隧道內(nèi)小結(jié)構(gòu)高度接觸網(wǎng)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)性能研究

余綱

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

1 概述

國內(nèi)電氣化鐵路接觸網(wǎng)多采用鏈型懸掛，時速200km鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度一般不小于1400mm，隧道內(nèi)為減小接觸網(wǎng)對隧道的影響，降低隧道凈空高度，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度常采用950mm～1100mm[1-2]。降低接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度可降低隧道凈空高度，減少隧道開挖，減少棄渣。近年來我國西部地區(qū)鐵路發(fā)展迅速，部分地區(qū)受地震、高海拔、惡劣氣候條件等因素的影響，隧道施工難度及環(huán)境保護問題較為突出。近期開工的某高原山區(qū)鐵路，隧道比例大于90%，最長的易貢隧道達到42.6km[3]。以單線鉆爆法隧道為例，接觸網(wǎng)每減少100mm結(jié)構(gòu)高度，可減少約0.52m2斷面開挖，每正線公里減少約0.31 萬m3棄渣，可大幅減小施工安全風險和對環(huán)境的影響。接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度受跨距、導線張力、最短吊弦、定位器長度及拉出值等技術參數(shù)影響，進而影響弓網(wǎng)關系和接觸網(wǎng)系統(tǒng)設計。本文通過計算和仿真，對接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度對系統(tǒng)設計參數(shù)及腕臂系統(tǒng)的力學性能進行研究，從結(jié)構(gòu)適應性角度提出時速200km 鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度選擇建議，可對山區(qū)復雜環(huán)境地區(qū)接觸網(wǎng)設計提供參考。

2 接觸網(wǎng)技術參數(shù)選取

國內(nèi)已開通200km/h 及以上線路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)系統(tǒng)，均采用柔性架空接觸網(wǎng)；腕臂裝置主要采用三角支撐結(jié)構(gòu)，部分有采用整體腕臂、弓形腕臂形式；結(jié)構(gòu)高度一般不小于1000mm；海南環(huán)島等鐵路采用整體腕臂，其結(jié)構(gòu)高度950mm；隧道內(nèi)定位器采用限位定位器，定位器長度一般為1050～1200mm；隧道內(nèi)最短吊弦長度一般不小于450mm。

接觸網(wǎng)技術參數(shù)及設備選型參考西部高原某鐵路，承力索選用120mm2銅合金絞線，接觸線采用150mm2銅合金接觸線，導線張力組合選用15kN+20kN。

為減小結(jié)構(gòu)高度，選用結(jié)構(gòu)高度為950mm、750mm、550mm3種不同結(jié)構(gòu)高度的腕臂支持裝置進行研究。分別確定相應的腕臂支持裝置裝置的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)高度950mm時，采用目前有較多成熟應用經(jīng)驗的整體腕臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度750mm 時采用目前時速160km 及以下鐵路有應用經(jīng)驗的加強型復合截面弓形腕臂，結(jié)構(gòu)高度550mm 采用弓形腕臂結(jié)構(gòu)[4-5]，見圖1。

圖1 不同結(jié)構(gòu)高度腕臂支撐裝置形式

3 小結(jié)構(gòu)高度對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響

接觸網(wǎng)采用小結(jié)構(gòu)高度，對接觸網(wǎng)系統(tǒng)主要影響是承力索及接觸線距離縮小引起吊弦長度的縮短，進而影響跨距長度、拉出值及定位器長度、接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關系等。

3.1 對最短吊弦的影響

僅考慮柔性吊弦，為縮短吊弦長度，可采用無螺栓吊弦，其主要結(jié)構(gòu)為線夾（模鍛）、載流環(huán)（雙）、U 型掛環(huán)。見圖2，導線中心至吊弦線夾高度約15mm，載流環(huán)最低折彎高度約45mm，壓接長度約30mm。按不同運行時速，弓網(wǎng)動態(tài)運行過程中吊弦處承力索與接觸線抬升最大差值20mm～50mm，僅考慮零部件本體結(jié)構(gòu)，柔性吊弦理論上最短長度可縮短為約200mm～250mm。

圖2 典型無螺栓吊弦示意圖

按《鐵路電力牽引供電設計規(guī)范》（TB10009-2016）規(guī)定，時速200km 最短吊弦不應小于400mm，隧道內(nèi)及跨線建筑物處最短吊弦可根據(jù)凈空情況酌情減小[6]。

柔性吊弦長度縮短，通過減小柔性吊弦線長度實現(xiàn)，易導致吊弦剛度變大。受風、覆冰等環(huán)境因素及機車通過時受電弓抬升影響，接觸網(wǎng)振動頻繁，吊弦剛性過大會對吊弦壽命及弓網(wǎng)關系有較大的影響。國內(nèi)時速200km 運營鐵路，隧道內(nèi)實際最短吊弦長度一般不小于450mm[7]。

3.2 對跨距長度影響

因結(jié)構(gòu)高度的減小，為保證跨中最短吊弦長度，接觸網(wǎng)跨距也應縮小。國內(nèi)鐵路隧道內(nèi)二襯一般通過臺車進行混凝土澆筑，為施工和臺車開孔方便，接觸網(wǎng)定位安裝點多位于臺車模板的固定位置，跨距長度宜為臺車尺寸的倍數(shù)。按目前國內(nèi)最常用的12m 臺車尺寸，隧道內(nèi)承、導線采用15kN+20kN 張力組合，不同結(jié)構(gòu)高度接觸網(wǎng)最短吊弦及跨距組合計算結(jié)果見表1[8]。

表1 不同跨距和結(jié)構(gòu)高度最短吊弦

從表中數(shù)據(jù)可知，結(jié)構(gòu)高度減小后導致跨距縮短，單位長度接觸網(wǎng)零部件及設備數(shù)量變大，增加了施工及運營維護的工作量。

3.3 對拉出值的影響

接觸網(wǎng)導線應按定位器最佳受力狀態(tài)，根據(jù)跨距、接觸線線型和張力、定位點最大抬升量等因素計算確定拉出值。

以接觸線張力20kN、定位器長度950mm 為例，計算不同跨距下的定位點最大拉出值，見表2。

結(jié)構(gòu)高度減小后，接觸網(wǎng)跨距縮小，會導致拉出值縮小。

我國目前國鐵上運行的機車受電弓弓頭幾何外形符合UIC608 附4a 規(guī)定，弓頭的長度一般為1950mm，受電弓單側(cè)有效工作范圍大于450mm。從表2 數(shù)據(jù)可知，采用小跨距時導線拉出值遠小于受電弓有效工作范圍值，導線與機車受電弓摩擦范圍變小，縮短受電弓壽命。

表2 跨距及接觸網(wǎng)拉出值對照表

4 腕臂結(jié)構(gòu)力學性能

采用基于有限元原理MIDAS 結(jié)構(gòu)仿真軟件按結(jié)構(gòu)高度為950mm、750mm、550mm 的3 種腕臂支持裝置分別建立實體數(shù)學模型，對腕臂結(jié)構(gòu)的應力及變形、腕臂支持裝置局部變形、腕臂支持裝置剛度進行仿真計算和分析。腕臂結(jié)構(gòu)仿真接觸網(wǎng)輸入技術參數(shù)選取見表3。

表3 腕臂結(jié)構(gòu)仿真接觸網(wǎng)技術參數(shù)

4.1 腕臂應力及變形

按《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》TB/T 2075.1-2020 對腕臂支持裝置總體性能要求，計算確認不同結(jié)構(gòu)腕臂支持裝置的靜態(tài)受力情況[9-10]。采用荷載分項系數(shù)計算方法，恒荷載分項系數(shù)取1.3，活荷載分項系數(shù)取1.5，靜態(tài)荷載趨于動態(tài)計算[7]。按《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術條件》TB/T 2073-20210 規(guī)定，強度標準設計值拉應力不得小于67%的屈服強度，剪切應力不得小于42%的屈服強度[11]。

腕臂管徑60mm 壁厚5.0mm，材質(zhì)Q355 低合金鋼，定位器的材料按照采用鋁合金5 系列，強度設計值180MPa。

腕臂支持裝置關鍵單元為承力索座、定位支座及定位器本體，經(jīng)仿真計算后可知，三種結(jié)構(gòu)高度腕臂系統(tǒng)，其最大應力均發(fā)生在定位器本體處。結(jié)構(gòu)高度550mm 的腕臂支撐裝置，最大應力146MPa；結(jié)構(gòu)高度750mm 的腕臂支撐裝置，最大應力131MPa；結(jié)構(gòu)高度950mm 的腕臂支持裝置，最大應力132MPa。按相關零部件均采用規(guī)定材料的最大設計強度，3 種腕臂支撐裝置結(jié)構(gòu)關鍵單元局部受力及安全冗余度見表4，結(jié)構(gòu)高度越高腕臂支撐裝置，其關鍵單元所受的局部應力越小，結(jié)構(gòu)的安全冗余度也越大。

表4 腕臂支持裝置局部應力及安全冗余

4.2 腕臂支持裝置局部變形分析

采用與上述應力研究相同技術參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)仿真計算輸出局部變形結(jié)果可知，腕臂支持裝置局部變形的關鍵單元位于承力索、定位支座及定位器本體，雖最大應力均發(fā)生在定位器本體處，但腕臂支持裝置最大局部變形發(fā)生在不同的位置。

結(jié)構(gòu)高度550mm 腕臂支撐裝置，最大變形發(fā)生在承力索座處，變形量為1.9mm；結(jié)構(gòu)高度750mm 腕臂支撐裝置，最大的變形發(fā)生在定位管端部，變形量為5.9mm，承力索座處變形量為0.2mm；結(jié)構(gòu)高度950mm 腕臂支撐裝置，最大的變形發(fā)生在定位管與斜腕臂連接處，變形量為-1.09mm，承力索座處變形量為-0.85mm。3 種腕臂支撐結(jié)構(gòu)關鍵單元承力索座處最大變形量及安全冗余度見表5。

表5 腕臂支持裝置最大變形量及冗余度

從設備桿件局部變形允許量分析，腕臂支持裝置結(jié)構(gòu)高度越大，承力索座處的變形（撓度）呈下降趨勢，但因950mm結(jié)構(gòu)高度腕臂結(jié)構(gòu)為局部簡支結(jié)構(gòu)，另兩種為懸臂結(jié)構(gòu)，局部最大的變形點不在同一位置。

4.3 腕臂支持裝置剛度分析

為保障設備在運輸、安裝中結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性，還需對腕臂支持裝置主桿件的剛度進行分析和比較[12]。按照《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》（GB50017-2017）中關于鋼結(jié)構(gòu)桿件的長細比規(guī)定進行計算，腕臂管長細比不得大于150，越接近桿件剛度越差，見表6。

表6 受壓構(gòu)件的長細比容許值

對3 種腕臂支撐裝置鋼結(jié)構(gòu)桿件的長細比進行計算，見表7。

表7 腕臂支持裝置主桿件剛度

從表7 可知，腕臂支持裝置結(jié)構(gòu)高度越大剛度越大。結(jié)構(gòu)高度550mm 時的弓型腕臂結(jié)構(gòu)剛度較差，若采用外徑60mm 的標準腕臂管，長細比為108，采用外徑76mm 加強型腕臂管，調(diào)整腕臂結(jié)構(gòu)減小有效計算懸臂長度可改善剛度，但效果仍較差；較結(jié)構(gòu)高度950mm 的整體腕臂結(jié)構(gòu)，其整體剛度下降64.7%。

5 結(jié)論

5.1 通過對結(jié)構(gòu)高度對接觸網(wǎng)系統(tǒng)影響的分析可知，減小隧道內(nèi)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度，會縮短跨中最短吊弦長度，減小柔性吊弦剛度，影響設備使用壽命；最短吊弦縮短后需減小隧道內(nèi)跨距長度，會導致設備數(shù)量增加，增加投資和施工運營壓力；跨距減小導致導線拉出值減小，會縮短機車受電弓使用壽命。結(jié)構(gòu)高度的調(diào)整引起的定位點及增多、導線馳度變化等因素對弓網(wǎng)關系的影響趨于惡化，其具體影響仍需進一步研究。

5.2 通過3 種不同結(jié)構(gòu)高度腕臂支持裝置的應力與變形、局部強度、剛度等力學性能的仿真計算和分析可知：結(jié)構(gòu)高度大的支持裝置在應力指標方面，體現(xiàn)出更高的安全可靠性，最大應力定位器本體處，950mm 結(jié)構(gòu)高度安全性較750mm 及550mm 高19.4%和48.3%；支持裝置結(jié)構(gòu)高度增大，腕臂結(jié)構(gòu)相同部位的撓度和變形會隨之減小，但因結(jié)構(gòu)差異，局部最大變形位置可能不同，須根據(jù)變形量及關鍵單元位置等因素綜合判斷結(jié)構(gòu)的適應性；結(jié)構(gòu)高度大的腕臂結(jié)構(gòu)剛度更大，結(jié)構(gòu)高度550mm 弓型腕臂結(jié)構(gòu)剛度較差，較結(jié)構(gòu)高度750mm 的整體腕臂結(jié)構(gòu)，其整體剛度下降48.7%，較結(jié)構(gòu)高度950mm 的整體腕臂結(jié)構(gòu)，其整體剛度下降64.7%。

5.3 實際工程中如采用結(jié)構(gòu)高度550mm 腕臂系統(tǒng)，需采用設置支撐等措施改變腕臂支撐方式增大剛度，結(jié)構(gòu)的調(diào)整也需對承力索座、定位器支座等部分現(xiàn)有標準零部件進一步優(yōu)化和加強。

5.4 從接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)力學性能角度分析，在復雜山區(qū)時速200km 鐵路，可適當減小接觸網(wǎng)低結(jié)構(gòu)高度，降低隧道施工難度和減輕環(huán)保壓力。