H型鋼接觸網(wǎng)支柱在風(fēng)荷載作用下的疲勞性能分析

張晨陽(yáng)，蘆　燕，2

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津　300072；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300072)

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H型鋼接觸網(wǎng)支柱在風(fēng)荷載作用下的疲勞性能分析

張晨陽(yáng)1，蘆燕1，2

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

摘要：H型鋼接觸網(wǎng)支柱在高速鐵路中得到廣泛使用，直接影響鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全。長(zhǎng)期處于風(fēng)荷載作用下，H型鋼接觸網(wǎng)支柱存在疲勞問(wèn)題。通過(guò)建立數(shù)值計(jì)算模型，應(yīng)用熱點(diǎn)應(yīng)力的表面外推法，對(duì)H型鋼接觸網(wǎng)支柱柱腳焊縫在風(fēng)荷載作用下的疲勞性能進(jìn)行分析。以蘭新高鐵H型鋼接觸網(wǎng)支柱為例，依據(jù)熱點(diǎn)應(yīng)力-壽命曲線，計(jì)算支柱焊縫的疲勞壽命。分析結(jié)果表明：其他條件不變的情況下，改變型鋼規(guī)格和柱高，熱點(diǎn)位置不發(fā)生變化；隨著支柱高度增加，疲勞壽命降低21%左右；隨著型鋼截面的增大，疲勞壽命增加23%左右。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)；H型鋼支柱；柱腳焊縫；風(fēng)荷載；熱點(diǎn)應(yīng)力；疲勞壽命

由于截面小、安裝方便、承載力高、易于標(biāo)準(zhǔn)化[1]，高鐵中的H型鋼接觸網(wǎng)支柱在國(guó)內(nèi)得到廣泛使用，京津城際、武廣高鐵、京滬高鐵與蘭新高鐵等均采用H型鋼接觸網(wǎng)支柱。柱腳剛接，柱頂自由，支柱受力可視為懸臂構(gòu)件，如圖1所示。然而，支柱長(zhǎng)期處于風(fēng)荷載作用下，疲勞問(wèn)題日益顯著。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)H型鋼懸臂構(gòu)件的靜力及穩(wěn)定性能研究較多。劉卜精[2]等研究了雙軸對(duì)稱工字形截面懸臂鋼梁彎扭聯(lián)合作用下整體穩(wěn)定承載力問(wèn)題，并提出簡(jiǎn)化公式；孫飛飛[3]等通過(guò)試驗(yàn)研究了高強(qiáng)H型鋼懸臂梁在低周反復(fù)荷載作用下的受力性能，得到試件的滯回曲線、骨架曲線和承載能力等。韓慶華等[4]選取兩種鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接構(gòu)造，采用熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)環(huán)形對(duì)接焊縫在軸力作用下的疲勞性能進(jìn)行有限元分析，得到熱點(diǎn)應(yīng)力變化規(guī)律。葛娟等[5]以杭州灣跨海大橋海平臺(tái)觀光塔鑄鋼節(jié)點(diǎn)為例，采用熱點(diǎn)應(yīng)力法計(jì)算4種焊接細(xì)節(jié)焊縫的疲勞壽命。張昊等[6]總結(jié)國(guó)內(nèi)外接觸網(wǎng)風(fēng)致舞動(dòng)災(zāi)害相關(guān)文獻(xiàn)，提出通過(guò)有限元分析研發(fā)新型防舞動(dòng)裝置的思路，并歸納接觸網(wǎng)舞動(dòng)研究中有待解決的問(wèn)題。但是關(guān)于H型鋼接觸網(wǎng)支柱柱腳連接焊縫的疲勞性能研究較少，需要對(duì)其疲勞性能進(jìn)行深入研究。本文采用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的熱點(diǎn)應(yīng)力表面兩點(diǎn)線性外推法對(duì)H型鋼接觸網(wǎng)支柱柱腳連接焊縫在風(fēng)荷載作用下的疲勞性能進(jìn)行分析，以蘭新高鐵H型鋼接觸網(wǎng)支柱為例，依據(jù)熱點(diǎn)應(yīng)力-壽命曲線計(jì)算柱腳連接焊縫的疲勞壽命。

圖1　H型鋼接觸網(wǎng)支柱

1熱點(diǎn)應(yīng)力法及模型建立

1.1熱點(diǎn)應(yīng)力法

熱點(diǎn)應(yīng)力是指最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力或結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)截面上危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力。熱點(diǎn)處即為最容易發(fā)生疲勞破壞的部位。焊接結(jié)構(gòu)中熱點(diǎn)一般發(fā)生在焊趾處，此部位最容易產(chǎn)生疲勞裂紋。應(yīng)用表面外推法時(shí)，外推點(diǎn)的確定非常重要，應(yīng)滿足以下要求：(1)必須位于缺口效應(yīng)影響區(qū)之外；(2)必須距離焊縫足夠近，以確保能夠捕捉到結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中。本文采用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)IIW推薦的線性外推法，取x1=0.4t，x2=1.0t，進(jìn)行線性插值得到熱點(diǎn)應(yīng)力，見(jiàn)圖2。

圖2　熱點(diǎn)應(yīng)力表面線性外推法示意

1.2有限元模型

接觸網(wǎng)支柱采用寬翼緣熱軋H型鋼，型鋼和底板通過(guò)焊縫連接，翼緣與底板連接焊縫為對(duì)接焊縫，采用熔透坡口焊；腹板與底板連接焊縫為接觸面角焊縫，詳細(xì)構(gòu)造見(jiàn)圖3。底板和基礎(chǔ)采用法蘭連接，根據(jù)不同型鋼規(guī)格采用多個(gè)地腳螺栓固定，形成剛接柱腳。

圖3　焊接構(gòu)造

采用ANSYS數(shù)值分析軟件，建立包括焊縫的H型鋼懸臂柱分析模型，對(duì)柱腳連接焊縫進(jìn)行熱點(diǎn)應(yīng)力分析。柱子和底板鋼材均為Q235b，焊縫采用與母材相同的參數(shù)。對(duì)焊縫進(jìn)行建模時(shí)，將焊縫簡(jiǎn)化為45°坡角形狀。為獲得較高的分析精度，采用20節(jié)點(diǎn)solid186實(shí)體單元進(jìn)行離散，模型單元長(zhǎng)度及寬度方向尺寸均取為焊趾處板厚[7]，見(jiàn)圖4。根據(jù)荷載傳遞關(guān)系，使用glue命令將焊縫與型鋼，焊縫與底板分別粘接，實(shí)現(xiàn)型鋼和底板通過(guò)焊縫傳遞荷載，模擬真實(shí)受力情況。

圖4　有限元模型

模型邊界條件為約束底板螺栓墊板區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的3個(gè)平動(dòng)自由度，模擬柱腳實(shí)際約束條件，在H型鋼懸臂柱一側(cè)翼緣施加單位均布荷載模擬支柱風(fēng)荷載，在支柱接觸線高度處施加集中力模擬線索風(fēng)荷載。

為驗(yàn)證有限元模型正確性，選取截面HW240×240×10×17型鋼，柱高7.5 m，在側(cè)面施加單位均布?jí)毫M(jìn)行計(jì)算。選取距柱底1.0、3.0、5.0 m三處截面，計(jì)算截面最大正應(yīng)力σmax和最大剪應(yīng)力τmax，分別與材料力學(xué)理論解進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。均布HW240×240×10×17型鋼，柱高7.5 m，在側(cè)面施加單位均布?jí)毫M(jìn)行計(jì)算。選取距柱底1.0、3.0、5.0 m三處截面，計(jì)算截面最大正應(yīng)力σmax和最大剪應(yīng)力τmax，分別與材料力學(xué)理論解進(jìn)行對(duì)比。均布?jí)毫r(shí)，σmax出現(xiàn)在受拉翼緣外側(cè)，最大誤差為2.41%，τmax出現(xiàn)在腹板中央，誤差為0，應(yīng)力分布和數(shù)值均與理論相符，從而驗(yàn)證了有限元模型的正確性和精度。

表1　理論解與數(shù)值解對(duì)比

1.3熱點(diǎn)位置

H型鋼截面剪力主要由腹板承擔(dān)，彎矩主要由上下翼緣承擔(dān)，柱腳彎矩對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力的大小起主要控制作用。風(fēng)荷載作用時(shí)，熱點(diǎn)位置在受拉翼緣兩端外側(cè)與底板熔透坡口焊縫上邊緣焊趾處，由本文計(jì)算結(jié)果可知，改變型鋼規(guī)格和支柱高度，發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)位置不發(fā)生變化，熱點(diǎn)位置及支柱主應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。

圖5　應(yīng)力云圖

2疲勞壽命分析

接觸網(wǎng)是電氣化鐵路所特有的向電力機(jī)車提供電能且無(wú)備用的供電設(shè)備，沿鐵路上空架設(shè)。接觸網(wǎng)支柱主要用來(lái)支撐接觸網(wǎng)，承擔(dān)接觸荷載和支持裝置的負(fù)荷，是供電的必備設(shè)施，關(guān)系到整個(gè)供電系統(tǒng)穩(wěn)定性和列車運(yùn)營(yíng)的安全性。

蘭新高鐵新疆段途經(jīng)煙墩、百里、三十里、達(dá)坂城四大戈壁風(fēng)區(qū)，總長(zhǎng)462 km，占新疆段鐵路總長(zhǎng)的65%，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，部分區(qū)段年均大于8級(jí)大風(fēng)的天氣達(dá)208 d。其中百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)力最大風(fēng)速60 m/s，相當(dāng)于17級(jí)大風(fēng)?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017—2003)[8]規(guī)定：直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)N≥5×104次時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。因此，需要對(duì)蘭新高鐵H型鋼接觸網(wǎng)支柱在風(fēng)荷載作用下的疲勞性能進(jìn)行分析，計(jì)算其疲勞壽命。

2.1風(fēng)荷載計(jì)算

《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10009—2005)[9]規(guī)定了2種設(shè)計(jì)風(fēng)速，一是風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速，用于檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)撓度，二是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速，用于校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。本文采用風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。荷載包括支柱本身風(fēng)荷載和線索風(fēng)荷載(接觸線、承力索、回流線、供電線及加強(qiáng)導(dǎo)線等)。

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)[10]規(guī)定，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值表達(dá)式如下

(1)

式中wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；

βz——風(fēng)振系數(shù)；

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

w0——基本風(fēng)壓。

2.2疲勞壽命計(jì)算

S-N曲線是疲勞壽命估算的關(guān)鍵，國(guó)際焊接學(xué)會(huì)規(guī)范[12]針對(duì)不同焊接細(xì)節(jié)定義熱點(diǎn)應(yīng)力壽命曲線(Shot-N)，Shot-N的表達(dá)式如下

(2)

式中N——疲勞壽命，次；

Δσ——應(yīng)力幅，MPa。

熔透坡口焊縫m=3，N=2×106次，Δσ=125 MPa，得loga=21，通過(guò)計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力即可得到焊縫的疲勞壽命。

4種常用H型鋼接觸網(wǎng)支柱規(guī)格分別為HW240×240×10×17、HW260×260×10×17.5、HW280×280×10.5×18、HW300×300×11×19，柱高7.5～11.0 m。選擇上述4種規(guī)格型鋼，以柱高H作為參數(shù)，進(jìn)行風(fēng)荷載作用下柱腳連接焊縫的疲勞壽命計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖6。

焊縫疲勞壽命的變化范圍為162～263萬(wàn)次。隨著型鋼截面的增大，熱點(diǎn)應(yīng)力減小，疲勞壽命增加，增幅在23%左右，柱高不同時(shí)疲勞壽命具有相似的變化規(guī)律。隨著柱高增加，荷載增加，熱點(diǎn)應(yīng)力變大，疲勞壽命減小，降幅在21%左右，型鋼規(guī)格變化時(shí)疲勞壽命具有相似的變化規(guī)律。

3結(jié)論

以H型鋼接觸網(wǎng)支柱為分析模型，采用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)的熱點(diǎn)應(yīng)力表面兩點(diǎn)線性外推法對(duì)柱腳連接焊縫在風(fēng)荷載作用下的疲勞性能進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

圖6　N-H關(guān)系

(1)改變型鋼規(guī)格和支柱高度，發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)位置不發(fā)生變化，在受拉翼緣外側(cè)與底板熔透坡口焊縫上邊緣焊趾處；

(2)隨著型鋼截面的增大，疲勞壽命增加，增幅在23%左右；疲勞壽命隨著支柱高度增加而降低，降幅在21%左右；

(3)接觸網(wǎng)支柱柱腳連接焊縫疲勞壽命的變化范圍為162～263萬(wàn)次；

(4)大風(fēng)地區(qū)的H型鋼支柱進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要計(jì)算風(fēng)荷載作用下的疲勞壽命，建議選擇大截面型鋼，并定期檢查熱點(diǎn)位置的裂紋開(kāi)展情況。

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收稿日期：2015-10-08； 修回日期：2015-10-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51178307)

作者簡(jiǎn)介：張晨陽(yáng)(1989—)，男，碩士研究生，主要從事鋼結(jié)構(gòu)疲勞方面的研究，E-mail：707213072@qq.com。

文章編號(hào)：1004-2954(2016)06-0117-04

中圖分類號(hào)：U225.4+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.024

Fatigue Behavior Analysis of H-section Steel Pole of OCS under Wind Load

ZHANG Chen-yang1，LU Yan1

(1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2.Key Laboratory of Coast Civil Structure and Safety of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China.)

Abstract：H-section steel pole of OCS (overhead contact system) is widely used in high-speed railway. Under long wind load，F(xiàn)atigue failure of the pole may happen. A numerical model is established and analysis of hot spot stress of weld’s fatigue behavior of the pole under wind load is conducted based on surface extrapolation method. The H-section steel pole of OCS used in Lanzhou-Urumqi high-speed rail is introduced to calculate the fatigue life of pole weld under wind load. The results show that the location of hot spot stress remains unchanged and fatigue life increases by 23% with the increment of the section of the pole，but decreases by 21% with the increment of the pole height．

Key words：OCS; H-section steel pole; Pole base weld; Wind load; Hot spot stress; Fatigue life