基于有限元分析的架空线路跨越高速铁路技术的研究和应用

武瀚（国网山西省电力公司，山西 太原 030001）

基于有限元分析的架空线路跨越高速铁路技术的研究和应用

武瀚
（国网山西省电力公司，山西 太原 030001）

研究了新型跨越设备和技术以解决架空线路不停运跨越高速铁路问题，针对当前比较突出的架空线路跨越高速铁路的矛盾，结合现场实际，提出了两种跨越设备结构方案；针对跨越设备的特点，对建立的模型进行风速计算、风荷载计算，并利用SAP2000非线性有限元和结构设计集成软件进行应力分析和屈曲分析，改进后的跨越设备在输变电工程现场进行应用，验证了该设备的安全性、实用性和经济性。

跨越高速铁路；电力系统；有限元分析

0 引言

近年来，我国高速铁路建设发展迅猛，电网建设投资巨大，为社会经济发展作出了贡献，人民生活更加便捷，与此同时，电网建设工程中的跨越高速铁路问题也越来越突出。跨越普通铁路施工，目前主要采用搭设普通跨越架、金属结构跨越架、跨越塔、铁塔+临时横担等方法[1-2]，但上述方法存在搭设工作量大、铁路停运时间长、跨越高度受限、施工费用较高、跨越架稳定性较低等问题[3]。相对于普通铁路，高速铁路留给电网跨越的“天窗期”更短，且一般安排在凌晨，需要研究一种不需高速铁路停运的安全、高效、快捷的跨越施工技术。

1 跨越设备结构方案

该高速铁路跨越设备是一种能迅速搭建的跨越高速铁路的金属支架体，由2组可旋转的支架以及搁柱组成，分别在铁路两侧搭建，在较短时间内完成对接，形成跨越通道的防护装置。跨越设备主要包括跨越架体、转向系统、调幅系统、拉线和平衡系统、腰箍系统等。跨越架体包括主立柱、桅杆、跨梁、平衡梁、加强型连梁及橡胶托辊、封顶排杆等。

主要研究以下2种结构方案。

方案1：跨越架高57 m，拉线位置在主立柱高45 m处，即旋转支座下方位置，拉线角度满足不超过60°要求，方案示意图如图1所示。

图1 跨越架方案1示意图

方案2：在某些情况下，拉线打在旋转支座下方时，无法满足拉线角度不超过60°要求，为保证安全，将拉线位置下移至旋转支座下15 m处来保证拉线角度，即拉线位置位于主立柱高30 m处，方案示意图如图2所示。

图2 跨越架方案2示意图

2 架体受力分析和整体稳定性分析

采用三维有限元分析法进行架体受力分析和整体稳定性分析，需要有模型建立、风速计算、风载荷计算、三维有限元分析和屈曲分析等步骤。

2.1 模型建立

为分析拉线、风荷载、断线荷载对跨越架的影响，需考虑以下5种荷载工况：不平衡安装19 m跨梁，平衡梁不安装；19 m跨梁安装后，安装平衡梁及所有配重；平衡梁及配重全部安装完成，旋转制动，旋转速度按20 m/min考虑；风荷载+主立柱连梁受竖向分布荷载2 016 kg（荷载距离100 mm+200 mm+100 mm）+立柱连梁受水平分布荷载604.8 kg（荷载距离100 mm+200 mm+100 mm）；风荷载+各承载管受竖向分布荷载824 kg（荷载距离100 mm+200 mm+100 mm）。

考虑2种结构方案下的5种荷载工况，共计10个模型。如表1所示。

表1 有限元模型表

2.2 列车通过引起风速计算

气动力分为水平气动力和垂直气动力。水平气动力可由图3曲线查取。列车行驶速度为350 km/h，跨越架与铁路轨道中心的水平距离D为8.3 m时，水平气动力qh=0.22 kN/m2。

图3 驶过的列车对建筑物或构件的气动力

而垂直气动力qv可按式（1）计算。

由于图3曲线表中查的气动力为面风压，而跨越架和封顶网均为网格形式，实际上大部分风压从网格中间穿越，需相应乘上折减系数。

其中，qh'为水平方向折算风压；qv'为垂直方向折算风压；Sd为架体挡风面积；Sy为架体迎风面积；Sfd为封顶网挡风面积；Sfy为封顶网迎风面积；Фh为水平方向风压折减系数，取0.195；Фv为垂直方向风压折减系数，取0.064。

计算可得qh'=0.043 kN/m2，qv'=0.025 kN/m2。

列车通过引起风速可按式（2）、式（3）计算。

其中，ρ为空气密度，取1.25 kg/m3；vh为水平方向风速；vv为垂直方向风速。

可得，vh=8.3 m/s，vv=6.3 m/s。高速列车驶过时所产生的水平风压相当于5级风力（5级风速为8.0~10.7 m/s），而垂直风压相当于4级风力（4级风速为5.5~7.9 m/s）。

2.3 风荷载计算

本文中考虑11级风，按30 m/s的风速计算。根据《高耸结构设计规范》GB50135—2006，高耸结构表面单位面积上的风荷载标准值为wk=βzμsμzω0。其中，ω0为11级风时的基本风压，为0.56 kN/m2；uz为风压高度变化系数，依据地面粗糙度为B类，架高57 m，取1.71；us为风荷载体型系数，依据挡风系数为0.3，取2.0；βz为高耸结构风振系数，按βz=1+ξε1ε2取值。

ξ为脉动增大系数，依据自振周期，方案1自振周期为为0.72 s，选取2.05；方案2自振周期为1.66 s，选取2.51。ε1为风压脉动和风压高度变化的影响系数，依据地面粗糙度B类，高度为57 m，选取0.5；ε2为振型和结构外形的影响系数，结构顶部和底部的宽度比0.56，相对高度为1，选取0.8。

经计算得，方案1风荷载标准值为3.48 kN/m2，方案2风荷载标准值为3.84 kN/m2。将以上计算结果作用于有限元模型上。

2.4 整体三维有限元分析

采用美国 Computers&Structures Inc.公司SAP2000非线性有限元和结构设计集成软件，对跨越架进行整体三维有限元分析。采用框架单元模拟主立柱、桅杆、跨梁、连梁；采用弹簧支座模拟拉线；采用索单元来模拟钢丝绳；由于回转支承的刚度远远高于主立柱的刚度，采用刚度很大的框架单元模拟。

根据有限元计算结果，取具有代表性的截面提取应力，在截面上选取应力提取点。

方案一。

模型1、2、3提取1根柱以下截面上的应力：截面A，主立柱底节；截面B，主立柱中点；截面C，旋转节下一节。

模型4提取2根柱以下截面上的应力：截面A，主立柱底节；截面B，主立柱中点；截面C，旋转节下一节；截面D，连梁中点。

模型5除E-E截面提取承载管中点外，其余与模型4一致。

方案二。

模型6、7、8提取1根柱以下截面上的应力：截面A，主立柱底节；截面B，30 m拉线下一节；截面C，旋转节下一节。

模型9提取2根柱以下截面上的应力：截面A，主立柱底节；截面B，30 m拉线下一节；截面C，旋转节下一节；截面D，连梁中点。

模型10除E-E截面提取承载管中点外，其余与模型9一致。

2.5 SAP2000有限元模型屈曲分析

模型屈曲分析，采用SAP2000有限元软件中的屈曲分析工况（buckling）进行整体结构的屈曲分析。不考虑初始缺陷，分析理想状况屈曲，以得到2种方案下主立柱和各杆段的临界荷载，验证是否满足整体稳定性要求。

3 有限元模型屈曲分析计算结果

通过有限元计算，各模型应力比较如图4所示。

图4 10个模型应力对比图

比较表1、图4，可得到以下结论。

模型1主体结构最大应力出现在旋转支座下一节标准段主材处，大小为84.94 MPa，小于其允许应力值345/3=115 MPa，安全系数大于3，整个模型安全系数均大于3。

模型2主体结构最大应力出现在旋转支座下一节标准段主材处，大小为136.13 MPa，其安全系数大于2.5，其余部分安全系数均大于3。

模型3主体结构最大应力出现在主立柱底节主材处，大小为78.29 MPa，整个模型安全系数均大于3。

模型4主体结构最大应力出现在主立柱底节主材处，大小为84.82 MPa，整个模型安全系数均大于3。

模型5主体结构最大应力出现在旋转支座下一节主材处，大小为92.31 MPa，主体结构安全系数均大于3；承载管的最大应力为255.88 MPa，大于其允许应力值345/2.5=138 MPa，安全储备不足。

模型6主体结构最大应力出现在主立柱30 m拉线位置下一节主材处，大小为 203.90 MPa，大于其允许应力值345/2.5=138 MPa，安全储备不足。

模型7主体结构最大应力出现在旋转支座下一节主材处，大小为122.61 MPa，其安全系数仅达到2.5，其余部分安全系数可达到3。

模型8主体结构最大应力出现在主立柱30 m拉线位置下一节主材处，大小为187.88 MPa，大于其允许应力值345/2.5=138 MPa，安全储备不足。

模型9主体结构最大应力出现在主立柱30 m拉线位置下一节主材处，大小为100.13 MPa，整个模型安全系数均大于3。

模型10主体结构最大应力出现在主立柱30 m拉线位置下一节主材处，大小为86.45 MPa，主体结构安全系数均大于3；承载管的最大应力为255.88 MPa，大于其允许应力值345/2.5=138 MPa，安全储备不足。除承载管外，模型其余部分安全系数均大于3。

经过验算，2种工况下的10种模型均满足整体稳定的要求。

4 跨越设备结构改进方法

根据上述计算和分析，提出了如下改进方法。

方案1：为使得方案1中所有模型的安全系数大于3，将旋转支座下一节的主材截面修改为L110×12 mm，将承载管截面修改为○168×10 mm。经过验算，方案1的5个模型强度和稳定性均满足要求。

方案2：为使得方案2中所有模型安全系数大于3，将主立柱30 m处下一节的主材截面修改为L110×12 mm，旋转支座下3节标准段主材截面修改为L110×12 mm，将承载管截面修改为○168× 10 mm。经过验算，方案2的5个模型强度和稳定性均满足要求。

5 跨越设备现场试验和应用

按照改进后的方案，研发了不停运高铁跨越设备，并进行连梁额定荷载试验、连梁型式试验、桥面额定荷载试验、桥面型式试验等，试验取得成功。随后，该设备在锡盟—山东1 000 kV交流特高压输电线路工程成功应用，在天窗点用时38 min完成跨梁旋转封网，验证了该设备在不停运跨越高速铁路方面的实用性。与传统跨越架相比，该设备能极大地减少因搭设跨越架而占用的土地面积，节约资金67 000元，具有良好的经济效益。

[1]李庆林.架空送电线路跨越放线施工工艺设计手册 [M].北京：中国电力出版社，2010：1-3.

[2]张弓，孙伟军，吴尧成，等.架空送电线路跨越高速铁路施工技术 [J].电力建设，2011（9）：94-97.

[3]洋军，马斌.移动式棚架在跨越既有线施工防护中的应用研究 [J].铁道标准设计，2011(6)：111-113.

The Technology of Overhead Lines Crossing High-speed Railways Based on Finite Element Analysis

WU Han
（State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi030001,China）

New cross-over equipment and technology are studied to realize in-running overhead lines over high-speed railways. Combining with actual situation,two kinds of equipment structures are proposed.According to the characteristics of the equipment,the wind speed calculation and wind load calculation are carried out,and the stress analysis and buckling analysis are carried out by SAP2000 nonlinear finite element and structural design integrated software.The improved cross-over equipment is used in power transmission and transformation projects,and the safety,practicability and economy of the equipment are verified.

crossing high-speed railway;power system;finite element analysis

TM75

A

1671-0320（2017）03-0010-04

2017-01-07，

2017-04-11

武 瀚（1979），男，山西文水人，2003年毕业于华北电力大学电力系统及其自动化专业，高级工程师，主要研究方向为电力安全管理和输变电工程建设。