曲线.图9所示为2种结构路基最大振动沉降量沿路基高度方向的分布情况.可见:素土路基与块石路基的最大沉降量均发生在路基上部土体,最大位移分别为18及20μm;对于振动沉降量的控制,块石路基的效果优于素土路基.5块石结构路基的振动传递特征(1)从路肩到坡脚,机车振动荷载的传递呈现出现明显的衰减效应,且其暖季衰减效应大于寒季.(2)素土路基能量谱的频率变化不大,而块石路基则相反.(3)在列车动荷载从路肩到路基内部传递的过程中,由于素土路基边坡的反射,在素土路基内部未见明显衰减,通过原天然地