[摘要]；隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，硬橫跨已逐漸成為接觸網(wǎng)體系支持結(jié)構(gòu)的使用趨勢(shì)，硬橫跨結(jié)構(gòu)的安全直接關(guān)系到國(guó)家電氣化鐵路運(yùn)行的可靠性，而風(fēng)荷載是威脅其安全的主要荷載之一。本文基于有限元理論，考慮結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同工作，建立硬橫跨結(jié)構(gòu)―索共同作用的三維有限元模型，利用ANSYS軟件，對(duì)不同設(shè)計(jì)風(fēng)速作用下接觸網(wǎng)硬橫跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行響應(yīng)分析，得到結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理及規(guī)律，在此基礎(chǔ)上分別考慮承力索及張力變化對(duì)硬橫跨結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，得出了影響其抗風(fēng)性能的主要因素，為硬橫跨結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
[關(guān)鍵詞]；硬橫跨，承力索，風(fēng)荷載，有限元
引言
接觸網(wǎng)是高速鐵路運(yùn)營(yíng)最為直接相關(guān)的架空設(shè)備，由接觸懸掛、支持結(jié)構(gòu)、承力索等部分組成。隨著高速鐵路的發(fā)展，硬橫跨結(jié)構(gòu)已逐漸成為接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，由于所處環(huán)境特殊，所以使得接觸網(wǎng)硬橫跨成為整個(gè)牽引供電系統(tǒng)最為薄弱的環(huán)節(jié)之一【1】。由于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)跨距較大，自重輕，結(jié)構(gòu)柔性大，且接觸網(wǎng)懸掛屬于加載張力的柔索系統(tǒng)，且受電弓滑動(dòng)與之接觸。所以，風(fēng)荷載對(duì)接觸網(wǎng)體系的安全性和技術(shù)方案有決定性的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)的正常使用起著決定性的作用，是接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析中的控制荷載之一【2】。
2硬橫跨―索共同體系精細(xì)化三維有限元模型建立
本文以我國(guó)某時(shí)速200～350公里客運(yùn)專(zhuān)線鐵路接觸網(wǎng)硬橫跨結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，依據(jù)結(jié)構(gòu)的組成及工作狀況，建立了硬橫跨―索共同作用體系的三維有限元模型，以最大限度上模擬其真實(shí)受力狀況。本文建立的硬橫跨―索共同體系三維有限元模型包括了3榀硬橫跨和2跨承力索，即三跨兩索模型[5]。接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)硬橫跨支柱、橫梁均為矩形角鋼格構(gòu)式，硬橫跨主材為角鋼，在端部采用螺栓連接，四肢角鋼通過(guò)綴條連接在一起，材質(zhì)均采用Q235鋼【3】。
實(shí)際工程中，承力索和導(dǎo)線之間通過(guò)吊弦互相連接，跨度為65m，為了簡(jiǎn)化建模，本文按照承力索和導(dǎo)線承受風(fēng)荷載等效的原則，將承力索和導(dǎo)線簡(jiǎn)化為一根承力索，吊弦和支撐桿分別簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量單元和彈簧單元，將其質(zhì)量加到承力索上，可得到承力索的空間位形方程。根據(jù)國(guó)內(nèi)、外文獻(xiàn)的研究，當(dāng)懸索的垂跨比(弧垂比跨距)等于或小于1/8時(shí)為所謂扁平懸索。扁平懸索在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可由線性理論分析計(jì)算。大跨越接觸網(wǎng)承力索的垂跨比一般都小于并較接近于1/8。這時(shí)，承力索的張力引起的變形對(duì)承力索的運(yùn)動(dòng)方程和動(dòng)力特性影響很小，可忽略不計(jì)。這樣，承力索可合理地簡(jiǎn)化為一個(gè)鉸接的多連桿體系，各桿可視為剛性的，導(dǎo)線的質(zhì)量分別集中在各鉸處。所以可將承力索和導(dǎo)線簡(jiǎn)化為桿單元，吊弦和支撐桿分別簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量單元和彈簧單元。選擇ANSYS庫(kù)中編號(hào)為L(zhǎng)INK10的桿單元模擬承力索，該單元是一種帶預(yù)拉力的直線單元，可以模擬幾何大變形，常被用于模擬松弛的索或鏈結(jié)構(gòu)。本文分別以跨度為21m、26m、31m、36m和41m的客運(yùn)專(zhuān)線接觸網(wǎng)硬橫跨體系為研究對(duì)象【4】。
3不同設(shè)計(jì)風(fēng)速下硬橫跨結(jié)構(gòu)―索共同體系的風(fēng)作用響應(yīng)
根據(jù)文獻(xiàn)限于篇幅，取跨度居中具有代表性的31m六股道硬橫跨為研究對(duì)象，分別將風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速()、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速()、谷口、橋隧處風(fēng)速()根據(jù)公式計(jì)算出硬橫跨各結(jié)構(gòu)所承受的風(fēng)荷載，并將其均布加到結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)上，在ANSYS中分析其在風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。具體結(jié)果見(jiàn)表1。
由表1可知，當(dāng)為風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，硬橫跨柱頂節(jié)點(diǎn)水平最大位移為5.91mm，滿足《新建時(shí)速300～350公里客運(yùn)專(zhuān)線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》關(guān)于柱頂處垂直線路方向的水平撓度不超過(guò)支柱高度的1.5/100，即150mm，橫梁跨中豎向最大位移為24.73mm，滿足橫梁豎向最大撓度不超過(guò)硬橫梁跨度的1/360，即86mm。接觸線水平最大偏移量為224.03mm，滿足接觸線距受電弓中心的最大水平偏移值不大于450mm的規(guī)定，但由于接觸線水平位移已超過(guò)200mm，偏移量較大，機(jī)車(chē)在此風(fēng)速下行駛有一定的危險(xiǎn)性，所以在達(dá)到風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)，機(jī)車(chē)應(yīng)限速行駛。主材發(fā)生最大拉應(yīng)力的單元位于右柱頂外側(cè)，應(yīng)力值為25.2MPa，發(fā)生最大壓應(yīng)力的單元位于右柱頂內(nèi)側(cè)偏下，應(yīng)力值為-25.5MPa。
4硬橫跨結(jié)構(gòu)―索共同體系抗風(fēng)性能影響因素
目前相關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[1]中對(duì)硬橫跨的設(shè)計(jì)只是按照單跨結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析，承力索、風(fēng)向角、連接形式等不同因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并沒(méi)有系統(tǒng)分析。本文針對(duì)硬橫跨結(jié)構(gòu)―索共同體系的承力索、矢跨比、風(fēng)向角、連接形式、覆冰荷載等不同因素，分析結(jié)構(gòu)體系在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速作用下不同因素對(duì)其影響。
承力索懸掛對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的影響
以變形最大的41m八股道硬橫跨為例，由表2可以看出，其節(jié)點(diǎn)位移變化均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，即柱頂處垂直于線路方向的水平撓度不超過(guò)支柱高度的1.5/100，豎向最大撓度不超過(guò)硬橫梁跨度的1/360。硬橫跨柱頂和跨中節(jié)點(diǎn)掛索時(shí)比不掛索位移響應(yīng)均有所增加，而且隨著跨度的增大，這一影響也逐漸明顯。但總體來(lái)說(shuō)，掛索時(shí)位移增量一般在5%左右，所以索對(duì)硬橫跨位移增量影響并不顯著。
（a）主材（b）綴材
圖1單元最大應(yīng)力隨跨度變化圖圖2單元最大應(yīng)力隨承力索預(yù)張力變化圖
從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)跨度為21m時(shí)，綴材單元最大拉、壓應(yīng)力比無(wú)索時(shí)分別增加了14.47 %和8.29%；當(dāng)跨度為31m時(shí)，增幅分別為17.53 %和21.62%；當(dāng)跨度為41m時(shí)，增幅分別為27.31%和23.45%。由于格構(gòu)式柱截面較高且承受較大的外力，所以單元所受剪力較大，從而使得起到連接主材作用的綴材的軸向應(yīng)力較大，而且掛索時(shí)隨著跨度的增加，綴材應(yīng)力的變化比主材要尤為明顯，可見(jiàn)在實(shí)際工作中綴條最有可能達(dá)到危險(xiǎn)應(yīng)力的狀態(tài)，從而導(dǎo)致接觸網(wǎng)體系的失穩(wěn)與破壞。
4.2 承力索預(yù)張力對(duì)硬橫跨的影響
隨著承力索預(yù)張力的提高，結(jié)構(gòu)的剛度增大，硬橫跨節(jié)點(diǎn)水平、豎向最大位移呈下降趨勢(shì)，但當(dāng)預(yù)張力超過(guò)30kN后，這種趨勢(shì)明顯減弱。
由圖2可以看出，隨著承力索預(yù)張力的提高，主材和綴材單元的最大應(yīng)力都有增大的趨勢(shì)，總體增加幅度并不大，綴材的變化比主材要尤為明顯，當(dāng)預(yù)拉力為30kN時(shí)，主材最大應(yīng)力比預(yù)張力為10kN時(shí)增大了8.5%，綴材最大應(yīng)力比預(yù)張力為10kN時(shí)增大了近10%.
5結(jié)論
(1) 硬橫跨結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下，其結(jié)構(gòu)面內(nèi)剛度不能滿足要求，應(yīng)予以加大，以確保高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。
(2) 承力索對(duì)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)影響較為敏感。由于承力索和硬橫跨之間的共同作用，使得掛索后結(jié)構(gòu)單元應(yīng)力增加較為明顯。承力索預(yù)張力的變化和兩側(cè)索預(yù)張力差值的變化對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響都較大，實(shí)際工作中一般取承力索的預(yù)張力為15~25kN,差值控制在10%之內(nèi)，對(duì)一側(cè)發(fā)生斷線尤其應(yīng)為重視。
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