地铁联络通道环网非标支架的力学特性研究

上官剑

（湖南高速铁路职业技术学院）

关键字：环网；联络通道；非标支架；有限元法；模态分析

0 引言

环网（中压网络）是地铁集中式供电方式特有的输电线路，其作用是将主变电所降压后的35kV电源馈送到各个车站变电所[1]。环网电缆利用区间通道，沿隧道壁、高架桥侧墙、高架检修通道敷设在桥支架上[2]。一般环网支架安装在其底部距离钢轨平面1600～1800mm范围的隧道壁上，隧道内联络通道高度在3400mm左右，致使电缆敷设路径与联络通道交叉，施工图纸往往没有联络通道具体的安装方案。目前，常用的安装方式有两种。一种是将支架在通道处抬高，电缆在通道上部绕行。这种方式容易导致支架与其他设备安装位置冲突，同时支架托臂很难满足设备限界要求，如果将托臂缩短又会导致托臂长度不符合电缆敷设要求。另一种是利用非标件将支架进行架空，使环网敷设路径在联络通道口外侧通过。这种方式可以避免前者存在的缺陷，同时非标支架在特殊情况下具备一定的通用性（如电缆弯曲半径不足处可以用非标支架进行过渡），所以大部分地铁施工单位采用了第二种方法。但是，工程技术人员通常凭经验对非标支架进行设计和安装，缺乏系统的研究论证。并且各地铁线路存在较大差异，联络通道的结构和尺寸各不相同，很难在现有文献中找到准确的参考依据。本文将以重庆地铁6号线为例，通过有限元的方法对联络通道非标支架进行力学分析，为联络通道环网非标支架的设计、安装和优化提供思路。

1 非标支架结构及载荷

重庆地铁6号线隧道内联络通道截面宽3000mm，高3400mm。预留两扇高2100mm的防火门。非标支架主要由6个底座，3根横担组成，如图1所示。底座与横担使用M12×120螺栓连接，支架与横担使用M10×60螺栓连接，底座与隧道壁使用M10×90膨胀螺栓固定。底座、横担、支架结构如图2～图4所示。环网电缆利用底座、横担、电缆支架等构成的非标支架架空在联络通道口上方。支架底部高度大于防火门高度，确保防火门正常开合。

底座、槽钢、螺栓等零部件材料参数如表1所示。

在支架一层和二层托臂分别敷设一个回路的环网电缆。电缆使用300mm2单芯交联聚乙烯绝缘铜带铠装聚乙烯护套阻燃环网电缆，三相品字形敷设。电缆每公里质量5268kg，支架间距800mm。通过简单计算得知每个托臂承受载荷为124N。

2 有限元分析

2.1 参数设置

使用Solid Works进行零部件建模并生成装配图。由于接地扁钢对计算结果影响很小，所以在模型中简化掉了接地扁钢以提高运算速度。将模型导入ANSYS Workbench进行有限元分析。底座、横担使用通用材料库中的结构钢（Structural Steel），螺栓均使用不锈钢（Stainless Steel）。网格使用四面体单元进行划分，总计节点数848535，单元数484784。零件之间的接触面采用摩擦接触（Frictional），摩擦系数0.2，螺栓与螺母接触面使用绑定接触（Bonded）。在所有底座螺栓孔添加固定约束（Fixed Support）。所有实体添加重力加速度（Standard Earth Gravity）。添加螺栓预紧力（Bolt Pretension），其中横穿螺栓18333.33N，连接螺栓12500N。在支架一层、二层托臂分别添加力（Force）124N，方向垂直托臂向下。

2.2 形变量

如图5所示，最大形变量集中在中间支架上，总位移2.1739mm。沿隧道壁法线方向（线路侧）最大位移量集中在第一层横担中间，位移量1.7555mm。铅锤方向形变量集中在中间支架最下层托臂，位移量1.4189mm。

非标支架整体形变较小，使用8号槽钢制作非标支架横担满足结构整体刚度要求。安装时注意提高20mm以上进行安装，确保支架底部不会影响防火门。隧道壁法线方向（向线路侧）形变小，满足限界要求。

2.3 应力分布

通过仿真计算，得到非标支架整体等效应力云图，如图6所示。应力最大位置在上底座下耳板与底板焊接处，靠近联络通道的方向，如图7所示。

表1 非标支架材料参数表

通过等效应力分析可得非标支架在载荷状态下最大应力集中在一层底座上，大小为64.687MPa。二层底座和三层底座虽然最大应力相对较小，但也分别达到44.715MPa和49.409MPa，应力集中位置与一层底座相同。根据形变情况可知横担在变形后荷载力主要作用在底座下耳板靠近联络通道的边线上，导致应力集中在该处焊缝上。所以底座在焊接制作时应保证较高的焊接质量，也可以适当增加底座耳板厚度，加长焊缝长度。支架在横担上受力不同于在隧道壁，在载荷作用下外侧支架最大应力42.902MPa较中间支架最大应力20.352MPa更大，应力主要体现在连接螺栓位置。底座上的横穿螺栓从上到下分别为20.352MPa、36.597MPa、49.494MPa，最下层横穿螺栓强度要求相对更高。

非标支架各部分等效应力云图如图8所示。

使用安全系数工具（Safty Factor）进行安全系数计算，如图9所示，安全系数最小值为3.8648，位于上底座应力最大处，整个结构安全。

2.4 模态分析

采用ANSYS Workbench软件进行非标支架模态分析，获得模型前十阶固有频率，如表2所示。

表2 非标支架前十阶固有频率

非标支架固有频率从15.931Hz开始逐渐增加，其中三至六阶频率较为集中，主要分布在33Hz到35Hz之间，前六阶模态振型图如图10所示。

一阶模态主要是非标支架中段的前后摆动。二阶模态主要以二层横担为轴扭动。三至六阶模态主要是支架第二层、三层托臂左右摆动，其中三阶、五阶相邻托臂摆动方向相反，四阶摆动方向相同，六阶均往外侧摆动。三阶、四阶、五阶、六阶模态形变量较大，最大位移分别是26.453mm、32.702mm、31.71mm、34.796mm，最大位移均分布在支架第二层托臂端点。

3 结束语

1）建立了重庆地铁6号线联络通道环网非标支架实体有限元模型，得到了非标支架整体形变、隧道壁法线方向位移和铅锤方向位移。结构刚度较好，位移量小，符合限界要求。为施工安装提供了参数依据。

2）得到了非标支架在载荷下的最大应力和应力分布云图。结构整体安全系数大于1，但底座下耳板与底板焊缝处是结构薄弱点。非标支架制作加工时，要保证底座焊接质量，也可以适当增加耳板厚度以提高结构强度。同时，设备维护人员在进行设备巡视时应重点检查底板焊缝状态。

3）通过模态分析得出了非标支架前十阶固有频率，以及在前六阶激励频率下的振型，为振动特性分析、振动故障诊断和结构优化设计提供依据。