铁路跨越安全防护架结构风致响应分析

2022-12-03殷铭豪田建康徐家根

起重运输机械 2022年21期

曹丹吴晓,2 殷铭豪田建康徐家根

1西南交通大学机械工程学院成都 610031 2轨道交通运维技术与装备四川省重点实验室成都 610031

0 引言

随着铁路和电网发展，相互跨越已是常态[1]。电力线路跨越铁路施工时，按照规定应对铁路线路进行安全防护，防止电力线路施工过程对铁路造成影响或破坏[2]。传统的安全防护方式是进行电力线路施工前，在铁路两侧搭建类似建筑的脚手架并加装防护网，施工完成后再将其拆除。这种安全防护装置全部由人工搭建，过程繁琐，效率低，且存在安全隐患，易引发安全事故。另外，这种方式材料用量较大、重复利用率低，存在较大的浪费[3]。基于上述情况，结合跨越铁路施工需求，本文提出了一种采用机械装置替代传统脚手架的有效解决方案，可实现安全防护装置的快速架设以及施工完毕后装置的拆除作业，达到了高效、重复利用的目的，节约了资源。如图1所示，通过机械装备自动搭建的铁路跨越施工安全防护架，在电力线路等跨越铁路施工时，可防止电缆坠落或其他高空坠物对铁路线路和施工造成影响和破坏。

图1 机械装备搭建的跨越施工安全防护架

防护架要发挥安全防护功能，首先要确保作业期间自身稳定和安全。防护架在防护作业期间，列车通行、空中坠物、地震、风载等都会对防护架结构产生不利影响，从改进和完善结构设计的角度，需要对这些影响因素进行分析。跨越防护架的工作环境一般是野外，结构类似于高耸结构，风载对结构安全的影响较为明显。机械化架设的防护架作为一种新型跨越安全防护结构，国内外对其研究较少，有关跨越防护架风致响应的研究几乎没有，但对类似结构的风致响应，如起重机结构、高空作业车、建筑结构等风致响应的研究较多，多数学者们主要采用有限元数值模拟、风洞试验以及现场实测方法。符康等[4]采用有限元方法研究动臂式塔式起重机在静风载荷和脉动风载荷作用下的振动响应；蒋红旗等[5]研究了基于有限元软件Ansys对GKZ型折臂式高空作业车进行风振特性分析；程友良等[6]结合Davenport脉动风速谱，运用双向流固耦合法，对塔架叶片耦合结构进行动力学参数变化分析，并在耦合结构作用下，对塔架及叶片进行位移变化分析；韩志惠等[7]基于刚性模型测压风洞试验数据，采用时程分析法对高层建筑屋顶广告牌的风致响应进行了研究，并分析了单边布置、邻边布置、三边布置及四边布置广告牌对风致响应的影响；黄国庆等[8]研究山区非平稳强风下大跨悬索桥静风及抖振响应，以云南普立大桥处为实测风速样本，对大跨桥梁展开风致响应分析，采用虚拟激励法分别针对实测风谱与规范风谱对该桥进行了抖振响应研究。

上述研究对于铁路跨越防护架抗风结构设计具有参考价值，为研究跨越防护架在风载荷作用下的风致响应特性，采用有限元法对其结构进行分析，获得静风与脉动风中不同工况下的位移及应力变化，进一步对比分析有无缆风绳对跨越防护架结构的具体影响规律，从结构抗风的角度改进结构设计和保证其防护作业期间的安全运行具有重要意义。

1 跨越防护架结构静风响应分析

1.1 静风载荷的理论计算

由于铁路跨越安全防护架在工作防护过程中为露天工作，来流风方向是随机不可控、不同方向角等一系列因素会使整个跨越防护架结构受到影响。参考GB/T 3811—2008《起重机设计规范》[9]，结合跨越架的结构特点，选取最不利的风向确定计算工况。跨越防护架风载荷计算公式为

式中：C为风力系数，采用直边型钢桁架结构，取1.7；p为计算风压；A为结构垂直于风向的实体迎风面积。

根据桁架结构的迎风实际面积计算，需考虑桁架式结构的挡风折减系数、构件间的间隔比等因素相关，即

式中：A1为前排结构的迎风面积；A2为后排结构的迎风面积；η为前排结构对后排迎风面面积的挡风折减系数，其值可根据结构迎风面的充实率φ及2片构件间的间隔比查找相应规范表格选取。

1.2 静风载荷的计算工况

铁路跨越安全防护架的工作环境是在户外，来流风的方向是随机的，风以不同角度作用在跨越防护架上。为了分析不同方向静风对跨越防护结构的影响，考虑到跨越防护架结构的对称特性，选取顺轨道方向、侧向和垂直轨道方向作为代表工况，风力等级为6级、8级、10级等，具体如表1所示。

表1 静风对上部装置的工况分析

1.3 跨越防护架工况分析

跨越防护架分别在顺轨道方向、垂直轨道方向和侧方向的静风工况影响下，产生的位移与应力均较大。根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》，跨越防护架的静位移与高度的关系可表示为

由式（4）可知，跨越防护架立柱的最大许用水平位移ΔL＝49.26 mm。采用有限元法，对静风工况下3个不同方向来风进行仿真，跨越防护架的位移变化结果见表2。

表2 跨越防护架的各工况位移变化

由表2可知，当跨越防护架结构未拉缆风绳时，不同工况下跨越防护架的位移变形量随风速的提高逐渐增大，在风速为25.6 m/s的侧向风处产生最大变形为302.82 mm，风速为13.3 m/s垂直轨道方向的位移为45.304 mm小于ΔL许用值，符合设计规范，其余工况均不满足，故对跨越防护架结构使用拉缆风绳加以固定。当跨越防护架结构拉揽绳时，不同工况下的变形量随风速的提高而增大，最大位移在顺轨道方向风速25.6 m/s处的变形为7.197 mm，变形量远小于ΔL许用值。

由跨越安全防护架所用材料6061-T6铝合金，计算得出许用应力σ＝179.1 MPa，其跨越防护架结构各工况仿真分析的应力变化如表3所示。

表3 跨越防护架的各工况应力变化

由表3可知，所有工况的应力变化都在许用应力范围内，在跨越防护架结构未拉缆风绳时，不同工况下的应力随风速增大而增大，在风速为25.6 m/s侧向风影响下应力变化最大，最大值为174.18 MPa，需考虑减小应力值的大小。在跨越防护架拉缆风绳时，不同工况下的应力随风速的增大而增大，但小于未拉缆风绳工况。

对比理论计算值，跨越防护架在未拉缆风绳的情况下，防护架的位移变化值超出许用值，在不对结构进行改进的前提下，需要拉缆风绳以提高跨越架的稳定性。

2 跨越防护架结构脉动风响应分析

由上述静风致响应可知，跨越防护架在侧向风作用下受到的影响最大。在研究脉动风致影响时，使用Matlab软件中模拟出风力等级为10级的最大脉动风速，利用脉动风速转化成脉动风荷载，再将脉动风荷载时程以荷载的方式施加到跨越防护架上，根据时程分析法求解基本运动方程，可得到出跨越防护架结构的位移、应力、速度和加速度响应。

2.1 脉动风速时程曲线

分析跨越架在脉动风作用下的响应，可从频域和时域2种角度考虑。频域分析法是基于随机振动理论，描述了脉动风的频谱特性和结构响应之间的关系，这种方法不能直观地表现结构响应随时间变化，而时域则能直观地实现这些变化，还能充分考虑结构大变形等非线性的影响[10]。本文选用瞬态动力学分析，从时域的角度将风载荷随时间变化的曲线作为外载荷加载在跨越架结构表面，分析计算结构特性在脉动风载作用下的响应。

在跨越防护架停留在铁路期间，为了保护铁路线路和电力线路有效跨越，计算模拟样本选取点数为2 000，总时长为200 s，时间步长设为0.1 s。通过拟合狂风的Davenport谱描述脉动风在对应脉动风速时程曲线，其曲线分布如图2所示。

图2 35.8 m/s脉动风速时程曲线

在Ansys的瞬态动力学模块对跨越架进行动力响应分析时，将不同工况下的总风速转化为相应的风压施加到跨越架结构表面，可按风压式（2）计算。

本文截取前30 s的脉动风压共300个时间步，计算跨越架结构在脉动风载荷作用下的动力响应，提取结构在每个载荷步的最大应力、位移和总侧向风速度，并与静风载荷作用下对应工况跨越架结构的应力、位移等进行比对，分析脉动风作用下结构的动态动力特性。

2.2 位移响应曲线

如图3所示，脉动风作用下跨越防护架所受位移呈上下波动趋势，作用在结构上的风载荷是随时间无规则变化的随机载荷，位移时程曲线在未拉缆绳和拉缆绳的趋势一致，但结构变形对应最大的时间点不同，同风载荷下，拉缆绳比未拉缆绳的位移量更稳定、更安全。这2种工况下跨越防护架的位移量分别为：在跨越架未拉缆绳中10.38 s处的最大变形为407.12 mm，在跨越架已拉缆绳中10.4 s处的最大变形为16.082 mm。