低净空跨线桥下承力索下锚硬横跨的结构设计

杨 康，武 帅

0 引言

近年来，国内部分既有普速铁路进行了电气化改造，由于部分既有跨线桥是按照建造时的技术标准修建，跨线桥梁底至铁路轨顶面间的净空高度较低，不能满足接触网正常通过的要求。接触网经过这种低净空跨线桥时，通常需降低结构高度或导高通过。如果跨线桥的净空过低，接触悬挂的结构高度和导高降至最小值仍无法正常通过时，需要将承力索在跨线桥的两侧断开下锚，接触线以简单悬挂方式通过桥下。本文结合某项目实际情况，提出一种低净空跨线桥两侧承力索下锚用特殊硬横跨结构，并采用ANSYS软件对其进行力学分析。

1 跨线桥下接触网通过的净空分析

目前，普速铁路接触网悬挂类型一般采用简单链形悬挂形式，图1为接触网通过跨线桥示意图。

图1 接触网通过跨线桥示意图

跨线桥的净空高度可按下式计算[1]：

式中：Hk为跨线桥下净空高度；H为接触悬挂导高；h为接触悬挂结构高度；δ为承力索到跨线桥的绝缘距离，一般取0.5 m[2]；f(x)为承力索任一点的弛度，其计算式为

式中：g为承力索单位长度自重负载；l为跨距；Tc为承力索张力；x为承力索上任一点到本跨定位点的距离。

某电气化铁路区间线路所处一公路桥跨越正线、联络线以及道岔渡线接触网，桥宽14 m，公路桥与正线夹角65°，桥下净空高度为6.3 m。接触网设计参数如表1所示。

表1 接触网设计参数

查取承力索单位长度质量为0.844 kg/m，并将数据代入式（2）得承力索距离桥体最近处的弛度f(x) = 0.066 m。由式（1）可知，接触悬挂导高和结构高度均选用最小值时，跨线桥的最小净空高度为6.734 m。而该跨线桥的实际净空高度仅为6.3 m，不满足接触悬挂以简单链形悬挂形式通过的要求，只能采用承力索在桥两侧断开下锚，接触线单线通过的方式。

2 承力索下锚方案

该跨线桥下有正线、联络线及渡线3组接触悬挂通过，接触网存在交叉悬挂，悬挂方式复杂。为了保证桥下接触线的弛度，在桥两侧需合理安装吊弦。在桥两侧分别设置1组硬横跨，使承力索顺线路方向下锚在硬横梁上，能够使桥两侧吊弦间距更短。3组接触悬挂均下锚在横梁上，为减小横梁所受荷载，需适当降低承力索张力。

根据实际需求，采用特殊硬横跨结构，如图2所示。硬横跨支柱采用外径350 mm，壁厚10 mm的圆钢管柱；横梁采用外径250 mm，壁厚12 mm的圆钢管柱；横梁上设置3处承锚底座，用于承力索在横梁上下锚；在下锚相反方向支柱上设置下锚拉线。硬横跨所有钢结构件均采用Q235B材质。

图2 下锚用硬横跨结构

3 特殊硬横跨的受力分析

采用有限元分析软件ANSYS对硬横跨结构进行受力分析，并对该结构的强度进行校核。

3.1 有限元方法的基本原理

有限元分析（Finite Element Analysis）可将复杂问题转换为相对比较简单的问题，然后再进行计算求解。将求解域分解为许多较小的互连子域，这些小的子域称为有限元。有限元法分析计算的步骤可归纳如下：

（1）将需要进行分析计算的结构离散为由各种有限元组成的计算模型；

（2）采用近似的位移函数建立位移和力的方程式，计算等效节点力；

（3）根据结构的边界条件和力学平衡理论，将各个单元按原来的结构重新连接，形成整体的有限元方程；

（4）引入边界条件，求解有限元方程；

（5）计算单元内部应力和应变。

3.2 硬横跨有限元模型的建立

采用BEAM188有限单元模拟硬横跨圆钢管支柱及横梁。BEAM188是一个基于Timoshenko梁理论的二节点三维线性梁模型，适宜分析细长梁，能够保证仿真的准确性和精度。

模型中支柱及横梁材质均为Q235B，密度7 850 kg/m3，弹性模量206 GPa，泊松比0.27。按照实际尺寸建立硬横跨模型，并定义单元属性，生成的有限元模型如图3所示。

图3 硬横跨的有限元模型

硬横跨顺线路方向的荷载是本次结构设计的主要荷载，考虑承力索在横梁上下锚的张力以及横梁顺线路方向风载，将支柱及横梁的风载按最不利情况进行施加，约束支柱底部及下锚拉线底部的所有自由度。硬横跨的受力模型如图4所示。

图4 硬横跨受力示意图

3.3 仿真结果分析

进入求解器，选择静态分析，对硬横跨的受力进行求解计算。在后处理器中可查看仿真结果，硬横跨受力后变形情况如图5所示，其主要节点受力位移如表2所示。

表2 硬横跨主要节点位移 mm

图5 硬横跨变形位移

硬横跨支柱高度为7.8 m，柱顶顺线路方向的最大偏移量为11.81 mm，偏差为0.15%，满足TB 10421—2018《铁路电力牵引工程施工质量验收标准》中不大于0.3%的要求[3]。

硬横跨受力后应力情况如图6所示。该结构在最大负荷状态下的最大应力出现在横梁下锚点2附近，应力值为57.2 MPa，满足Q235B钢材质的强度要求。

图6 硬横跨应力

综上所述，该硬横跨结构可以满足承力索下锚的要求。

4 工程应用

该硬横跨结构已应用于某工程项目中（图7），目前运营状态良好。

图7 工程应用

由于承力索在桥两侧断开下锚，为保证接触网电气上的连续性，需采用电连接线将跨线桥两侧的承力索连接。在实际工程中应注意电连接线与其他接地体、跨线桥体的绝缘距离。

5 结语

本文结合项目实际情况，针对低净空跨线桥下承力索断开下锚，接触线以简单悬挂形式通过的情况，提出了一种用于多支承力索下锚的特殊硬横跨结构，并采用有限元仿真计算验证了该结构的可靠性，为低净空跨线桥下接触网安装结构形式提供了一种新的思路。实际工程中的成功应用验证了该特殊硬横跨结构的可行性及应用效果。