低凈空跨線橋下承力索下錨硬橫跨的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊 康，武 帥

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分既有普速鐵路進(jìn)行了電氣化改造，由于部分既有跨線橋是按照建造時(shí)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)正常通過(guò)的要求。接觸網(wǎng)經(jīng)過(guò)這種低凈空跨線橋時(shí)，通常需降低結(jié)構(gòu)高度或?qū)Ц咄ㄟ^(guò)。如果跨線橋的凈空過(guò)低，接觸懸掛的結(jié)構(gòu)高度和導(dǎo)高降至最小值仍無(wú)法正常通過(guò)時(shí)，需要將承力索在跨線橋的兩側(cè)斷開下錨，接觸線以簡(jiǎn)單懸掛方式通過(guò)橋下。本文結(jié)合某項(xiàng)目實(shí)際情況，提出一種低凈空跨線橋兩側(cè)承力索下錨用特殊硬橫跨結(jié)構(gòu)，并采用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。

1 跨線橋下接觸網(wǎng)通過(guò)的凈空分析

目前，普速鐵路接觸網(wǎng)懸掛類型一般采用簡(jiǎn)單鏈形懸掛形式，圖1為接觸網(wǎng)通過(guò)跨線橋示意圖。

圖1 接觸網(wǎng)通過(guò)跨線橋示意圖

跨線橋的凈空高度可按下式計(jì)算[1]：

式中：Hk為跨線橋下凈空高度；H為接觸懸掛導(dǎo)高；h為接觸懸掛結(jié)構(gòu)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(diǎn)的弛度，其計(jì)算式為

式中：g為承力索單位長(zhǎng)度自重負(fù)載；l為跨距；Tc為承力索張力；x為承力索上任一點(diǎn)到本跨定位點(diǎn)的距離。

某電氣化鐵路區(qū)間線路所處一公路橋跨越正線、聯(lián)絡(luò)線以及道岔渡線接觸網(wǎng)，橋?qū)?4 m，公路橋與正線夾角65°，橋下凈空高度為6.3 m。接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)

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

2 承力索下錨方案

該跨線橋下有正線、聯(lián)絡(luò)線及渡線3組接觸懸掛通過(guò)，接觸網(wǎng)存在交叉懸掛，懸掛方式復(fù)雜。為了保證橋下接觸線的弛度，在橋兩側(cè)需合理安裝吊弦。在橋兩側(cè)分別設(shè)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(cè)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(dāng)降低承力索張力。

根據(jù)實(shí)際需求，采用特殊硬橫跨結(jié)構(gòu)，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(shè)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(shè)置下錨拉線。硬橫跨所有鋼結(jié)構(gòu)件均采用Q235B材質(zhì)。

圖2 下錨用硬橫跨結(jié)構(gòu)

3 特殊硬橫跨的受力分析

采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)硬橫跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并對(duì)該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)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(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)換為相對(duì)比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題，然后再進(jìn)行計(jì)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(jì)算的步驟可歸納如下：

（1）將需要進(jìn)行分析計(jì)算的結(jié)構(gòu)離散為由各種有限元組成的計(jì)算模型；

（2）采用近似的位移函數(shù)建立位移和力的方程式，計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力；

（3）根據(jù)結(jié)構(gòu)的邊界條件和力學(xué)平衡理論，將各個(gè)單元按原來(lái)的結(jié)構(gòu)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(jì)算單元內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)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(gè)基于Timoshenko梁理論的二節(jié)點(diǎn)三維線性梁模型，適宜分析細(xì)長(zhǎng)梁，能夠保證仿真的準(zhǔn)確性和精度。

模型中支柱及橫梁材質(zhì)均為Q235B，密度7 850 kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比0.27。按照實(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fēng)載，將支柱及橫梁的風(fēng)載按最不利情況進(jìn)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(jié)果分析

進(jìn)入求解器，選擇靜態(tài)分析，對(duì)硬橫跨的受力進(jìn)行求解計(jì)算。在后處理器中可查看仿真結(jié)果，硬橫跨受力后變形情況如圖5所示，其主要節(jié)點(diǎn)受力位移如表2所示。

表2 硬橫跨主要節(jié)點(diǎn)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(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中不大于0.3%的要求[3]。

硬橫跨受力后應(yīng)力情況如圖6所示。該結(jié)構(gòu)在最大負(fù)荷狀態(tài)下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁下錨點(diǎn)2附近，應(yīng)力值為57.2 MPa，滿足Q235B鋼材質(zhì)的強(qiáng)度要求。

圖6 硬橫跨應(yīng)力

綜上所述，該硬橫跨結(jié)構(gòu)可以滿足承力索下錨的要求。

4 工程應(yīng)用

該硬橫跨結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于某工程項(xiàng)目中（圖7），目前運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。

圖7 工程應(yīng)用

由于承力索在橋兩側(cè)斷開下錨，為保證接觸網(wǎng)電氣上的連續(xù)性，需采用電連接線將跨線橋兩側(cè)的承力索連接。在實(shí)際工程中應(yīng)注意電連接線與其他接地體、跨線橋體的絕緣距離。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，針對(duì)低凈空跨線橋下承力索斷開下錨，接觸線以簡(jiǎn)單懸掛形式通過(guò)的情況，提出了一種用于多支承力索下錨的特殊硬橫跨結(jié)構(gòu)，并采用有限元仿真計(jì)算驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可靠性，為低凈空跨線橋下接觸網(wǎng)安裝結(jié)構(gòu)形式提供了一種新的思路。實(shí)際工程中的成功應(yīng)用驗(yàn)證了該特殊硬橫跨結(jié)構(gòu)的可行性及應(yīng)用效果。