地震條件下高速鐵路橋上接觸網系統安全閾值

張　騫，李紅梅，馬　莉，宣　言，萬　家

(1.青島大學 機電工程學院，山東 青島　266071；2.中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京　100081)

接觸網是電氣化鐵路的主要組成部分，擔負著向電力機車輸送電能的重要任務[1-3]。由于接觸網沿鐵路線露天架設，線長、點多，而且由于其自開通之日起就擔負著繁忙的運輸任務，使用條件苛刻，無備用線路。地震發生時，如果接觸網支柱倒塌、接觸網斷線，后果都是災難性的，往往會造成巨大的經濟損失和交通事故。

目前，我國鐵路在接觸網結構設計中，一般只是將風、自重、覆冰作為接觸網結構承載力的控制荷載，TB 10009—2005《鐵路電力牽引供電設計規范》中并未對接觸網抗震做出相應規定，且也未見地震作用下接觸網系統響應及其抗震安全閾值等方面研究的相關文獻報道。從日本高速鐵路運營經驗看，該國雖然在1982年制定了《電力牽引線路設備抗震設計指南》，規定對接觸網系統要進行抗震設計，但在中小烈度地震情況下，仍發生過諸多橋梁區段接觸網立柱垮塌、定位器斷裂等接觸網系統結構破壞事故，這主要是由于采用該規范對于橋梁區段接觸網系統進行地震響應分析時，未綜合考慮地震作用下的橋梁—接觸網耦合振動效應。本文采用有限元軟件ABAQUS分析地震作用下橋梁—接觸網耦合系統的動力響應，進行地震條件下高速鐵路橋上接觸網系統安全閾值的研究。

1　橋上接觸網系統動力仿真模型

高速鐵路橋梁結構類型繁多，其中簡支梁以其整體性好、抗彎扭剛度大、施工方便等優點在高速鐵路橋梁中得到廣泛應用。本文以4跨簡支梁橋為對象進行建模。橋墩為單柱式橋墩，各橋墩高度均為15 m，橋墩混凝土等級為C35；梁體為32 m單箱單室變截面簡支梁，截面尺寸如圖1所示，簡支梁混凝土等級C55。根據簡支梁的結構特點以及荷載作用下的變形特征，在進行橋梁有限元建模時，對變截面梁體進行簡化處理，近似為分段等截面梁體，以往研究表明，只要單元劃分足夠細，計算結果的誤差可控制在工程允許范圍內。另外，在整個地震過程中，橋梁變形始終保持在彈性范圍內，梁體采用殼單元(shell)模擬，橋墩采用實體單元(solid)模擬。

綜合考慮接觸網系統各部分的實際情況，模型中接觸網支柱(含腕臂)采用實體單元(solid)模擬；接觸網導線因施加了預拉力，采用桁架單元(truss)模擬[4-6]。接觸網支柱底部固定在橋面的基礎上，通過螺栓進行連接，可以看作和橋面固結在一起，相當于在各個自由度方向上都將兩者捆綁在一起，因此用tie連接進行約束；為了提高計算效率，建模時忽略定位器，線夾等起固定接觸網導線作用的部件，只考慮其固定連接作用，接觸網導線與腕臂之間、承力索與腕臂之間、饋線與肩架之間、吊弦與承力索和接觸網導線之間的連接等均采用tie連接。承力索的預拉力取28.5 kN，接觸網導線的預拉力取23 kN，吊弦的預拉力取3.5 kN；接觸網支柱選擇H型鋼支柱，型號為H240，接觸網支柱跨距取50 m。

圖1　簡支箱梁結構尺寸(單位：mm)

采用有限元軟件ABAQUS建立的簡支梁橋上接觸網系統動力學模型如圖2所示。

圖2　橋上接觸網系統模型

2　地震波輸入

在選擇強震記錄時，最好能選用本地區已有的實際地震記錄，但大多數工程所在地并沒有地震記錄，此時可按場地類型選用與之相對應的同類場地土上的已有記錄。本文根據各地震波的不同頻譜特性篩選的有代表性的地震波為：一類堅硬場地選用遷安地震記錄；二類中等偏硬場地和三類中等硬場地分別選用美國Taft和El Centro地震記錄；四類軟弱場地選用天津地震記錄，4種地震波的加速度時程如圖3—圖10所示。

圖3　Taft波垂向時程　　　圖4　Taft波水平向時程　　圖5　El Centro波垂向時程　圖6　El Centro波水平向時程

圖7　天津波垂向時程　　圖8　天津波水平向時程　　　圖9　遷安波垂向時程　　圖10　遷安波水平向時程

3　橋上接觸網系統地震響應分析

運用圖2的橋上接觸網系統動力學模型，在橋墩底部輸入地震動進行系統動力響應分析。

3.1　不同頻譜特性地震波對系統地震響應影響

為了更全面地研究不同頻譜特性的地震波對系統地震響應的影響，調整選取的4條典型地震波的加速度幅值為同一個值0.08g，分別對系統進行激勵，分析系統動力響應。不同頻譜特性地震波激勵下橋上接觸網系統動力響應見表1。

綜合分析計算結果可以得出：在不同頻譜特性地震波激勵下，橋上接觸網系統的動力響應不同。當地震波的卓越周期與橋梁或者接觸網系統的固有周期接近或者一致時，系統的動力響應就要放大，降低系統的安全性。在天津波激勵下橋上接觸網系統的動力響應最為顯著，Taft波和El Centro波激勵下的響應次之，遷安波激勵下的響應最小；在設定0.08g強度的天津波激勵下，接觸網系統的導線變形最大，最大值達到75.8 mm；接觸網支柱(含腕臂)的動變形最大值出現在腕臂位置，達到63.3 mm，表現為垂直于線路的上下振動，但未超規定限值，且變形后的接觸網支柱(含腕臂)未侵入限界，不會影響列車運行安全；接觸網系統的應力最大值出現在接觸網支柱的底部與橋面連接處，達到357.2 MPa，但也未超規定限值；地震激擾下的接觸網系統的饋線與保護線之間的距離為534.7 mm，大于500 mm，不會造成短路危險。

表1　不同頻譜特性地震激勵下橋上接觸網系統動力響應最大值

3.2　地震動強度對系統地震響應影響

為研究地震動強度對系統地震響應的影響，調整El Centro波的幅值分別為0.04g，0.08g，0.12g，0.16g和0.20g，對應于地震烈度Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度，進行系統激勵，分析系統的動力響應。不同地震動強度激勵下橋上接觸網系統的動力響應見表2。

表2　不同地震動強度激勵下橋上接觸網系統的動力響應最大值

綜合分析計算結果可以得出，橋上接觸網系統的動力響應總體趨勢是隨著地震動強度的增加而增大，且在地震動強度為0.20g時，接觸網系統的動力響應達到最大值。在0.20g的El Centro波激勵下接觸網系統的導線變形最大，達到97.9 mm；接觸網支柱(含腕臂)的變形主要為腕臂的變形，即表現為垂直于線路方向的振動，最大變形達到84.4 mm，但在規定限值內；接觸網系統的最大應力出現在接觸網支柱的底部與橋面連接處，達到417.9 MPa；地震激勵下，接觸網系統的饋線與保護線的距離為503.7 mm，大于500 mm，不會造成短路風險，但是已經接近規定限值。

3.3　橋墩高度對系統地震響應影響

地震時地震波先作用于橋墩，然后進一步上傳到橋梁和接觸網系統，因此，研究地震作用下橋上接觸網系統的安全性時應考慮墩高的影響。為了了解地震作用下橋墩高度對橋梁—接觸網耦合系統動力響應的影響，本文選取5，10，15，20和25 m共5種橋墩高度進行計算分析。地震波采用El Centro波，加速度峰值取0.08g，不同墩高橋上接觸網系統的動力響應見表3。

表3　El Centro波激勵下不同墩高橋上接觸網系統的動力響應最大值

綜合分析計算結果可知，墩高對地震條件下橋上接觸網系統動力響應的影響比較顯著，隨著墩高增加，橋上接觸網系統的動力響應增大，在墩高為25 m時，動力響應達到最大，接觸網導線變形達到85.6 mm，接觸網支柱底部與橋面連接處應力達到361.5 MPa，饋線與保護線的距離為539.4 mm，距規定限值均有較大的冗余。主要原因是橋梁橫向剛度會隨著墩高的增加而降低，地震波傳到橋梁結構上的能量很大程度上釋放到橋梁上，造成了橋梁位移的增大，同時，橋梁位移的增大加劇了接觸網支柱底部的晃動，能量進一步傳遞給接觸網，因此造成了系統的動力響應增大。

4　接觸網系統地震強度安全閾值研究

接觸網系統地震強度安全閾值的設定需要綜合考慮接觸網系統的動力響應，如系統最大動態抬升量、應力以及饋線與保護線的距離是否超出規定限值，其中動態抬升量在本文中即接觸網系統的最大變形。

根據TB 10758—2010《高速鐵路電力牽引供電工程施工質量驗收標準》和鐵運〔2011〕10號《高速鐵路接觸網運行檢修暫行規程》的規定，本文在研究接觸網系統地震強度安全閾值時選取的安全評價限值如下。

(1)接觸網在受電弓抬升力的作用下產生振動，在定位點處如果抬升量過大，可能會導致受電弓與定位器、定位管等碰撞，進而影響弓網受流性能，取動態抬升量最大限值為120 mm。

(2)H型鋼和鋼底板的抗拉強度為375～460 MPa，本文出于安全考慮取限值375 MPa，螺栓的材質為45#鋼，取抗拉強度的限值為600 MPa。

(3)接觸網的保護線與饋線的間距最小限值為500 mm。

對于選定的地震波，調整其地震動強度后對系統進行激勵，當地震動強度增大到某一定值時，系統的最大變形、應力或饋線與保護線的距離響應超出安全評價限值時，該地震動強度就是該頻譜特性地震激勵下對應于系統最大變形、應力或饋線與保護線距離的強度限值，而三者中的最小值即為系統在該頻譜特性地震激勵下的安全閾值。

為了更全面、更有針對性地了解不同頻譜特性的地震對橋上接觸網系統抗震安全性的影響，分別用4條地震波記錄對系統進行激勵，地震動激勵的幅值分別取0.04g，0.08g，0.12g，0.16g和0.20g，對應地震烈度Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度。不同地震波激勵下不同墩高橋上接觸網系統最大變形、應力以及饋線與保護線距離的地震動強度限值的計算結果如圖11—圖14所示。

圖11　遷安波激勵下的地震動強度限值

綜合分析計算結果可以得出，隨著橋墩高度的增加，地震動強度限值減小，由于地震波具有復雜性，對同一系統采用不同地震波激勵時，列車安全運行所對應的地震動強度范圍存在較大差別，有的地震波在較低橋墩高度、較低地震強度時已對列車運行構成危險，而有的地震波在較高橋墩高度、較高地震強度下也不影響列車的安全運行。

圖12　Taft波激勵下的地震動強度限值

圖13　El centro波激勵下的地震動強度限值

圖14　天津波激勵下的地震動強度限值

地震波激勵下不同地震波的強度限值差別較大。依據不同地震波激勵下橋上接觸網系統最大變形、應力以及饋線與保護線距離的地震動強度限值中的最小值回歸，得到不同墩高橋上接觸網系統的地震動強度限值擬合曲線，如圖11—圖14所示。可見，對于25 m墩高橋上接觸網系統，遷安波激勵下系統的安全限值為0.184g；Taft波激勵下系統的安全限值為0.151g；El Centro波激勵下系統的安全限值為0.149g；天津波激勵下系統的安全限值為0.127g。上述不同頻譜特性地震波激勵下的安全限值可以為途經與其相對應的場地類型的線路提供參考，例如，遷安波對應的安全限值可以為途經堅硬場地(如西南西北山區)鐵路的橋上接觸網系統抗震安全閾值的設定提供依據；Taft波和El Centro波對應的安全限值可以為途經中等以及中等偏硬場地(如華北等廣大平原地區)鐵路的橋上接觸網系統抗震安全閾值的設定提供依據；天津波等對應的安全限值可以為途經軟弱場地(如東南沿海)鐵路的橋上接觸網系統抗震安全閾值的設定提供依據。

以簡單、可行為原則，地震條件下高速鐵路橋上接觸網系統的安全閾值需要1個能包絡不同頻譜特性地震波、不同墩高的統一安全限值。為此將不同墩高、不同頻譜特性地震波下得到的地震動強度限值進行匯總，選取各系統中的最小限值，得到通用的最不利情況下的地震動強度安全限值，如圖15所示。

圖15　通用最不利情況下地震動強度安全限值

由圖15可以看出，當高速鐵路接觸網系統所在橋梁的墩高較低時，較弱地震并不會對接觸網系統的安全性造成嚴重影響，但是隨著地震動強度的不斷增大以及墩高的增加，接觸網系統的安全性降低，因此，地震動強度的安全限值應隨著橋墩高度的提高而降低。

當采用不同頻譜特性的地震激勵時，橋上接觸網系統的安全性對地震動強度的要求不同。對于4條不同頻譜特性的地震波，在遷安波激勵下，橋上接觸網系統的安全性對地震動強度的要求最為寬松，Taft波和EL Centro波次之，而在天津波激勵下，橋上接觸網系統的安全性對地震動強度的要求最為嚴格。

根據計算結果，在25 m墩高情況下，地震動強度限值應低于0.127g，考慮一定的安全冗余，地震動強度安全限值建議設為0.12g。

5　結　論

(1)地震動強度一定時，不同頻譜特性的地震波激勵下橋上接觸網系統的動力響應不同，天津波激勵下接觸網系統的動力響應最明顯，遷安波激勵下系統的動力響應最不明顯。

(2)隨著地震動強度的增大以及墩高的增加，接觸網系統的的動力響應增大，安全性降低，因此，地震動強度的安全限值應隨著橋墩高度的提高而降低。

(3)地震作用下接觸網系統的導線變形最大；接觸網支柱(含腕臂)的變形主要為腕臂的變形，表現為垂直于線路方向的振動。

(4)不同頻譜特性地震波激勵下橋上接觸網系統的安全限值不同。遷安波激勵下，橋上接觸網系統安全性對地震動強度的要求最為寬松，Taft波和EL centro波次之，而在天津波激勵下，橋上接觸網系統安全性對地震動強度的要求最為嚴格。

(5)對于25 m墩高橋上接觸網系統，計算得到的最不利情況下地震動強度限值為0.127g，考慮一定安全冗余，建議墩高25 m以下32 m簡支梁橋上接觸網系統的地震動強度安全閾值設為0.12g。

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