單/雙承力索橋梁接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載研究

代笑顏，牛華偉，楊佳，陳奮飛，陳政清

(1.湖南大學(xué) 風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410028；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

接觸網(wǎng)是為列車供電的結(jié)構(gòu)，為電氣化鐵路的重要組成部分，具有跨距長(zhǎng)、柔性大的特點(diǎn)。隨著我國(guó)西部高鐵的建設(shè)，高鐵線路橋隧占比越來越高，自然風(fēng)經(jīng)由峽谷地形上的橋梁斷面及風(fēng)屏障到達(dá)接觸網(wǎng)所在位置，其風(fēng)場(chǎng)特性會(huì)發(fā)生較大變化[1-5]，導(dǎo)致橋上接觸網(wǎng)風(fēng)毀。何瑋等[6-10]研究了風(fēng)屏障高度和透風(fēng)率對(duì)列車氣動(dòng)特性、車橋耦合振動(dòng)特性的影響；HE 等[11-12]研究了百葉窗型風(fēng)屏障防風(fēng)效果及其參數(shù)優(yōu)化；李永樂等[13]研究了鐵路風(fēng)屏障氣動(dòng)繞流及風(fēng)屏障特性；謝強(qiáng)等[14-16]通過剛性節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究了接觸線覆冰和不覆冰狀態(tài)下的氣動(dòng)力特性，通過氣彈模型試驗(yàn)研究了接觸網(wǎng)在不同紊流度和風(fēng)速下的風(fēng)振響應(yīng)特性；吳凡平等[17]通過CFD 數(shù)值模擬研究了典型峽谷地形下接觸網(wǎng)風(fēng)振特性；劉改紅[18]研究了風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻下的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)速；接觸網(wǎng)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的參考規(guī)范[19-21]，對(duì)接觸網(wǎng)在平坦地區(qū)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)已較為可靠，但對(duì)于架設(shè)在具有特殊風(fēng)場(chǎng)的橋梁接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)速及設(shè)計(jì)風(fēng)荷載取值研究還不夠充分，對(duì)不同布置形式接觸網(wǎng)的體型系數(shù)探究尚不明晰。在此基礎(chǔ)上，本文依托某鐵路特大橋接觸網(wǎng)項(xiàng)目，提出橋梁接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載修正方法，針對(duì)桁架梁斷面及風(fēng)屏障和雙線單導(dǎo)的新型布置形式，分別制作主梁節(jié)段模型及單線單導(dǎo)和雙線單導(dǎo)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)節(jié)段模型，通過風(fēng)洞試驗(yàn)探究峽谷橋梁接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載修正系數(shù)，研究成果為橋梁接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)提供參考，為我國(guó)電氣化鐵路將來修訂相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范提供依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 橋梁接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載修正方法

本文所涉及的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，為架設(shè)在橋梁上的特殊結(jié)構(gòu)?？紤]橋梁軸線方向垂直來流風(fēng)向的狀況，參考建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[20]風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及基本風(fēng)壓的計(jì)算公式提出橋梁接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載的計(jì)算方法。假定遠(yuǎn)方來流為U，U經(jīng)過地形到達(dá)橋位主梁時(shí)處變?yōu)閁0，U0越過橋梁斷面及風(fēng)屏障到達(dá)接觸網(wǎng)所在位置處變?yōu)轱L(fēng)速Uij。其中U可由氣象站資料確定，作用在接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系上的風(fēng)速Uij，需先對(duì)遠(yuǎn)方來流風(fēng)速進(jìn)行地形修正ηt，修正后為橋梁主梁所在高度位置處風(fēng)速U0，再經(jīng)由橋梁斷面及風(fēng)屏障修正ηb，修正到接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)所在位置處風(fēng)速Uij，修正后的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)速Vka的公式為：

式中：Vka為接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)速；V10為橋梁所在地區(qū)的10 m 高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速；ηt為地形修正系數(shù)，值得注意的是，本文ηt中已包含了風(fēng)速對(duì)高度的修正；ηb為考慮橋梁斷面及風(fēng)屏障影響的修正系數(shù)；U為峽谷谷口來流風(fēng)速；U0為橋址處橋梁斷面高度前來流風(fēng)速；Uij為橋梁接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系不同結(jié)構(gòu)處對(duì)應(yīng)風(fēng)速。根據(jù)修正后的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)所在位置處風(fēng)速Vka計(jì)算風(fēng)壓，再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行體型系數(shù)μs和風(fēng)振系數(shù)βz修正，得到接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，修正后的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載Wks公式為：

式中：Wks為接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；Wka為考慮地形與橋梁斷面及風(fēng)屏障等影響修正后的風(fēng)壓；βs為接觸網(wǎng)不同部位的風(fēng)振系數(shù)；μs是接觸網(wǎng)不同部位的體型系數(shù)；U0為橋址處橋梁斷面高度前來流風(fēng)速；A為結(jié)構(gòu)在空間平面內(nèi)的投影面積；ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；FV為體軸阻力沿橫線向，與來流方向一致；FH為體軸升力沿豎向，如圖4 所示；CV為體軸阻力系數(shù)；CH為體軸升力系數(shù)。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 工程背景

某鐵路特大橋位于四川西部，橋面高程約1 700 m，大橋主梁為鋼桁梁，跨度為1 060 m，如圖1(a)所示。與普通接觸網(wǎng)單線單導(dǎo)的布置形式(見圖1(b))不同，該鐵路接觸網(wǎng)線路擬采用雙線單導(dǎo)的布置形式(見圖1(c))，沿線增加一條承力索，以增大接觸網(wǎng)載流，提升列車通行能力，克服川藏地區(qū)復(fù)雜地形。

圖1 某峽谷特大橋及橋上接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.1 A large canyon bridge and catenary structure layout diagram on the bridge

2.2 主梁節(jié)段模型及風(fēng)屏障風(fēng)洞試驗(yàn)

現(xiàn)行規(guī)范中接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)基本風(fēng)速分為風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速，2 類設(shè)計(jì)風(fēng)速按照接觸網(wǎng)所在地空曠地區(qū)的10 m 高度處的10 min 時(shí)距下，分別取15 a和50 a重現(xiàn)期內(nèi)風(fēng)速的平均最大值。對(duì)于橋梁接觸網(wǎng)，來流需經(jīng)過橋梁斷面和橋面風(fēng)屏障，其風(fēng)速特性會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，而現(xiàn)行規(guī)范中橋梁斷面和風(fēng)屏障對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)速取值的影響并未得到充分考慮。為了研究該桁架橋主梁斷面及橋面風(fēng)屏障對(duì)接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)速的影響，在湖南大學(xué)高速試驗(yàn)段進(jìn)行了主梁節(jié)段模型及風(fēng)屏障風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試。

根據(jù)工程初步方案，該橋主梁采用桁架方案，梁寬30 m，梁高12 m，橋面風(fēng)屏障頂部距離上橋面高3 m，透風(fēng)率為30%。按照1/50 縮尺比，制作長(zhǎng)2 m，寬0.6 m 的主梁剛性節(jié)段模型，橋上風(fēng)屏障縮尺后高度為0.06 m，如圖2(a)所示。試驗(yàn)將主梁剛性階段模型固結(jié)在立柱上，保證模型剛性；試驗(yàn)通過旋轉(zhuǎn)模型實(shí)現(xiàn)0°，15°和30°風(fēng)偏角的變化；試驗(yàn)風(fēng)攻角保持為0°；試驗(yàn)來流為均勻流，紊流度在1%以內(nèi)；試驗(yàn)風(fēng)速在10～20 m/s 范圍內(nèi)變化，風(fēng)速采集設(shè)備為澳大利亞TFI公司的三維眼鏡蛇探針，探針固定在特制的由電機(jī)控制升降的移測(cè)架上，如圖2(b)所示，風(fēng)速采集儀采樣頻率為1 000 Hz，采樣時(shí)間為60 s。

圖2 主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)Fig.2 Wind tunnel test of main girder segment model

選取橋上接觸網(wǎng)所在區(qū)域各部件位置作為測(cè)點(diǎn)，采集測(cè)點(diǎn)風(fēng)速Uij，測(cè)點(diǎn)布置如圖3，其中Ui1～Ui4為接觸網(wǎng)立柱不同高度處測(cè)點(diǎn)，Ui5為承力索高度處測(cè)點(diǎn)，Ui6為接觸線高度處測(cè)點(diǎn)。在節(jié)段模型前5倍梁寬位置采集與目標(biāo)測(cè)點(diǎn)相同高度處的風(fēng)速作為橋位處來流參考風(fēng)速U0。根據(jù)式(3)計(jì)算不同風(fēng)速和風(fēng)向角下各測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速與來流參考風(fēng)速的比值作為接觸網(wǎng)區(qū)域各點(diǎn)的風(fēng)速修正系數(shù)ηb，來研究該橋桁架斷面及風(fēng)屏障對(duì)接觸網(wǎng)所在區(qū)域來流風(fēng)速的影響。

圖3 橋梁斷面及風(fēng)屏障影響系數(shù)ηb節(jié)段模型測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Measuring point layout of bridge section and wind barrier influence coefficient ηb segment model

圖4 體軸力示意圖Fig.4 Schematic diagram of body axial force

2.3 接觸網(wǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)

因縮尺比限制，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)無法在橋梁節(jié)段模型上直接測(cè)力，故根據(jù)該橋接觸網(wǎng)初步設(shè)計(jì)方案，取線索體系跨中1.8 m 按照1∶1 比例制作剛性節(jié)段模型測(cè)力。試驗(yàn)接觸線為CTS150 型，橫截面為雙燕尾槽葫蘆形導(dǎo)線，直徑為14.4 mm；承力索為JTMH120 型，是19 根1 束的絞線，直徑為14 mm。針對(duì)單/雙承力索接觸網(wǎng)的實(shí)際布置形式，設(shè)置了5種工況的布置形式，研究不同布置形式的接觸線、單/雙承力索體型系數(shù)在不同風(fēng)速和風(fēng)偏角下的變化情況，接觸線和承力索截面尺寸及試驗(yàn)工況如圖5所示，工況1，工況2和工況3分別測(cè)試無干擾時(shí)接觸線和單/雙承力索的氣動(dòng)力，工況4和工況5 先后分別測(cè)試單/雙承力索和接觸線互為干擾時(shí)的氣動(dòng)力。其中工況3 和工況5 中雙承力索間距取50 mm，工況4 和工況5 中承力索與接觸線間距取623 mm。模型氣動(dòng)外形用3D打印的外衣模擬，內(nèi)芯采用不銹鋼管，增加模型剛度。試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)為均勻流場(chǎng)，通過轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)0°和30°風(fēng)偏角變換，風(fēng)攻角保持為0°，試驗(yàn)風(fēng)速10～30 m/s，試驗(yàn)雷諾數(shù)在0.98×104～2.96×104范圍內(nèi)，天平采用SRI 低量程高精度六分量測(cè)力天平，采樣頻率100 Hz，試驗(yàn)照片如圖6 所示。采集各工況下承力索和接觸線上所受阻力FV和升力FH，根據(jù)式(6)～(8)計(jì)算線索結(jié)構(gòu)體型系數(shù)μs。對(duì)比不同風(fēng)速條件下，雙承力索、單線單導(dǎo)和雙線單導(dǎo)等布置形式及風(fēng)偏角對(duì)接觸線和承力索體型系數(shù)影響。

圖5 接觸網(wǎng)剛性模型工況示意圖Fig.5 Schematic diagram of catenary rigid model working condition

圖6 接觸網(wǎng)剛性測(cè)力試驗(yàn)Fig.6 Force test of catenary rigidity

3 風(fēng)荷載修正系數(shù)

3.1 橋梁斷面及風(fēng)屏障影響的修正系數(shù)ηb

橋梁節(jié)段風(fēng)速測(cè)試風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果如圖7 和圖8所示。由圖7 可見，在1/2 欄桿高度處迎風(fēng)側(cè)ηb穩(wěn)定在0.4左右，背風(fēng)側(cè)ηb穩(wěn)定在0.1左右；在欄桿上緣高度處ηb隨風(fēng)速的增加略微減小，迎風(fēng)側(cè)ηb取值0.35～0.55之間，背風(fēng)側(cè)ηb取值在0.25～0.40之間；自接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)最低點(diǎn)開始，到接觸網(wǎng)立柱頂端，背風(fēng)側(cè)ηb穩(wěn)定在1.1，迎風(fēng)側(cè)ηb取值在1.0～1.1之間。

圖7 不同風(fēng)速0°風(fēng)偏角下ηb隨距離模型橋面高度變化圖Fig.7 Diagram of height variation of model bridge deck ηb with distance at 0° wind declivity angle of different wind speeds

圖8 不同風(fēng)速下接觸線及承力索位置處ηb隨風(fēng)偏角變化圖Fig.8 Variation diagram of ηb at contact line position with wind deflection angle under different wind speeds

圖8為不同風(fēng)速不同風(fēng)偏角下接觸線、承力索所在高度位置處的ηb變化圖，二者在迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)、不同風(fēng)偏角以及不同風(fēng)速條件下ηb基本保持不變，接觸線迎風(fēng)側(cè)ηb取值在1.08～1.11 之間，背風(fēng)側(cè)ηb取值在1.10～1.12 之間，承力索迎風(fēng)側(cè)ηb取值在1.07～1.11 之間，背風(fēng)側(cè)ηb取值在1.10～1.125之間。

綜上所述，本文所針對(duì)的設(shè)立3 m高30%透風(fēng)率的風(fēng)屏障的桁架梁斷面，其橋梁斷面及風(fēng)屏障修正系數(shù)ηb，接觸線高度處可按1.12取值，承力索處可按1.13 取值，這與劉改紅[18]的研究結(jié)果基本一致。

3.2 接觸網(wǎng)體型系數(shù)μs

接觸網(wǎng)體型系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果如圖9～10 所示。圖9 和圖10 分別為接觸線和承力索在不同風(fēng)偏角下不同布置形式的體型系數(shù)μs隨風(fēng)速變化圖。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，隨風(fēng)速增大接觸線和承力索各工況下μs變化不大；由圖9 和圖10 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，30°風(fēng)偏角下接觸線和承力索的μs均略小于0°風(fēng)偏角下的μs。

圖9 各工況接觸線體型系數(shù)隨風(fēng)速變化圖Fig.9 Variation diagram of shape coefficient of contact line under various working conditions with wind speed

圖10 各工況承力索體型系數(shù)隨風(fēng)速變化圖Fig.10 Variation diagram of shape coefficient of load-bearing cable under various working conditions with wind speed

接觸線結(jié)構(gòu)在0°風(fēng)偏角，不同布置形式下，單接觸線工況的接觸線μs最小，μs取值在1.25～1.30之間；單線單導(dǎo)工況的接觸線μs最大，取值在1.3～1.4 之間；雙線單導(dǎo)工況的接觸線μs取值略小于單線單導(dǎo)工況，取值在1.3～1.35之間。

承力索結(jié)構(gòu)在0°風(fēng)偏角，不同布置形式條件下，單承力索工況的承力索μs最小，μs取值在1.39～1.45 之間；雙線單導(dǎo)工況的雙承力索μs最大，取值在1.60～1.75之間；雙承力索的體型系數(shù)取值在1.56～1.75之間，單承力索的體型系數(shù)取值在1.39～1.49之間，雙承力索體型系數(shù)高出單承力索12.2%～17.4%。需要指出的是，含有雙承力索的工況體型系數(shù)計(jì)算時(shí)阻力系數(shù)CV的投影面積A取1 根承力索在順風(fēng)向投影面積，升力系數(shù)CH的投影面積取2根承力索在豎向的投影面積。

綜上所述，不同布置形式的接觸線和承力索的體型系數(shù)隨風(fēng)偏角增大而減小，最大值在0°風(fēng)偏角處取得；不同布置形式下接觸線和承力索之間氣動(dòng)干擾不明顯；雙承力索大于單承力索的體型系數(shù)，小于2 倍單根接觸線的體型系數(shù)，故50 mm 間距的雙承力索之間存在一定的氣動(dòng)干擾。接觸線μs偏保守可取1.4，單承力索μs偏保守可取1.5。相較于現(xiàn)行接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范[19]中接觸網(wǎng)線索結(jié)構(gòu)單承力索和接觸線體型系數(shù)μs取值所規(guī)定的1.2，分別增大了16.7%和25%，其主要原因是：本文體型系數(shù)同時(shí)考慮了線索結(jié)構(gòu)受到的順風(fēng)向和豎向所受氣動(dòng)力，計(jì)算取阻力和升力的合力，而規(guī)范體型系數(shù)僅考慮了順風(fēng)向的阻力[15-16]。雙承力索偏保守可取1.75，比1 倍單規(guī)范單索取值1.2增加了45.8%，是因?yàn)楸疚臏y(cè)試雙承力索工況測(cè)試的是2根承力索合力，計(jì)算時(shí)的投影面積與單索相同，所以計(jì)算的體型系數(shù)較大；比2倍規(guī)范單索取值2.4，減少了27.1%，是因?yàn)楸疚碾p承力索為串列布置，其間距50 mm 與單根索直徑14 mm 的比值僅為3.57，間距比較小的串列雙圓柱結(jié)構(gòu)，在較低的雷諾數(shù)下，會(huì)發(fā)生上游圓柱剪切層附著在下游圓柱上的現(xiàn)象，導(dǎo)致下游圓柱受到的阻力減小[22]，從而導(dǎo)致串列雙索合力減小，體型系數(shù)減小。

3.3 接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載修正

若遠(yuǎn)方來流U的10 m 高度基本風(fēng)速為V10，峽谷來流地形地貌取C 類，則依規(guī)范[19-21]取離地400 m 結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓高度系數(shù)2.76，地形修正系數(shù)取1.2，單索結(jié)構(gòu)體型系數(shù)取1.2，風(fēng)振系數(shù)取1.0；峽谷地形修正系數(shù)取3.31；按照本文研究結(jié)果，橋梁斷面及風(fēng)屏障修正系數(shù)接觸線取1.12，承力索取1.13，體型系數(shù)接觸線取1.4，單承力索取1.5，雙承力索取1.75，風(fēng)振系數(shù)取1.0，計(jì)算出在2 種方法下接觸線和承力索的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，如表1。比較結(jié)果可知，在地形和高度修正相同的條件下，峽谷區(qū)桁架梁橋面接觸線和承力索設(shè)計(jì)風(fēng)速較規(guī)范增大12%和13%，接觸線、單承力索和雙承力索設(shè)計(jì)風(fēng)荷載較規(guī)范的單索設(shè)計(jì)風(fēng)荷載分別增大46.3%，59.6%和86.2%。

表1 接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載值對(duì)比Table 1 Comparison of design wind load values of catenary

4 結(jié)論

1) 針對(duì)現(xiàn)有規(guī)范對(duì)于橋梁接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載確定缺乏依據(jù)的現(xiàn)狀，提出橋梁接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載的修正計(jì)算方法。

2) 通過桁架梁節(jié)段及風(fēng)屏障縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試了迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)的橋梁斷面及風(fēng)屏障修正系數(shù)ηb，結(jié)果表明0°風(fēng)偏角ηb最大，背風(fēng)側(cè)ηb比迎風(fēng)側(cè)大，不同風(fēng)速對(duì)接觸線和承力索所在高度的ηb基本沒有影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，峽谷橋梁接觸網(wǎng)的風(fēng)速修正系數(shù)接觸線高度處取1.12，承力索高度處取1.13。

3) 接觸網(wǎng)線索結(jié)構(gòu)剛性節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，接觸線和承力索之間的氣動(dòng)干擾較小，雙承力索之間存在明顯的氣動(dòng)干擾，接觸線、單承力索和雙承力索體型系數(shù)包絡(luò)值分別為1.4，1.5和1.75，相較于現(xiàn)行接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范值1.2 分別增大了16.7%，25%和45.8%。

4) 對(duì)比按規(guī)范常規(guī)接觸網(wǎng)計(jì)算的設(shè)計(jì)風(fēng)速和風(fēng)荷載的結(jié)果，本文依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正得到的峽谷橋梁的接觸線設(shè)計(jì)風(fēng)速增大12%，設(shè)計(jì)風(fēng)荷載增大46.3%；承力索設(shè)計(jì)風(fēng)速增大13%，單承力索和雙承力索設(shè)計(jì)風(fēng)荷載相較于規(guī)范中的單承力索結(jié)構(gòu)分別增大59.6%和86.2%。因此，橋梁線路接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)需要考慮風(fēng)荷載的修正。