大風(fēng)區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)機(jī)理及防護(hù)措施研究

韓佳棟

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化處,西安 710043)

大風(fēng)區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)機(jī)理及防護(hù)措施研究

韓佳棟

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化處,西安 710043)

針對(duì)高速鐵路接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)問(wèn)題,進(jìn)行附加導(dǎo)線(xiàn)在大風(fēng)環(huán)境下舞動(dòng)機(jī)理方面的分析,研究附加導(dǎo)線(xiàn)處尾流風(fēng)場(chǎng)、功率譜隨環(huán)境風(fēng)速的變化規(guī)律,通過(guò)風(fēng)場(chǎng)仿真計(jì)算及附加導(dǎo)線(xiàn)有限元分析,判定附加導(dǎo)線(xiàn)在風(fēng)作用下的舞動(dòng)為尾流馳振,并據(jù)此提出制振措施。

高速鐵路；接觸網(wǎng)；風(fēng)速；附加導(dǎo)線(xiàn)；舞動(dòng)；防護(hù)措施

蘭新高鐵正線(xiàn)全長(zhǎng)1 776 km，經(jīng)過(guò)甘肅境內(nèi)的安西風(fēng)區(qū)和新疆境內(nèi)的煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)及達(dá)坂城風(fēng)區(qū)5個(gè)大風(fēng)區(qū)，風(fēng)區(qū)總長(zhǎng)度約580 km，是我國(guó)乃至世界上鐵路風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一。其中百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)部分區(qū)段年均大于8級(jí)大風(fēng)的天氣達(dá)到208 d，最大風(fēng)速達(dá)60 m/s以上，風(fēng)力大時(shí)甚至可以將火車(chē)掀翻[1]。其中710 km長(zhǎng)的新疆段，有防風(fēng)工程的路段就長(zhǎng)達(dá)462 km，占線(xiàn)路總長(zhǎng)的65%。

為了解決長(zhǎng)期以來(lái)大風(fēng)對(duì)接觸網(wǎng)的影響問(wèn)題，2009年在百里風(fēng)區(qū)新建了1 km接觸網(wǎng)試驗(yàn)段，對(duì)接觸網(wǎng)防風(fēng)工程進(jìn)行全面系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和研究。

本文就大風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)AF線(xiàn)、PW線(xiàn)在大風(fēng)環(huán)境下舞動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究，并提出相關(guān)防護(hù)工程措施。

1 振動(dòng)類(lèi)型

AF線(xiàn)和PW線(xiàn)是高速鐵路接觸網(wǎng)中的重要組成部分，由于它是細(xì)長(zhǎng)柔性結(jié)構(gòu)，在風(fēng)的作用下，容易產(chǎn)生較大振幅的振動(dòng)。它可能發(fā)生的振動(dòng)形式有渦激振動(dòng)、馳振和紊流風(fēng)作用下的抖振。渦激振動(dòng)和紊流風(fēng)作用下的抖振振幅一般較小，不會(huì)直接引起結(jié)構(gòu)的破壞。馳振是一種大振幅的發(fā)散振動(dòng)，振幅較大，一旦發(fā)生，不僅會(huì)引起結(jié)構(gòu)喪失功能，還會(huì)引起結(jié)構(gòu)的直接破壞[2]。從馳振的起振機(jī)理上來(lái)講，馳振分為兩種，一種是由于結(jié)構(gòu)特殊的斷面形式，在較大風(fēng)速下產(chǎn)生較大振幅的發(fā)散振動(dòng)。這種馳振一般發(fā)生在帶有棱角的鈍體結(jié)構(gòu)，如結(jié)冰的電纜線(xiàn)，細(xì)長(zhǎng)方形吊桿等。另一種馳振不是由于本身的斷面形式引起的，而是處于氣流的不穩(wěn)定區(qū)域，從而激發(fā)較大振幅的共振，稱(chēng)之為尾流馳振。如處于下游的并排斜拉索，橋塔附近的細(xì)長(zhǎng)吊索。

AF線(xiàn)和PW線(xiàn)是圓形的流線(xiàn)結(jié)構(gòu)，不屬于鈍體，因此，單獨(dú)的AF線(xiàn)和PW線(xiàn)在無(wú)不規(guī)則覆冰情況下不會(huì)發(fā)生第一種馳振。經(jīng)過(guò)對(duì)百里風(fēng)區(qū)試驗(yàn)段的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)分析，AF線(xiàn)和PW線(xiàn)發(fā)生較大振幅的振動(dòng)，極有可能是第二種形式的馳振，即尾流馳振，也就是通常所說(shuō)的舞動(dòng)。

判斷是否為尾流馳振，可以采用風(fēng)洞試驗(yàn)或者數(shù)值分析的方法，測(cè)試結(jié)構(gòu)是否處于其他結(jié)構(gòu)尾流后面的氣流不穩(wěn)定區(qū)域。如果處于這種不穩(wěn)定氣流區(qū)域而又發(fā)生馳振，結(jié)構(gòu)的頻率與風(fēng)場(chǎng)漩渦的頻率一致，即可判斷為尾流馳振。

2 尾流分析

2.1 研究對(duì)象和計(jì)算方法

本文分析如圖1所示的典型區(qū)域。由于蘭新高鐵擋風(fēng)墻的存在，有可能在擋風(fēng)墻下游上方會(huì)產(chǎn)生較大的漩渦。分析這種漩渦在多大風(fēng)速下其漩渦所占能量最大時(shí)頻率和風(fēng)速之間的關(guān)系[2]，并與AF線(xiàn)和PW線(xiàn)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率相比較，從而分析其振動(dòng)原因。

其計(jì)算方法和參數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算模型見(jiàn)圖2和圖3。

圖1 路堤對(duì)拉式擋風(fēng)墻

計(jì)算方法有限體積法空間離散格式二階中心差分時(shí)間離散格式二階隱式壓力速度耦合SIMPLEC算法湍流模型大渦模擬DSGS網(wǎng)格數(shù)量10萬(wàn)時(shí)間步長(zhǎng)/s0.01

圖2 整體計(jì)算域和網(wǎng)格

圖3 局部網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析了在20、30、40 m/s環(huán)境風(fēng)速下，AF線(xiàn)和PW線(xiàn)所在位置的風(fēng)場(chǎng)情況。圖4給出了風(fēng)速為40 m/s時(shí)瞬時(shí)風(fēng)速的矢量圖，圖5給出了瞬時(shí)風(fēng)速的風(fēng)速等值線(xiàn)云圖。從圖上可以看出，AF線(xiàn)和PW線(xiàn)正好處于擋風(fēng)墻尾流的漩渦區(qū)域，特別是AF線(xiàn)，處于較大風(fēng)速的漩渦區(qū)。圖6和圖7給出了兩處風(fēng)速大小的時(shí)程曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)中可以看出，AF線(xiàn)和PW線(xiàn)處于尾流漩渦區(qū)域；風(fēng)速越大，越接近正弦曲線(xiàn)。

圖4 瞬時(shí)風(fēng)速度矢量圖

圖5 瞬時(shí)風(fēng)速度等值線(xiàn)云圖

圖6 AF線(xiàn)處尾流風(fēng)速時(shí)程曲線(xiàn)

圖7 PW線(xiàn)處尾流風(fēng)速時(shí)程曲線(xiàn)

2.3 風(fēng)速頻域分析

根據(jù)得出尾流區(qū)域的風(fēng)速曲線(xiàn)，通過(guò)頻譜分析[3]，得出尾流的卓越頻率。圖8～圖13給出了AF線(xiàn)和PW線(xiàn)處尾流的功率譜曲線(xiàn)，從而得到其卓越頻率。從圖中可以看出，其卓越頻率隨風(fēng)速的增加呈線(xiàn)性增加，特別是AF線(xiàn)；PW線(xiàn)處由于風(fēng)速較小，其尾流頻率的變化不太明顯，其卓越頻率隨環(huán)境風(fēng)速的變化關(guān)系見(jiàn)圖14。

圖8 環(huán)境風(fēng)速u(mài)=40 m/s AF線(xiàn)處的尾流的功率譜，f=0.976 6 Hz

圖9 環(huán)境風(fēng)速u(mài)=30 m/s AF線(xiàn)處的尾流的功率譜，f=0.781 3 Hz

圖10 環(huán)境風(fēng)速u(mài)=20 m/s AF線(xiàn)處的尾流的功率譜，f=0.586 0 Hz

圖11 環(huán)境風(fēng)速u(mài)=40 m/s PW線(xiàn)處的尾流的功率譜，f1=0.1 Hz，f2=0.980 0 Hz

圖12 環(huán)境風(fēng)速u(mài)=30 m/s PW線(xiàn)處的尾流的功率譜，f1=0.2 Hz，f2=0.780 0 Hz

圖13 環(huán)境風(fēng)速u(mài)=20 m/s PW線(xiàn)處的尾流的功率譜，f1=0.2 Hz，f2=0.580 0 Hz

圖14 AF線(xiàn)處尾流頻率隨風(fēng)速的變化曲線(xiàn)

如果AF線(xiàn)和PW線(xiàn)的頻率正好與某個(gè)風(fēng)速下的尾流渦脫的頻率一致，便會(huì)引起尾流馳振。

體育課堂上“主動(dòng)性”可以通過(guò)學(xué)生的言行舉止表現(xiàn)出來(lái)，注意觀察你可以了解到：微笑、贊同、專(zhuān)注、興奮、交流、接受等課堂表現(xiàn)是主動(dòng)情緒的體現(xiàn)，熱情、積極、投入是主動(dòng)的態(tài)度，主動(dòng)行為則表現(xiàn)出愿意交流、自愿討論、接受評(píng)價(jià)、好問(wèn)等等。缺少這些表情和情緒，缺乏這些態(tài)度和行為，可以說(shuō)學(xué)生“主動(dòng)性”沒(méi)有被調(diào)動(dòng)或沒(méi)有調(diào)動(dòng)起來(lái)。

3 AF線(xiàn)、PW線(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

3.1 AF線(xiàn)、PW線(xiàn)結(jié)構(gòu)有限元模型

采用國(guó)際通用的有限元分析軟件ANSYS對(duì)AF線(xiàn)、PW線(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算分析[4]。AF線(xiàn)、PW線(xiàn)采用link10單元模擬。在自重作用下，AF線(xiàn)、PW線(xiàn)的線(xiàn)型為懸鏈線(xiàn)，但由于大風(fēng)區(qū)附加導(dǎo)線(xiàn)的跨距較小，采用拋物線(xiàn)建模與采用懸鏈線(xiàn)建模的差別不大[5]。在實(shí)際操作中，先按拋物線(xiàn)建立結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，然后通過(guò)幾何非線(xiàn)性分析找形，積累重力剛度，使模型的線(xiàn)形最終和真實(shí)結(jié)構(gòu)保持一致。AF線(xiàn)、PW線(xiàn)材料性質(zhì)[6]詳見(jiàn)表2。

表2 AF線(xiàn)、PW線(xiàn)材料性質(zhì)

3.2 AF線(xiàn)、PW線(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果

AF線(xiàn)、PW線(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果分別如表3和表4所示。表中還給出不同張力的計(jì)算結(jié)果。

表3 AF線(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果

注：L—橫向，V—豎向，S—對(duì)稱(chēng)，A—反對(duì)稱(chēng)，例如V-S-1表示第一對(duì)稱(chēng)豎彎。

表4 PW線(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果

注：L—橫向，V—豎向，S—對(duì)稱(chēng)，A—反對(duì)稱(chēng)，例如V-S-1表示第一對(duì)稱(chēng)豎彎。

4 尾流馳振分析及制振措施

4.1 馳振臨界風(fēng)速

當(dāng)尾流渦脫的頻率與AF線(xiàn)或者PW線(xiàn)某個(gè)方向上的振動(dòng)頻率一致時(shí)，便會(huì)激起這個(gè)方向的馳振。當(dāng)AF線(xiàn)和PW線(xiàn)的橫向和豎向頻率都很接近，且與渦脫頻率一致時(shí)，便會(huì)同時(shí)發(fā)生兩個(gè)方向上的馳振，即圓周運(yùn)動(dòng)。根據(jù)圖14中尾流脫落頻率與風(fēng)速的關(guān)系曲線(xiàn)，可以得到AF線(xiàn)和PW線(xiàn)尾流馳振的臨界風(fēng)速。

采用最小二乘法，擬合出渦振風(fēng)速和結(jié)構(gòu)自振頻率的關(guān)系如下

式中u——渦振風(fēng)速，m/s；

f——結(jié)構(gòu)自振頻率，Hz。

兩線(xiàn)關(guān)鍵振型的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5和表6。從表中可以看出，橫向第一振型和豎向第一振型在40 m/s風(fēng)速左右時(shí)，容易發(fā)生尾流馳振，且兩個(gè)方向的頻率又很接近，便會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)方向的振動(dòng)，從表面上看是一種圓周振動(dòng)，即舞動(dòng)。

表5 AF線(xiàn)不同張力的馳振臨界風(fēng)速

表6 PW線(xiàn)不同張力的馳振臨界風(fēng)速

注：L—橫向，V—豎向，S—對(duì)稱(chēng)，A—反對(duì)稱(chēng)，例如V-S-1表示第一對(duì)稱(chēng)豎彎。

4.2 馳振改善措施

綜上分析，改善AF線(xiàn)和PW線(xiàn)尾流馳振的措施大致有3種。

(1)改善AF線(xiàn)和PW線(xiàn)處的流場(chǎng)特性，即從根本解決問(wèn)題，這需要改變擋風(fēng)墻的高度或者形式，從而改變擋風(fēng)墻后的尾流特性。

(2)提高AF線(xiàn)和PW線(xiàn)的頻率，即增加剛度，如增加AF線(xiàn)和PW線(xiàn)的張力或者約束方式。

(3)增加阻尼。這種方式可以有效抑制渦激振動(dòng)，但對(duì)于尾流馳振，能適當(dāng)增加馳振臨界風(fēng)速，但效果不如前兩者理想。這種方式如防舞鞭[7]等。

5 防舞動(dòng)措施

蘭新高鐵百里風(fēng)區(qū)增設(shè)的擋風(fēng)墻高度一般在3.0～4 m，主要考慮對(duì)機(jī)車(chē)起到安全防風(fēng)的作用。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，改變擋風(fēng)墻形式會(huì)弱化接觸網(wǎng)高度處的風(fēng)場(chǎng)增速效應(yīng)，但作用有限，最有效的防風(fēng)措施是增加擋風(fēng)墻高度，但經(jīng)濟(jì)性較差。

從上面的分析可以看出，適當(dāng)提高附加導(dǎo)線(xiàn)的張力，可以提高導(dǎo)線(xiàn)的馳振臨界風(fēng)速，有效避開(kāi)17級(jí)以下大風(fēng)發(fā)生舞動(dòng)的頻率范圍，工程投資較少。另一方面，通過(guò)改變附加導(dǎo)線(xiàn)的約束方式來(lái)改變其振型形態(tài)，使得豎向和橫向的振動(dòng)頻率相差很大，AF線(xiàn)和PW線(xiàn)的振動(dòng)相互抵消，從而起到抑制舞動(dòng)的目的，如圖15、圖16所示。

圖15 將AF線(xiàn)拉至擋風(fēng)墻

圖16 AF、PW線(xiàn)間加間隔棒

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，增加附加導(dǎo)線(xiàn)約束后，解決了舞動(dòng)問(wèn)題，但同時(shí)增加了零件數(shù)量和連接點(diǎn)，在微風(fēng)振動(dòng)狀態(tài)下又容易引起導(dǎo)線(xiàn)及連接零部件的疲勞問(wèn)題[8]，增加了新的隱患。

綜合技術(shù)及經(jīng)濟(jì)方案比選，大風(fēng)區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線(xiàn)防舞動(dòng)可采用增加AF線(xiàn)張力、降低PW線(xiàn)安裝高度，在懸掛點(diǎn)適度增加剛度和約束，并盡量減少零部件之間的磨損等措施，以避免導(dǎo)線(xiàn)因應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞破壞。從目前運(yùn)行情況看，理論分析、建模計(jì)算是科學(xué)合理的，工程措施對(duì)附加導(dǎo)線(xiàn)的舞動(dòng)能起到抑制作用。

6 結(jié)語(yǔ)

高速鐵路接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線(xiàn)防風(fēng)是一個(gè)綜合性、復(fù)雜性、長(zhǎng)期性的課題，不同的微地形地貌會(huì)引起更為復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)變化，在舞動(dòng)的同時(shí)可能還伴有微風(fēng)抖振，或間歇性的舞動(dòng)和小幅振動(dòng)，這就要根據(jù)實(shí)際情況具體分析，制定綜合防護(hù)措施，比如防舞鞭對(duì)防微風(fēng)振動(dòng)效果較好[7]，但防舞鞭加裝的數(shù)量和位置不合適又會(huì)導(dǎo)致舞動(dòng)幅度加大；限制懸掛點(diǎn)自由度可適當(dāng)減小舞動(dòng)幅度和舞動(dòng)范圍的擴(kuò)大，但又會(huì)引起應(yīng)力集中，就必須考慮零部件的疲勞和磨損問(wèn)題?？傊?，防風(fēng)工程是個(gè)復(fù)雜的綜合性工程，既要兼顧技術(shù)方案的科學(xué)合理性，又要兼顧工程的經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)施性。

[1] 烏魯木齊鐵路局.行車(chē)組織規(guī)則[S].烏魯木齊：烏魯木齊鐵路局，2008.

[2] 張相庭.工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[3] 張相庭.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程(理論·規(guī)范·實(shí)踐)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[4] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[5] 項(xiàng)海帆，陳艾榮.特大跨度橋梁抗風(fēng)研究的新進(jìn)展[J].土木工程學(xué)報(bào)，2003，36(4):1-8.

[6] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10009—2005鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[7] 中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). DL/T 5092—1999 110～500 kV架空送電線(xiàn)路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，1999.

[8] 胡衛(wèi)兵，何建.高層建筑與高聳結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算及風(fēng)振控制[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2003.

Study on Mechanism of High-speed Railway OCS Additional Wire Dancing in Strong Wind Area and Protective Measures

HAN Jia-dong

(Electrification Design Department, China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

As to the problem of the dancing of OCS additional wire of high speed railway, this paper analyses the mechanism of the dancing of OCS additional wire in strong wind area and studies the wake wind field at the additional wire and the pattern of the power spectrum varied with wind speed. Through simulation calculation of the wind field and finite element analysis of the additional wire, the dancing of additional wire is recognized as wake galloping and anti-vibration measures are put forward.

High-speed railway; OCS; Wind speed; Additional wire; Dancing; Protective measures

2015-04-21；

2015-05-16

韓佳棟(1974—)，男，高級(jí)工程師，2000年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：878955573@qq.com。

1004-2954(2015)12-0125-05

U238； U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.029