低凈空跨線橋下承力索下錨硬橫跨的結構設計

楊 康，武 帥

0 引言

近年來，國內部分既有普速鐵路進行了電氣化改造，由于部分既有跨線橋是按照建造時的技術標準修建，跨線橋梁底至鐵路軌頂面間的凈空高度較低，不能滿足接觸網正常通過的要求。接觸網經過這種低凈空跨線橋時，通常需降低結構高度或導高通過。如果跨線橋的凈空過低，接觸懸掛的結構高度和導高降至最小值仍無法正常通過時，需要將承力索在跨線橋的兩側斷開下錨，接觸線以簡單懸掛方式通過橋下。本文結合某項目實際情況，提出一種低凈空跨線橋兩側承力索下錨用特殊硬橫跨結構，并采用ANSYS軟件對其進行力學分析。

1 跨線橋下接觸網通過的凈空分析

目前，普速鐵路接觸網懸掛類型一般采用簡單鏈形懸掛形式，圖1為接觸網通過跨線橋示意圖。

圖1 接觸網通過跨線橋示意圖

跨線橋的凈空高度可按下式計算[1]：

式中：Hk為跨線橋下凈空高度；H為接觸懸掛導高；h為接觸懸掛結構高度；δ為承力索到跨線橋的絕緣距離，一般取0.5 m[2]；f(x)為承力索任一點的弛度，其計算式為

式中：g為承力索單位長度自重負載；l為跨距；Tc為承力索張力；x為承力索上任一點到本跨定位點的距離。

某電氣化鐵路區間線路所處一公路橋跨越正線、聯絡線以及道岔渡線接觸網，橋寬14 m，公路橋與正線夾角65°，橋下凈空高度為6.3 m。接觸網設計參數如表1所示。

表1 接觸網設計參數

查取承力索單位長度質量為0.844 kg/m，并將數據代入式（2）得承力索距離橋體最近處的弛度f(x) = 0.066 m。由式（1）可知，接觸懸掛導高和結構高度均選用最小值時，跨線橋的最小凈空高度為6.734 m。而該跨線橋的實際凈空高度僅為6.3 m，不滿足接觸懸掛以簡單鏈形懸掛形式通過的要求，只能采用承力索在橋兩側斷開下錨，接觸線單線通過的方式。

2 承力索下錨方案

該跨線橋下有正線、聯絡線及渡線3組接觸懸掛通過，接觸網存在交叉懸掛，懸掛方式復雜。為了保證橋下接觸線的弛度，在橋兩側需合理安裝吊弦。在橋兩側分別設置1組硬橫跨，使承力索順線路方向下錨在硬橫梁上，能夠使橋兩側吊弦間距更短。3組接觸懸掛均下錨在橫梁上，為減小橫梁所受荷載，需適當降低承力索張力。

根據實際需求，采用特殊硬橫跨結構，如圖2所示。硬橫跨支柱采用外徑350 mm，壁厚10 mm的圓鋼管柱；橫梁采用外徑250 mm，壁厚12 mm的圓鋼管柱；橫梁上設置3處承錨底座，用于承力索在橫梁上下錨；在下錨相反方向支柱上設置下錨拉線。硬橫跨所有鋼結構件均采用Q235B材質。

圖2 下錨用硬橫跨結構

3 特殊硬橫跨的受力分析

采用有限元分析軟件ANSYS對硬橫跨結構進行受力分析，并對該結構的強度進行校核。

3.1 有限元方法的基本原理

有限元分析（Finite Element Analysis）可將復雜問題轉換為相對比較簡單的問題，然后再進行計算求解。將求解域分解為許多較小的互連子域，這些小的子域稱為有限元。有限元法分析計算的步驟可歸納如下：

（1）將需要進行分析計算的結構離散為由各種有限元組成的計算模型；

（2）采用近似的位移函數建立位移和力的方程式，計算等效節點力；

（3）根據結構的邊界條件和力學平衡理論，將各個單元按原來的結構重新連接，形成整體的有限元方程；

（4）引入邊界條件，求解有限元方程；

（5）計算單元內部應力和應變。

3.2 硬橫跨有限元模型的建立

采用BEAM188有限單元模擬硬橫跨圓鋼管支柱及橫梁。BEAM188是一個基于Timoshenko梁理論的二節點三維線性梁模型，適宜分析細長梁，能夠保證仿真的準確性和精度。

模型中支柱及橫梁材質均為Q235B，密度7 850 kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比0.27。按照實際尺寸建立硬橫跨模型，并定義單元屬性，生成的有限元模型如圖3所示。

圖3 硬橫跨的有限元模型

硬橫跨順線路方向的荷載是本次結構設計的主要荷載，考慮承力索在橫梁上下錨的張力以及橫梁順線路方向風載，將支柱及橫梁的風載按最不利情況進行施加，約束支柱底部及下錨拉線底部的所有自由度。硬橫跨的受力模型如圖4所示。

圖4 硬橫跨受力示意圖

3.3 仿真結果分析

進入求解器，選擇靜態分析，對硬橫跨的受力進行求解計算。在后處理器中可查看仿真結果，硬橫跨受力后變形情況如圖5所示，其主要節點受力位移如表2所示。

表2 硬橫跨主要節點位移 mm

圖5 硬橫跨變形位移

硬橫跨支柱高度為7.8 m，柱頂順線路方向的最大偏移量為11.81 mm，偏差為0.15%，滿足TB 10421—2018《鐵路電力牽引工程施工質量驗收標準》中不大于0.3%的要求[3]。

硬橫跨受力后應力情況如圖6所示。該結構在最大負荷狀態下的最大應力出現在橫梁下錨點2附近，應力值為57.2 MPa，滿足Q235B鋼材質的強度要求。

圖6 硬橫跨應力

綜上所述，該硬橫跨結構可以滿足承力索下錨的要求。

4 工程應用

該硬橫跨結構已應用于某工程項目中（圖7），目前運營狀態良好。

圖7 工程應用

由于承力索在橋兩側斷開下錨，為保證接觸網電氣上的連續性，需采用電連接線將跨線橋兩側的承力索連接。在實際工程中應注意電連接線與其他接地體、跨線橋體的絕緣距離。

5 結語

本文結合項目實際情況，針對低凈空跨線橋下承力索斷開下錨，接觸線以簡單懸掛形式通過的情況，提出了一種用于多支承力索下錨的特殊硬橫跨結構，并采用有限元仿真計算驗證了該結構的可靠性，為低凈空跨線橋下接觸網安裝結構形式提供了一種新的思路。實際工程中的成功應用驗證了該特殊硬橫跨結構的可行性及應用效果。