高強度卡具的優(yōu)化設(shè)計及仿真分析

孫衍鵬,靳遠，寧楠,李權(quán)潘

(1. 四川聯(lián)暢信通科技有限公司，成都 610031； 2. 中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京100073)

目前，在鐵路隧道中，采用漏纜進行信號覆蓋已成為最有效且穩(wěn)定的方式。漏纜卡具是將漏纜固定在隧道壁上的重要工具，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理可靠，直接關(guān)乎漏纜使用的安全性。

迄今為止，行業(yè)內(nèi)已有許多學(xué)者開展了關(guān)于漏纜系統(tǒng)的研究與分析，例如研究漏纜掛設(shè)高度、卡具松動的對策措施、卡具間距的標準、安裝規(guī)范以及緩解卡具腐蝕和斷裂的措施等[1-5]；虞凱等[6]還針對懸掛漏纜信號定向發(fā)射設(shè)計了一種新型漏纜夾具?？ň叽蠖喟惭b在隧道內(nèi)，因此會受到列車經(jīng)過產(chǎn)生的氣動載荷作用，一些學(xué)者通過仿真手段研究了列車通過隧道產(chǎn)生的空氣動力效應(yīng)[7-11]。在證明仿真方法可行后，耿義光[12]采用仿真分析和實車試驗相結(jié)合的方法總結(jié)出了饋線及卡具所受的氣動力隨車速、位置、饋線長度等因素變化而變化的規(guī)律。

綜上所述，行業(yè)內(nèi)學(xué)者通過總結(jié)實際工程問題，使漏纜與卡具安裝達到規(guī)范標準，并借助仿真與試驗相結(jié)合的方法研究漏纜固定系統(tǒng)所承受的沖擊載荷，通過考慮漏纜固定系統(tǒng)的承載因素規(guī)避卡具松動引發(fā)的漏纜脫落事故，但目前尚無關(guān)于如何通過優(yōu)化卡具的結(jié)構(gòu)提升其可靠性與穩(wěn)定性，從源頭解決卡具的安全隱患問題的研究。因此，本文對卡具進行優(yōu)化，設(shè)計出了一款高強度抗震防脫落卡具，并通過風(fēng)洞仿真與抗震分析指出卡具設(shè)計的突破點，從而為今后卡具的方案設(shè)計提供一定的技術(shù)參考，也為漏纜固定系統(tǒng)的安全智能運維提供保障。

1 高強度抗震防脫落卡具設(shè)計

1.1 現(xiàn)有卡具的弊端

已有的漏纜卡具存在較多的安全隱患，常見問題主要有三點：其一，卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，導(dǎo)致卡具不鎖閉時無法固定漏纜，漏纜進入曲線段后無法夾持漏纜，卡具進入大修期時更換不便利，蓋板脫蓋后漏纜失去夾持力；其二，尼龍卡束底座厚度不足時，長期風(fēng)壓作用下易導(dǎo)致尼龍卡束撕裂，卡具的現(xiàn)場故障如圖1所示；其三，尼龍卡束材料性能不合格，導(dǎo)致長期風(fēng)壓作用下尼龍卡束從金屬件中脫離。因此，漏纜卡具本身結(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要，這不僅直接關(guān)乎漏纜的安全性能，還會間接影響到施工的便利程度、檢修及運維的成本。本文設(shè)計新款漏纜卡具，以改善卡具存在的弊端，提高漏纜系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性。

(a) 卡具蓋板脫落

(b)尼龍卡束撕裂圖1 卡具的現(xiàn)場故障

1.2 高強度防脫卡具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

漏纜卡具多是根據(jù)實際問題逆向設(shè)計得到的，缺乏綜合的技術(shù)分析。因此，首先應(yīng)總結(jié)問題，盡量采用正向設(shè)計。正向設(shè)計時，首先應(yīng)明確漏纜卡具的基本功能與使用要求，知悉卡具環(huán)境工況與安全承載需求；其次需要分析漏纜固定系統(tǒng)的受力，進行組件設(shè)計；最后再通過第三方測試來認證漏纜固定系統(tǒng)的技術(shù)性能。本次設(shè)計的高強度抗震防脫落漏纜卡具又稱13/8中置式單蓋板漏纜卡具(以下簡稱“漏纜卡具”)，英文簡稱TSNPL-42，意為絕緣標稱外徑42 mm漏纜的隧道內(nèi)單用普通非自承式低速卡具。漏纜卡具由錨栓固定在混凝土中，其模型主要包括蓋板、底座、插銷與錨栓，漏纜卡具的結(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)計卡具有不同寬度(25 mm、35 mm)，因兩種卡具結(jié)構(gòu)相同，此處僅展示25 mm寬的卡具。

圖2 漏纜卡具的結(jié)構(gòu)

1.3 緊固保護優(yōu)化

為使漏纜能夠在不平整的地面上安裝，且受到有效的固定和保護，需設(shè)計一款拆卸與安裝均十分便利的漏纜地面防護罩，防護罩需具有高度調(diào)節(jié)功能，使其在敷設(shè)漏纜時與軌道平行，保證信號質(zhì)量。采用一款魚刺型結(jié)構(gòu)、高強度SMC復(fù)合材料制作的漏纜地面防護罩，其采用模塊化設(shè)計，支撐裝置、卡扣裝置以及保護裝置分工明確。此卡扣裝置中的彈片結(jié)構(gòu)能保證漏纜的漏泄孔與列車天線對應(yīng)，支撐裝置中的螺栓可調(diào)節(jié)漏纜敷設(shè)高度，確保漏纜與車載天線之間保持最佳距離；同時，SMC復(fù)合材料具有良好的透波性，能使通信系統(tǒng)的信號強度更大。除此之外，漏纜護罩本身結(jié)構(gòu)牢固、可通風(fēng)，底部有高度可調(diào)節(jié)的托架支撐，不僅可防止上卡扣部前后、上下移動，保證漏纜在卡扣裝置中不脫落，而且可防止支撐裝置之間的距離較遠導(dǎo)致漏纜中部下墜。

1.4 高強度卡具的檢測

本次正向設(shè)計的高強度抗震防脫落漏纜卡具，技術(shù)突破點主要體現(xiàn)在如下三個方面。

1) 風(fēng)洞分析

使用三維有限元分析軟件計算漏纜卡具的基本風(fēng)壓(最大風(fēng)壓載荷)，得出卡具的最大順風(fēng)向位移值，通過風(fēng)壓、位移等數(shù)據(jù)判斷卡具在長期風(fēng)壓作用下會不會發(fā)生卡束撕裂以及從金屬件中脫離等情況。

2) 抗震分析

根據(jù)有限元響應(yīng)頻譜分析模塊，模擬地震產(chǎn)生的脈動載荷導(dǎo)致卡具產(chǎn)生的振動效應(yīng)，得出卡具的形變與應(yīng)力值，通過比較卡具的厚度與材料的屈服強度判定抗震烈度。

3) 測試認證

在國家級及以上的第三方檢測機構(gòu)進行測試認證，測試性能報告主要包括漏纜卡具的環(huán)境性能、環(huán)保性能、耐火性能、材料性能以及機械性能等，其中環(huán)保性能認證指出漏纜卡具尼龍組件中無鹵，也不含有害物質(zhì)成分。高強度漏纜卡具已通過《鐵路通信漏泄同軸電纜吊具》(TB/T 3440—2016)中所要求的各項技術(shù)指標的檢驗，說明卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，使用時安全隱患較少，可降低后期維護與檢修的成本。

2 風(fēng)洞仿真的計算模型

2.1 漏纜卡具幾何模型的簡化

13/8中置式單蓋板漏纜卡具存在曲面及細小的倒角，對后續(xù)網(wǎng)格劃分非常不利，因此需對實體模型進行適當(dāng)簡化，忽略局部細小的特征。漏纜卡具的簡化模型如圖3所示。卡具中蓋板、底座以及插銷均用尼龍材料制成，錨栓則選用強度較高的不銹鋼制作，兩種材料的物理特性如表1所示。

圖3 漏纜卡具的簡化模型

表1 兩種材料的物理特性

2.2 數(shù)值求解方法

2.2.1 湍流模型及控制方程組

對于建立的風(fēng)洞流體域中穩(wěn)態(tài)和不可壓縮氣體的流動，采用雷諾平均(Navier-Stokes)模型求解，控制方程可表示為

(1)

(2)

2.2.2 流體域與結(jié)構(gòu)域的離散

網(wǎng)格離散情況對計算精度和時間影響較大，考慮到流體域中卡具區(qū)域的單元面較小，網(wǎng)格離散的時間成本遠大于計算成本，故本文采用混合網(wǎng)格技術(shù)對流體域進行離散，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為56萬，單元數(shù)為236萬。由于13/8中置式單蓋板漏纜卡具幾何模型中存在尖角、細小面等幾何特征，故采用適用性較好的四面體網(wǎng)格對卡具進行離散，節(jié)點數(shù)為21萬，單元數(shù)為12萬，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

(a) 流體域網(wǎng)格截面圖

(b) 卡具網(wǎng)格示意圖圖4 網(wǎng)格劃分

2.2.3 計算風(fēng)速與邊界條件

根據(jù)現(xiàn)有列車在隧道內(nèi)的行駛速度，本次風(fēng)洞仿真取風(fēng)速10～60 m/s，間隔10 m/s；仿真時入口采用速度邊界條件，來流方向垂直隧道進口面，湍流強度取5%，計算過程中空氣無質(zhì)量變化，無熱量傳遞，故設(shè)定密度為常數(shù)。隧道實際的長度利于其出口截面的流動充分發(fā)展，可使所有變量的法向梯度為零。本次計算采用壓力出口邊界條件，將出口設(shè)定為0 MPa。近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)法進行處理，由于氣體與壁面接觸的界面不存在滑移，故壁面采用無滑移邊界條件。算法設(shè)置方面采用基于壓力耦合方程組的半隱式算法與壓力交錯插補格式對壓力方程進行求解，動量、湍動能和耗散率則采用二階迎風(fēng)差分格式進行離散。

2.3 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.3.1 漏纜卡具表面壓力特性

通過對不同蓋板寬度的漏纜卡具進行風(fēng)洞仿真，計算得到各風(fēng)速下卡具表面的正負壓力峰值，提取數(shù)據(jù)繪制最大正壓力、負壓力隨風(fēng)速變化的曲線，正負壓力變化曲線如圖5所示。由圖可知，兩種漏纜卡具的最大正壓力與最大負壓力均隨風(fēng)速增加而增加，風(fēng)速越大壓力增幅越大。對比卡具的最大正壓力曲線可知，寬度變化對正壓力的影響極小，原因是氣流正向沖擊卡具迎風(fēng)面，在該處形成駐區(qū)，使動壓轉(zhuǎn)化為靜壓，而兩卡具寬度不同，但迎風(fēng)面面積相同，故正壓力相差較小。反觀負壓力曲線可知，35 mm寬的卡具負壓力絕對值低于25 mm 寬的卡具，原因是一定速度的氣流沖擊卡具固體邊界形成脫流，產(chǎn)生大尺度旋渦，而寬度較小的卡具背風(fēng)面旋渦發(fā)展相對成熟，湍流效應(yīng)較為劇烈，因此靜壓難以恢復(fù)，背風(fēng)面的負壓偏大。說明增大寬度可消減負壓力值，而負壓力降低不僅可減小卡具的形變量，還能減弱其振動幅度。

(a) 最大正壓力曲線

(b) 最大負壓力曲線圖5 正負壓力變化曲線

2.3.2 漏纜卡具靜力特性

通過將不同風(fēng)速下漏纜卡具承受的壓力載荷加載其表面進行靜力學(xué)計算，獲得兩種卡具在各風(fēng)速下的位移值，繪制卡具順風(fēng)向平均位移隨風(fēng)速的變化曲線如圖6所示。由圖可知，兩種漏纜卡具的平均位移值隨風(fēng)速增加而增加，25 mm寬的卡具順風(fēng)向位移均高于35 mm款的卡具，與負壓力載荷的變化規(guī)律一致。當(dāng)兩種卡具受60 m/s活塞風(fēng)最大荷載作用時，底座與插銷的位移量均較小，幾乎不發(fā)生形變；而25 mm寬的卡具蓋板順風(fēng)向位移值相對偏大，約為0.061 mm，與蓋板厚度(3 mm)相比可忽略不計，即蓋板在最大風(fēng)載荷作用下不會發(fā)生變形失效，說明兩種卡具在極限載荷作用下具有足夠的抵抗變形的能力，整體剛強度較高，不會發(fā)生蓋板脫落、底座撕裂以及卡束從金屬件中脫落等安全事故。

圖6 卡具順風(fēng)向平均位移隨風(fēng)速的變化曲線

3 地震譜抗震性能分析

3.1 地震譜響應(yīng)分析

地震作用是由地殼運動引發(fā)的結(jié)構(gòu)動力效應(yīng)，其傳播的加速度大小與振動頻率具有一定規(guī)律。利用有限元方法分析8、9度地震烈度作用時，按照地震譜響應(yīng)(通過地震加速度波數(shù)據(jù)得到某一時間內(nèi)的地震波)方案進行計算，利用這一時間內(nèi)的譜數(shù)據(jù)將地震作用當(dāng)作地震波響應(yīng)來分析。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[GB 50011—2010(2016版)](以下簡稱“設(shè)計規(guī)范”)可查得地震影響系數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 地震影響系數(shù)曲線

水平地震影響系數(shù)最大值選取以多遇地震為原則，取8、9度地震烈度，αmax為0.24、0.32；設(shè)定地震區(qū)為近震區(qū)，將Tg取為0.20 s；并按照設(shè)計規(guī)范將h1取為0.02，h2取為1，g取為0.9。確定以上系數(shù)值后可求得不同時刻的水平地震影響系數(shù)α值，繼而求得設(shè)計基本地震加速度，獲得8、9度地震烈度下的地震譜。此處為節(jié)省篇幅，未羅列詳細的地震譜數(shù)據(jù)。

3.2 邊界條件及約束設(shè)置

地震譜分析是通過分析結(jié)構(gòu)固有頻率和地震的主振頻率共振時的位移與應(yīng)力變化得到的，因此分析地震譜前需進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。模態(tài)是指機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每個模態(tài)都有特定的固有頻率和模態(tài)振型。在模態(tài)分析過程中，所有非線性都將轉(zhuǎn)化為線性進行求解，因此將漏纜卡具各接觸定義為綁定接觸(bonded)。地震譜分析是計算漏纜卡具安裝在隧道襯砌壁面時的地震響應(yīng)，為真實地反映卡具狀態(tài)，其模態(tài)分析需定義為含約束的模態(tài)而不是結(jié)構(gòu)自由模態(tài)，混凝土座墩底面被定義為固定約束(fixed support)。兩種卡具的三維模型簡化與網(wǎng)格劃分與前文相似，此處不再詳述。

3.3 漏纜卡具的8度地震烈度應(yīng)力分析

通過對不同寬度的漏纜卡具進行8度抗震仿真，計算得各卡具的等效應(yīng)力。8度地震烈度下漏纜卡具等效應(yīng)力分布如圖8所示。圖中，S25卡具為25 mm寬的卡具，S35卡具為35 mm寬的卡具，下同。

(a) S25卡具的等效應(yīng)力

(b) S35卡具的等效應(yīng)力圖8 8度地震烈度下漏纜卡具等效應(yīng)力分布

在8度地震烈度作用下，各漏纜卡具等效應(yīng)力分布相似，偏大位置均主要集中在基座上下加強筋部位，最大等效應(yīng)力均低于0.018 MPa，此值遠低于尼龍材料的屈服強度極限值65 MPa，說明兩種卡具的強度較高，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生塑性變形。各漏纜卡具的變形最大值均位于卡具上蓋橫梁處，最大形變量小于0.001 5 mm，此形變值相對蓋板厚度(3 mm)可忽略不計，由此可見8度地震對兩種漏纜卡具結(jié)構(gòu)無明顯影響。

3.4 漏纜卡具9度地震烈度應(yīng)力分析

通過對不同寬度的漏纜卡具進行9度抗震仿真，計算得各卡具的等效應(yīng)力。9度地震烈度下漏纜卡具等效應(yīng)力分布如圖9所示。

(a) S25卡具的等效應(yīng)力

(b) S35卡具的等效應(yīng)力圖9 9度地震烈度下漏纜卡具等效應(yīng)力分布

在9度地震烈度作用下，各卡具等效應(yīng)力分布相似，偏大位置均主要集中在基座上下加強筋部位(與8度地震變化相似)，最大等效應(yīng)力均低于0.024 MPa，此值遠低于尼龍材料的屈服強度極限值65 MPa，其余部位的應(yīng)力均較小，說明卡具本身強度較高，在9度地震作用下結(jié)構(gòu)不會發(fā)生塑性變形，且不會發(fā)生卡束撕裂或脫落現(xiàn)象，可大大降低檢修的成本。兩者變形最大值均位于卡具上蓋橫梁處，S25卡具的變形量相對較大，約為0.001 9 mm，此形變值相對殼體厚度3 mm 極小，可認定不發(fā)生形變，故9度地震對不同寬度的漏纜卡具結(jié)構(gòu)均無明顯影響。

4 結(jié)論

本文通過剖析早期漏纜卡具存在的弊端，對卡具進行了優(yōu)化設(shè)計，并借由有限元分析軟件對設(shè)計的兩款不同寬度的新型漏纜卡具進行風(fēng)洞仿真與抗震性能預(yù)測，詳細分析其受力以及發(fā)生形變的情況后，得出結(jié)論如下。

(1) 當(dāng)兩種漏纜卡具受60 m/s活塞風(fēng)最大荷載作用時，卡具順風(fēng)向最大位移值位于蓋板處，約為0.061 mm，故在活塞風(fēng)載荷下卡具結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生形變。對比各風(fēng)速產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)可知，漏纜卡具寬度增大可消減負壓力值，減小形變量，說明漏纜卡具寬度增大后抗風(fēng)性能更為優(yōu)異。

(2) 在8度與9度地震作用下，各漏纜卡具結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力均較小，整體應(yīng)力分布遠低于尼龍材料的屈服極限強度，且形變量極小，說明漏纜卡具能抵抗8度烈度以上的振動，具有較強的抗震性能。

(3) 新型漏纜卡具能抵抗60 m/s的活塞風(fēng)極限載荷作用以及8度地震烈度以上的振動，穩(wěn)定性較好，說明通過優(yōu)化漏纜卡具的結(jié)構(gòu)，提高了卡具的可靠性與安全性，解決了早期漏纜卡具存在的安全隱患，為漏纜信號的敷設(shè)提供了保障。