鐵路大沙坪特大橋接觸網(wǎng)硬橫梁振動(dòng)影響分析

趙施林 張一平

摘要：以新建鐵路蘭州至重慶線蘭州樞紐段大沙坪特大橋接觸網(wǎng)為背景，對(duì)接觸網(wǎng)硬橫梁的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。借助MIDAS-civil有限元軟件，建立橋一接觸網(wǎng)體系計(jì)算模型，針對(duì)接觸網(wǎng)硬橫梁在原設(shè)計(jì)和加固后兩種情況下的應(yīng)力和位移進(jìn)行了計(jì)算和分析：發(fā)現(xiàn)硬橫梁在原設(shè)計(jì)條件下的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移均較大，而加固后的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)位移較原始條件下降近1/3，證明加固方案有效可行。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng);振動(dòng);有限元

中圖分類(lèi)號(hào)：U238 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

在列車(chē)動(dòng)荷載作用下，接觸網(wǎng)硬橫梁的振動(dòng)一直是困擾鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)部門(mén)的棘手問(wèn)題之一。許多學(xué)者針對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題做了大量研究：王國(guó)梁等利用ANSYS軟件，針對(duì)廣州地鐵二號(hào)線接觸網(wǎng)剛性懸掛的靜動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算和分析，表明端頭懸臂和跨距直接影響接觸網(wǎng)剛性懸掛;馮自進(jìn)等通過(guò)建立接觸網(wǎng)的模型運(yùn)動(dòng)微分方程，利用WKB法對(duì)微分方程進(jìn)行求解，研究了接觸線在受電弓的移動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性;陳立明借助ANSYS有限元分析軟件，針對(duì)高速鐵路彈性鏈型懸掛接觸網(wǎng)，研究其在受電弓動(dòng)荷載作用下整體吊弦的動(dòng)力特性;劉曦洋針對(duì)斷裂吊弦進(jìn)行失效分析，并通過(guò)試驗(yàn)研究，認(rèn)為彎曲微動(dòng)疲勞是引起吊弦斷裂破壞的主因之一;孫娟通過(guò)推導(dǎo)接觸網(wǎng)的吊弦應(yīng)力方程，并通過(guò)編寫(xiě)MATLAB程序，研究了動(dòng)載荷作用下接觸網(wǎng)吊弦的應(yīng)力特性，結(jié)果表明動(dòng)荷載作用位置以及接觸線的張力大小均對(duì)吊弦應(yīng)力有較大影響。

本論述首先分析接觸網(wǎng)硬橫梁列車(chē)動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)機(jī)理，通過(guò)數(shù)值模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果提出合理的加固和應(yīng)對(duì)方案措施。工程實(shí)踐證明，通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)硬橫梁加固，改善了列車(chē)在不同時(shí)速運(yùn)行情況下接觸網(wǎng)硬橫梁的振動(dòng)特性，為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1工程概況

1.1大沙坪特大橋概況

大沙坪特大橋位于新建鐵路蘭州至重慶線蘭州樞紐段，上部結(jié)構(gòu)為（40+64+40）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁梁橋，下跨G109國(guó)道，為雙幅橋梁，兩幅橋梁的上部結(jié)構(gòu)完全相同，左、右幅橋均為雙線橋，I、Ⅱ線（左幅橋）線間距為5.3m，Ⅲ、Ⅳ線（右幅橋）線間距為5.0-5.22m，連續(xù)梁按直線設(shè)計(jì)，左、右幅連續(xù)梁梁體為單箱單室變高度直腹板箱型截面，連續(xù)梁主墩墩頂處梁高為5.2m，中跨跨中及邊跨直線段梁高為3.0m，梁底曲線為二次拋物線，箱梁頂寬11.5m，底寬6.5m。支座采用TPZ盆式橡膠支座，為保證梁上部結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的安全性，在橋墩墩頂及對(duì)應(yīng)梁底處設(shè)置防落梁措施。

1.2線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1所列。

1.3接觸網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）懸掛類(lèi)型：全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈形懸掛。

隧外接觸導(dǎo)線懸掛點(diǎn)高度：6450mm，隧道口出逐步降為6350mm;隧外結(jié)構(gòu)高度：1400mm。

正線：JTM95+CTAHl20;張力：15kN+15kN。

站線：JTMH70+CTAH85;張力：15kN+8.5kN。

回流線：LBGLJ-185，最大張力不小于12kN。

架空地線：LBGLJ-70，最大張力不小于7kN。

供電線：2xLBGLJ-240，單支最大張力不小于12kN。牽引所出線處雙支總張力不大于5kN。

（2）供電方式：帶回流線的直接供電方式。

（3）接地方式：成排混凝土支柱通過(guò)回流線集中接地，成排鋼柱通過(guò)架空地線實(shí)現(xiàn)接地、獨(dú)立支柱單獨(dú)打接地極接地。

1.4接觸網(wǎng)振動(dòng)問(wèn)題

大沙坪特大橋（40+64+40）m左、右幅連續(xù)梁共用橋墩與基礎(chǔ)，故連續(xù)梁段橋梁頂部橫向向外伸展施作一平臺(tái)，接觸網(wǎng)立柱即固定在此平臺(tái)上，連續(xù)梁段接觸網(wǎng)振動(dòng)影響范圍里程編號(hào)為HDK40+475.08-HDK40+585.043，共涉及5組接觸網(wǎng)（編號(hào)14-21、16-23、18-25、20-27、22-29，橫向跨度均為15.5m，其中18-25接觸網(wǎng)圖如圖1所示）。在列車(chē)動(dòng)荷載作用下，由于橋梁振動(dòng)和接觸網(wǎng)自身振動(dòng)的疊加，使以上5組接觸網(wǎng)在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生較大的振動(dòng)，造成接觸網(wǎng)橫梁的連接螺栓由于疲勞而產(chǎn)生破壞，對(duì)列車(chē)的安全運(yùn)行帶來(lái)極大的威脅。

2列車(chē)荷載的模擬

3數(shù)值模擬分析

根據(jù)大沙坪特大橋與接觸網(wǎng)之間的關(guān)系，借助MI-DAS-civil大型有限元計(jì)算軟件，建立大沙坪特大橋與接觸網(wǎng)有限元計(jì)算模型（如圖3所示）。

3.1未加固接觸網(wǎng)硬橫梁動(dòng)力分析

根據(jù)現(xiàn)有接觸網(wǎng)的狀態(tài)，模擬分析不同時(shí)速（45km/h，60km/h，75km/h，90km/h，105krrdh，120km/h）下未加固橫梁的應(yīng)力及位移，以時(shí)速75km/h為例，接觸網(wǎng)硬橫梁的應(yīng)力和位移云圖如圖4所示。不同時(shí)速時(shí)的最大應(yīng)力和位移曲線如圖5和圖6所示。

3.2加固后接觸網(wǎng)硬橫梁動(dòng)力分析

對(duì)接觸網(wǎng)硬橫梁加固后（見(jiàn)圖7），計(jì)算的加固后每種時(shí)速（45km/h，60km/h，75km/h，90km/h，105km/h，120krrdh）下橫梁的應(yīng)力和位移。以時(shí)速75km/h為例，接觸網(wǎng)硬橫梁的應(yīng)力和位移云圖如圖8所示。不同時(shí)速時(shí)的最大應(yīng)力和位移曲線如圖9、圖10所示。

由圖4～圖7可以看出：接觸網(wǎng)硬橫梁在原始設(shè)計(jì)條件下，在列車(chē)時(shí)速為90km/h，接觸網(wǎng)硬橫梁上應(yīng)力和位移均為最大，達(dá)到了93.48MPa和26.51mm，說(shuō)明時(shí)速為90km/h時(shí)列車(chē)的振動(dòng)頻率與接觸網(wǎng)的固有頻率接近;其余時(shí)速條件下均較小，45km/h條件的應(yīng)力和位移值最小，分別為60.65MPa和16.87mm。

由圖8～圖10可以看出：接觸網(wǎng)硬橫梁在加固后的最大應(yīng)力和位移值均有較大幅度的降低，在列車(chē)時(shí)速為90km/h，接觸網(wǎng)硬橫梁上應(yīng)力和位移值分別為69.15MPa和18.4mm，減小幅度分別為26%和30.6%，加固效果比較明顯。

4結(jié)論

電氣化鐵路接觸網(wǎng)的安全對(duì)鐵路的安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，接觸網(wǎng)的振動(dòng)問(wèn)題一直是研究的熱點(diǎn)，從大沙坪特大橋接觸網(wǎng)硬橫梁的振動(dòng)分析來(lái)看，接觸網(wǎng)在原始設(shè)計(jì)中存在薄弱環(huán)節(jié)，在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中由于動(dòng)荷載的作用，使接觸網(wǎng)硬橫梁長(zhǎng)期產(chǎn)生振動(dòng)，由于長(zhǎng)期的微動(dòng)摩擦，使得硬橫梁連接處的螺栓由于微動(dòng)摩擦而產(chǎn)生疲勞破壞，影響到列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)。根據(jù)硬橫梁的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了硬橫梁的加固方案，通過(guò)計(jì)算分析，硬橫梁上產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力和位移均有明顯下降，下降峰值近1/3，說(shuō)明加固方案切實(shí)可行，可以減小列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)硬橫梁的振動(dòng)破壞，列車(chē)運(yùn)營(yíng)的安全性有較大提高。