鐵路大沙坪特大橋接觸網(wǎng)硬橫梁振動影響分析

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，對接觸網(wǎng)硬橫梁的動力特性進行了研究。借助MIDAS-civil有限元軟件，建立橋一接觸網(wǎng)體系計算模型，針對接觸網(wǎng)硬橫梁在原設(shè)計和加固后兩種情況下的應(yīng)力和位移進行了計算和分析：發(fā)現(xiàn)硬橫梁在原設(shè)計條件下的動應(yīng)力和動位移均較大，而加固后的動應(yīng)力和動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;有限元

中圖分類號：U238 文獻標志碼：A

0引言

在列車動荷載作用下，接觸網(wǎng)硬橫梁的振動一直是困擾鐵路建設(shè)和運營部門的棘手問題之一。許多學(xué)者針對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的振動問題做了大量研究：王國梁等利用ANSYS軟件，針對廣州地鐵二號線接觸網(wǎng)剛性懸掛的靜動力特性進行了計算和分析，表明端頭懸臂和跨距直接影響接觸網(wǎng)剛性懸掛;馮自進等通過建立接觸網(wǎng)的模型運動微分方程，利用WKB法對微分方程進行求解，研究了接觸線在受電弓的移動荷載作用下的動力響應(yīng)特性;陳立明借助ANSYS有限元分析軟件，針對高速鐵路彈性鏈型懸掛接觸網(wǎng)，研究其在受電弓動荷載作用下整體吊弦的動力特性;劉曦洋針對斷裂吊弦進行失效分析，并通過試驗研究，認為彎曲微動疲勞是引起吊弦斷裂破壞的主因之一;孫娟通過推導(dǎo)接觸網(wǎng)的吊弦應(yīng)力方程，并通過編寫MATLAB程序，研究了動載荷作用下接觸網(wǎng)吊弦的應(yīng)力特性，結(jié)果表明動荷載作用位置以及接觸線的張力大小均對吊弦應(yīng)力有較大影響。

本論述首先分析接觸網(wǎng)硬橫梁列車動荷載作用下的振動機理，通過數(shù)值模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場測試結(jié)果提出合理的加固和應(yīng)對方案措施。工程實踐證明，通過對接觸網(wǎng)硬橫梁加固，改善了列車在不同時速運行情況下接觸網(wǎng)硬橫梁的振動特性，為類似工程的設(shè)計提供參考依據(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，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，在橋墩墩頂及對應(yīng)梁底處設(shè)置防落梁措施。

1.2線路技術(shù)標準

線路技術(shù)標準見表1所列。

1.3接觸網(wǎng)技術(shù)標準

（1）懸掛類型：全補償簡單鏈形懸掛。

隧外接觸導(dǎo)線懸掛點高度：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回流線集中接地，成排鋼柱通過架空地線實現(xiàn)接地、獨立支柱單獨打接地極接地。

1.4接觸網(wǎng)振動問題

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，接觸網(wǎng)立柱即固定在此平臺上，連續(xù)梁段接觸網(wǎng)振動影響范圍里程編號為HDK40+475.08-HDK40+585.043，共涉及5組接觸網(wǎng)（編號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）。在列車動荷載作用下，由于橋梁振動和接觸網(wǎng)自身振動的疊加，使以上5組接觸網(wǎng)在列車運行過程中產(chǎn)生較大的振動，造成接觸網(wǎng)橫梁的連接螺栓由于疲勞而產(chǎn)生破壞，對列車的安全運行帶來極大的威脅。

2列車荷載的模擬

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大型有限元計算軟件，建立大沙坪特大橋與接觸網(wǎng)有限元計算模型（如圖3所示）。

3.1未加固接觸網(wǎng)硬橫梁動力分析

根據(jù)現(xiàn)有接觸網(wǎng)的狀態(tài)，模擬分析不同時速（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。不同時速時的最大應(yīng)力和位移曲線如圖5和圖6所示。

3.2加固后接觸網(wǎng)硬橫梁動力分析

對接觸網(wǎng)硬橫梁加固后（見圖7），計算的加固后每種時速（45km/h，60km/h，75km/h，90km/h，105km/h，120krrdh）下橫梁的應(yīng)力和位移。以時速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。不同時速時的最大應(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)計條件下，在列車時速為90km/h，接觸網(wǎng)硬橫梁上應(yīng)力和位移均為最大，達到了93.48MPa和26.51mm，說明時速為90km/h時列車的振動頻率與接觸網(wǎng)的固有頻率接近;其余時速條件下均較小，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，在列車時速為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)的安全對鐵路的安全運營至關(guān)重要，接觸網(wǎng)的振動問題一直是研究的熱點，從大沙坪特大橋接觸網(wǎng)硬橫梁的振動分析來看，接觸網(wǎng)在原始設(shè)計中存在薄弱環(huán)節(jié)，在列車運行過程中由于動荷載的作用，使接觸網(wǎng)硬橫梁長期產(chǎn)生振動，由于長期的微動摩擦，使得硬橫梁連接處的螺栓由于微動摩擦而產(chǎn)生疲勞破壞，影響到列車的安全運營。根據(jù)硬橫梁的實際情況，設(shè)計了硬橫梁的加固方案，通過計算分析，硬橫梁上產(chǎn)生的動應(yīng)力和位移均有明顯下降，下降峰值近1/3，說明加固方案切實可行，可以減小列車動荷載對硬橫梁的振動破壞，列車運營的安全性有較大提高。