铁路大沙坪特大桥接触网硬横梁振动影响分析

赵施林 张一平

摘要：以新建铁路兰州至重庆线兰州枢纽段大沙坪特大桥接触网为背景，对接触网硬横梁的动力特性进行了研究。借助MIDAS-civil有限元软件，建立桥一接触网体系计算模型，针对接触网硬横梁在原设计和加固后两种情况下的应力和位移进行了计算和分析：发现硬横梁在原设计条件下的动应力和动位移均较大，而加固后的动应力和动位移较原始条件下降近1/3，证明加固方案有效可行。

关键词：接触网;振动;有限元

中图分类号：U238 文献标志码：A

0引言

在列车动荷载作用下，接触网硬横梁的振动一直是困扰铁路建设和运营部门的棘手问题之一。许多学者针对接触网系统的振动问题做了大量研究：王国梁等利用ANSYS软件，针对广州地铁二号线接触网刚性悬挂的静动力特性进行了计算和分析，表明端头悬臂和跨距直接影响接触网刚性悬挂;冯自进等通过建立接触网的模型运动微分方程，利用WKB法对微分方程进行求解，研究了接触线在受电弓的移动荷载作用下的动力响应特性;陈立明借助ANSYS有限元分析软件，针对高速铁路弹性链型悬挂接触网，研究其在受电弓动荷载作用下整体吊弦的动力特性;刘曦洋针对断裂吊弦进行失效分析，并通过试验研究，认为弯曲微动疲劳是引起吊弦断裂破坏的主因之一;孙娟通过推导接触网的吊弦应力方程，并通过编写MATLAB程序，研究了动载荷作用下接触网吊弦的应力特性，结果表明动荷载作用位置以及接触线的张力大小均对吊弦应力有较大影响。

本论述首先分析接触网硬横梁列车动荷载作用下的振动机理，通过数值模拟分析，结合现场测试结果提出合理的加固和应对方案措施。工程实践证明，通过对接触网硬横梁加固，改善了列车在不同时速运行情况下接触网硬横梁的振动特性，为类似工程的设计提供参考依据。

1工程概况

1.1大沙坪特大桥概况

大沙坪特大桥位于新建铁路兰州至重庆线兰州枢纽段，上部结构为（40+64+40）m预应力混凝土连续箱梁梁桥，下跨G109国道，为双幅桥梁，两幅桥梁的上部结构完全相同，左、右幅桥均为双线桥，I、Ⅱ线（左幅桥）线间距为5.3m，Ⅲ、Ⅳ线（右幅桥）线间距为5.0-5.22m，连续梁按直线设计，左、右幅连续梁梁体为单箱单室变高度直腹板箱型截面，连续梁主墩墩顶处梁高为5.2m，中跨跨中及边跨直线段梁高为3.0m，梁底曲线为二次抛物线，箱梁顶宽11.5m，底宽6.5m。支座采用TPZ盆式橡胶支座，为保证梁上部结构在地震荷载作用下的安全性，在桥墩墩顶及对应梁底处设置防落梁措施。

1.2线路技术标准

线路技术标准见表1所列。

1.3接触网技术标准

（1）悬挂类型：全补偿简单链形悬挂。

隧外接触导线悬挂点高度：6450mm，隧道口出逐步降为6350mm;隧外结构高度：1400mm。

正线：JTM95+CTAHl20;張力：15kN+15kN。

站线：JTMH70+CTAH85;张力：15kN+8.5kN。

回流线：LBGLJ-185，最大张力不小于12kN。

架空地线：LBGLJ-70，最大张力不小于7kN。

供电线：2xLBGLJ-240，单支最大张力不小于12kN。牵引所出线处双支总张力不大于5kN。

（2）供电方式：带回流线的直接供电方式。

（3）接地方式：成排混凝土支柱通过回流线集中接地，成排钢柱通过架空地线实现接地、独立支柱单独打接地极接地。

1.4接触网振动问题

大沙坪特大桥（40+64+40）m左、右幅连续梁共用桥墩与基础，故连续梁段桥梁顶部横向向外伸展施作一平台，接触网立柱即固定在此平台上，连续梁段接触网振动影响范围里程编号为HDK40+475.08-HDK40+585.043，共涉及5组接触网（编号14-21、16-23、18-25、20-27、22-29，横向跨度均为15.5m，其中18-25接触网图如图1所示）。在列车动荷载作用下，由于桥梁振动和接触网自身振动的叠加，使以上5组接触网在列车运行过程中产生较大的振动，造成接触网横梁的连接螺栓由于疲劳而产生破坏，对列车的安全运行带来极大的威胁。

2列车荷载的模拟

3数值模拟分析

根据大沙坪特大桥与接触网之间的关系，借助MI-DAS-civil大型有限元计算软件，建立大沙坪特大桥与接触网有限元计算模型（如图3所示）。

3.1未加固接触网硬横梁动力分析

根据现有接触网的状态，模拟分析不同时速（45km/h，60km/h，75km/h，90km/h，105krrdh，120km/h）下未加固横梁的应力及位移，以时速75km/h为例，接触网硬横梁的应力和位移云图如图4所示。不同时速时的最大应力和位移曲线如图5和图6所示。

3.2加固后接触网硬横梁动力分析

对接触网硬横梁加固后（见图7），计算的加固后每种时速（45km/h，60km/h，75km/h，90km/h，105km/h，120krrdh）下横梁的应力和位移。以时速75km/h为例，接触网硬横梁的应力和位移云图如图8所示。不同时速时的最大应力和位移曲线如图9、图10所示。

由图4～图7可以看出：接触网硬横梁在原始设计条件下，在列车时速为90km/h，接触网硬横梁上应力和位移均为最大，达到了93.48MPa和26.51mm，说明时速为90km/h时列车的振动频率与接触网的固有频率接近;其余时速条件下均较小，45km/h条件的应力和位移值最小，分别为60.65MPa和16.87mm。

由图8～图10可以看出：接触网硬横梁在加固后的最大应力和位移值均有较大幅度的降低，在列车时速为90km/h，接触网硬横梁上应力和位移值分别为69.15MPa和18.4mm，减小幅度分别为26%和30.6%，加固效果比较明显。

4结论

电气化铁路接触网的安全对铁路的安全运营至关重要，接触网的振动问题一直是研究的热点，从大沙坪特大桥接触网硬横梁的振动分析来看，接触网在原始设计中存在薄弱环节，在列车运行过程中由于动荷载的作用，使接触网硬横梁长期产生振动，由于长期的微动摩擦，使得硬横梁连接处的螺栓由于微动摩擦而产生疲劳破坏，影响到列车的安全运营。根据硬横梁的实际情况，设计了硬横梁的加固方案，通过计算分析，硬横梁上产生的动应力和位移均有明显下降，下降峰值近1/3，说明加固方案切实可行，可以减小列车动荷载对硬横梁的振动破坏，列车运营的安全性有较大提高。