风荷载作用下接触网硬横跨结构响应分析

 　[摘要]；随着我国高速铁路的发展，硬横跨已逐渐成为接触网体系支持结构的使用趋势，硬横跨结构的安全直接关系到国家电气化铁路运行的可靠性，而风荷载是威胁其安全的主要荷载之一。本文基于有限元理论，考虑结构体系的协同工作，建立硬横跨结构索共同作用的三维有限元模型，利用ANSYS软件，对不同设计风速作用下接触网硬横跨结构进行响应分析，得到结构的受力机理及规律，在此基础上分别考虑承力索及张力变化对硬横跨结构响应的影响，得出了影响其抗风性能的主要因素，为硬横跨结构的合理设计提供理论依据。 

　　[关键词]；硬横跨，承力索，风荷载，有限元 　 

　　 引言 

　　 接触网是高速铁路运营最为直接相关的架空设备，由接触悬挂、支持结构、承力索等部分组成。随着高速铁路的发展，硬横跨结构已逐渐成为接触网支持结构的发展趋势，由于所处环境特殊，所以使得接触网硬横跨成为整个牵引供电系统最为薄弱的环节之一【1】。由于接触网结构跨距较大，自重轻，结构柔性大，且接触网悬挂属于加载张力的柔索系统，且受电弓滑动与之接触。所以，风荷载对接触网体系的安全性和技术方案有决定性的影响，对结构的正常使用起着决定性的作用，是接触网结构分析中的控制荷载之一【2】。 

　　2硬横跨索共同体系精细化三维有限元模型建立 

　　 本文以我国某时速200～350公里客运专线铁路接触网硬横跨结构为研究对象，依据结构的组成及工作状况，建立了硬横跨索共同作用体系的三维有限元模型，以最大限度上模拟其真实受力状况。本文建立的硬横跨索共同体系三维有限元模型包括了3榀硬横跨和2跨承力索，即三跨两索模型[5]。接触网结构硬横跨支柱、横梁均为矩形角钢格构式，硬横跨主材为角钢，在端部采用螺栓连接，四肢角钢通过缀条连接在一起，材质均采用Q235钢【3】。 

　　 实际工程中，承力索和导线之间通过吊弦互相连接，跨度为65m，为了简化建模，本文按照承力索和导线承受风荷载等效的原则，将承力索和导线简化为一根承力索，吊弦和支撑杆分别简化为集中质量单元和弹簧单元，将其质量加到承力索上，可得到承力索的空间位形方程。根据国内、外文献的研究，当悬索的垂跨比(弧垂比跨距)等于或小于1/8时为所谓扁平悬索。扁平悬索在平面内的运动可由线性理论分析计算。大跨越接触网承力索的垂跨比一般都小于并较接近于1/8。这时，承力索的张力引起的变形对承力索的运动方程和动力特性影响很小，可忽略不计。这样，承力索可合理地简化为一个铰接的多连杆体系，各杆可视为刚性的，导线的质量分别集中在各铰处。所以可将承力索和导线简化为杆单元，吊弦和支撑杆分别简化为集中质量单元和弹簧单元。选择ANSYS库中编号为LINK10的杆单元模拟承力索，该单元是一种带预拉力的直线单元，可以模拟几何大变形，常被用于模拟松弛的索或链结构。本文分别以跨度为21m、26m、31m、36m和41m的客运专线接触网硬横跨体系为研究对象【4】。 

　　3不同设计风速下硬横跨结构索共同体系的风作用响应 

　　 根据文献限于篇幅，取跨度居中具有代表性的31m六股道硬横跨为研究对象，分别将风偏设计风速()、结构设计风速()、谷口、桥隧处风速()根据公式计算出硬横跨各结构所承受的风荷载，并将其均布加到结构各节点上，在ANSYS中分析其在风荷载作用下的结构响应。具体结果见表1。 　 

　　 由表1可知，当为风偏设计风速时，硬横跨柱顶节点水平最大位移为5.91mm，满足《新建时速300～350公里客运专线铁路设计暂行规定》关于柱顶处垂直线路方向的水平挠度不超过支柱高度的1.5/100，即150mm，横梁跨中竖向最大位移为24.73mm，满足横梁竖向最大挠度不超过硬横梁跨度的1/360，即86mm。接触线水平最大偏移量为224.03mm，满足接触线距受电弓中心的最大水平偏移值不大于450mm的规定，但由于接触线水平位移已超过200mm，偏移量较大，机车在此风速下行驶有一定的危险性，所以在达到风偏设计风速时，机车应限速行驶。主材发生最大拉应力的单元位于右柱顶外侧，应力值为25.2MPa，发生最大压应力的单元位于右柱顶内侧偏下，应力值为-25.5MPa。 

　　4硬横跨结构索共同体系抗风性能影响因素 

　　 目前相关的技术规范和标准[1]中对硬横跨的设计只是按照单跨结构来进行分析，承力索、风向角、连接形式等不同因素对结构的影响并没有系统分析。本文针对硬横跨结构索共同体系的承力索、矢跨比、风向角、连接形式、覆冰荷载等不同因素，分析结构体系在结构设计风速作用下不同因素对其影响。 

　　承力索悬挂对结构抗风性能的影响 　 

　　 以变形最大的41m八股道硬横跨为例，由表2可以看出，其节点位移变化均在规范要求范围内，即柱顶处垂直于线路方向的水平挠度不超过支柱高度的1.5/100，竖向最大挠度不超过硬横梁跨度的1/360。硬横跨柱顶和跨中节点挂索时比不挂索位移响应均有所增加，而且随着跨度的增大，这一影响也逐渐明显。但总体来说，挂索时位移增量一般在5%左右，所以索对硬横跨位移增量影响并不显著。 　 

　　 （a）主材（b）缀材 

　　图1单元最大应力随跨度变化图图2单元最大应力随承力索预张力变化图 

　　 从图1中可以发现，当跨度为21m时，缀材单元最大拉、压应力比无索时分别增加了14.47 %和8.29%；当跨度为31m时，增幅分别为17.53 %和21.62%；当跨度为41m时，增幅分别为27.31%和23.45%。由于格构式柱截面较高且承受较大的外力，所以单元所受剪力较大，从而使得起到连接主材作用的缀材的轴向应力较大，而且挂索时随着跨度的增加，缀材应力的变化比主材要尤为明显，可见在实际工作中缀条最有可能达到危险应力的状态，从而导致接触网体系的失稳与破坏。 

　　4.2 承力索预张力对硬横跨的影响 

　　 随着承力索预张力的提高，结构的刚度增大，硬横跨节点水平、竖向最大位移呈下降趋势，但当预张力超过30kN后，这种趋势明显减弱。 

　　由图2可以看出，随着承力索预张力的提高，主材和缀材单元的最大应力都有增大的趋势，总体增加幅度并不大，缀材的变化比主材要尤为明显，当预拉力为30kN时，主材最大应力比预张力为10kN时增大了8.5%，缀材最大应力比预张力为10kN时增大了近10%. 

　　5结论 

　　 (1) 硬横跨结构在风荷载作用下，其结构面内刚度不能满足要求，应予以加大，以确保高速铁路的安全运营。 

　　 (2) 承力索对结构在风荷载作用下的响应影响较为敏感。由于承力索和硬横跨之间的共同作用，使得挂索后结构单元应力增加较为明显。承力索预张力的变化和两侧索预张力差值的变化对结构响应影响都较大，实际工作中一般取承力索的预张力为15~25kN,差值控制在10%之内，对一侧发生断线尤其应为重视。  

　　参考文献　 

　　 [1] 中华人民共和国铁道行业标准. 铁路电力牵引供电设计规范 TB 10009-2005[S]. 北京：中国铁道出版社，2005. 

　　 [2] 李宏男，白海峰. 高压输电塔-线体系抗灾研究的现状与发展趋势[J]. 土木工程学报，2007，40(2)；39-46. 

　　 [3] 白天玉. 接触网风载故障的探讨[J]. 铁道机车车辆，2002，(1)；49-51. 

　　 [4] 时速200～350公里客运专线铁路接触网硬横跨安装及构造图审核报告[R]. 铁道第一勘察设计院，2006.