鐵路大沙坪特大橋接觸網硬橫梁振動影響分析

趙施林 張一平

摘要：以新建鐵路蘭州至重慶線蘭州樞紐段大沙坪特大橋接觸網為背景，對接觸網硬橫梁的動力特性進行了研究。借助MIDAS-civil有限元軟件，建立橋一接觸網體系計算模型，針對接觸網硬橫梁在原設計和加固后兩種情況下的應力和位移進行了計算和分析：發現硬橫梁在原設計條件下的動應力和動位移均較大，而加固后的動應力和動位移較原始條件下降近1/3，證明加固方案有效可行。

關鍵詞：接觸網;振動;有限元

中圖分類號：U238 文獻標志碼：A

0引言

在列車動荷載作用下，接觸網硬橫梁的振動一直是困擾鐵路建設和運營部門的棘手問題之一。許多學者針對接觸網系統的振動問題做了大量研究：王國梁等利用ANSYS軟件，針對廣州地鐵二號線接觸網剛性懸掛的靜動力特性進行了計算和分析，表明端頭懸臂和跨距直接影響接觸網剛性懸掛;馮自進等通過建立接觸網的模型運動微分方程，利用WKB法對微分方程進行求解，研究了接觸線在受電弓的移動荷載作用下的動力響應特性;陳立明借助ANSYS有限元分析軟件，針對高速鐵路彈性鏈型懸掛接觸網，研究其在受電弓動荷載作用下整體吊弦的動力特性;劉曦洋針對斷裂吊弦進行失效分析，并通過試驗研究，認為彎曲微動疲勞是引起吊弦斷裂破壞的主因之一;孫娟通過推導接觸網的吊弦應力方程，并通過編寫MATLAB程序，研究了動載荷作用下接觸網吊弦的應力特性，結果表明動荷載作用位置以及接觸線的張力大小均對吊弦應力有較大影響。

本論述首先分析接觸網硬橫梁列車動荷載作用下的振動機理，通過數值模擬分析，結合現場測試結果提出合理的加固和應對方案措施。工程實踐證明，通過對接觸網硬橫梁加固，改善了列車在不同時速運行情況下接觸網硬橫梁的振動特性，為類似工程的設計提供參考依據。

1工程概況

1.1大沙坪特大橋概況

大沙坪特大橋位于新建鐵路蘭州至重慶線蘭州樞紐段，上部結構為（40+64+40）m預應力混凝土連續箱梁梁橋，下跨G109國道，為雙幅橋梁，兩幅橋梁的上部結構完全相同，左、右幅橋均為雙線橋，I、Ⅱ線（左幅橋）線間距為5.3m，Ⅲ、Ⅳ線（右幅橋）線間距為5.0-5.22m，連續梁按直線設計，左、右幅連續梁梁體為單箱單室變高度直腹板箱型截面，連續梁主墩墩頂處梁高為5.2m，中跨跨中及邊跨直線段梁高為3.0m，梁底曲線為二次拋物線，箱梁頂寬11.5m，底寬6.5m。支座采用TPZ盆式橡膠支座，為保證梁上部結構在地震荷載作用下的安全性，在橋墩墩頂及對應梁底處設置防落梁措施。

1.2線路技術標準

線路技術標準見表1所列。

1.3接觸網技術標準

（1）懸掛類型：全補償簡單鏈形懸掛。

隧外接觸導線懸掛點高度：6450mm，隧道口出逐步降為6350mm;隧外結構高度：1400mm。

正線：JTM95+CTAHl20;張力：15kN+15kN。

站線：JTMH70+CTAH85;張力：15kN+8.5kN。

回流線：LBGLJ-185，最大張力不小于12kN。

架空地線：LBGLJ-70，最大張力不小于7kN。

供電線：2xLBGLJ-240，單支最大張力不小于12kN。牽引所出線處雙支總張力不大于5kN。

（2）供電方式：帶回流線的直接供電方式。

（3）接地方式：成排混凝土支柱通過回流線集中接地，成排鋼柱通過架空地線實現接地、獨立支柱單獨打接地極接地。

1.4接觸網振動問題

大沙坪特大橋（40+64+40）m左、右幅連續梁共用橋墩與基礎，故連續梁段橋梁頂部橫向向外伸展施作一平臺，接觸網立柱即固定在此平臺上，連續梁段接觸網振動影響范圍里程編號為HDK40+475.08-HDK40+585.043，共涉及5組接觸網（編號14-21、16-23、18-25、20-27、22-29，橫向跨度均為15.5m，其中18-25接觸網圖如圖1所示）。在列車動荷載作用下，由于橋梁振動和接觸網自身振動的疊加，使以上5組接觸網在列車運行過程中產生較大的振動，造成接觸網橫梁的連接螺栓由于疲勞而產生破壞，對列車的安全運行帶來極大的威脅。

2列車荷載的模擬

3數值模擬分析

根據大沙坪特大橋與接觸網之間的關系，借助MI-DAS-civil大型有限元計算軟件，建立大沙坪特大橋與接觸網有限元計算模型（如圖3所示）。

3.1未加固接觸網硬橫梁動力分析

根據現有接觸網的狀態，模擬分析不同時速（45km/h，60km/h，75km/h，90km/h，105krrdh，120km/h）下未加固橫梁的應力及位移，以時速75km/h為例，接觸網硬橫梁的應力和位移云圖如圖4所示。不同時速時的最大應力和位移曲線如圖5和圖6所示。

3.2加固后接觸網硬橫梁動力分析

對接觸網硬橫梁加固后（見圖7），計算的加固后每種時速（45km/h，60km/h，75km/h，90km/h，105km/h，120krrdh）下橫梁的應力和位移。以時速75km/h為例，接觸網硬橫梁的應力和位移云圖如圖8所示。不同時速時的最大應力和位移曲線如圖9、圖10所示。

由圖4～圖7可以看出：接觸網硬橫梁在原始設計條件下，在列車時速為90km/h，接觸網硬橫梁上應力和位移均為最大，達到了93.48MPa和26.51mm，說明時速為90km/h時列車的振動頻率與接觸網的固有頻率接近;其余時速條件下均較小，45km/h條件的應力和位移值最小，分別為60.65MPa和16.87mm。

由圖8～圖10可以看出：接觸網硬橫梁在加固后的最大應力和位移值均有較大幅度的降低，在列車時速為90km/h，接觸網硬橫梁上應力和位移值分別為69.15MPa和18.4mm，減小幅度分別為26%和30.6%，加固效果比較明顯。

4結論

電氣化鐵路接觸網的安全對鐵路的安全運營至關重要，接觸網的振動問題一直是研究的熱點，從大沙坪特大橋接觸網硬橫梁的振動分析來看，接觸網在原始設計中存在薄弱環節，在列車運行過程中由于動荷載的作用，使接觸網硬橫梁長期產生振動，由于長期的微動摩擦，使得硬橫梁連接處的螺栓由于微動摩擦而產生疲勞破壞，影響到列車的安全運營。根據硬橫梁的實際情況，設計了硬橫梁的加固方案，通過計算分析，硬橫梁上產生的動應力和位移均有明顯下降，下降峰值近1/3，說明加固方案切實可行，可以減小列車動荷載對硬橫梁的振動破壞，列車運營的安全性有較大提高。