地震作用下高速铁路桥上接触网系统动力响应分析

官言，万家，马莉

（中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京 100081）

[摘要]利用有限元分析软件，建立桥梁一接触网系统仿真动力学模型，模拟地震作用下系统的动力响应，研究接触网悬挂类型、接触网支柱类型等参数对系统地震动特性的影响规律。研究表明，不同接触网悬挂类型其动力响应不尽相同，不同支柱类型下，接触网导线变形最大值相同。

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关键词 ]高速铁路；地震作用；接触网系统；动力响应

中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心项目：地震条件下高速铁路桥上接触网系统响应特性及灾害风险评估(1314YF2403)

[作者简介]宣言，工程师，E-mail:xuanyan1972@126.com

接触网是电气化铁路的主要组成部分，担负着向电力机车输送电能的重要任务。高速铁路接触网支撑结构的稳定性对弓网受流有着重要影响，对接触网的安全运行起重要作用。由于接触网沿铁路线路露天架设，线长点多，且自其开通之日起就担负繁忙的运输任务，使用条件苛刻，无备用线路。地震发生时，如果接触网支柱倒塌、接触网断线等，往往会引发重大交通事故，造成巨大经济损失。

目前，我国铁路在接触网结构设计中，一般只将风荷载、自重荷载，覆冰荷载作为接触网结构承载力的控制荷载，《铁路电力牵引供电设计规范》TB 10009-2005中并未对接触网抗震做出相应规定，且地震作用下接触网结构响应及其抗震安全性评价等方面的研究也未见相关文献报道。本文采用有限元软件ABAQUS分析地震作用下接触网的耦合系统动力响应。

1地震作用下接触网一桥梁动力仿真模型

1.1接触网动力分析模型

为减小计算量，对模型作了几点简化。

1)承力索和接触网导线简化为具有预拉力的桁架单元( truss)。

2)承力索的预拉力为28. SkN，接触网导线的预拉力为23kN，吊弦的预拉力为3.5kN。

3)建模时忽略接触网导线的定位器，线夹等起固定作用的部件，只考虑其固定连接作用，用tie连接。

综合考虑各部分的实际情况，模型中接触网支柱（含腕臂）采用实体单元(solid)进行模拟；接触网支柱底部固定在桥面的基础上，通过螺栓进行连接，可以看作和桥面固接在一起，相当于在各个自由度方向上都将两者捆绑在一起，用tie连接进行约束；接触网导线和腕臂之间的连接、承力索和腕臂的连接、馈线和肩架的连接、吊弦和承力索、接触网导线的连接等都采用tie连接约束。

1.2桥梁动力分析模型

本文以简支梁为对象进行建模。根据简支梁的结构特点以及荷载作用下的变形特征，对桥梁进行有限元分析时，对于梁体变截面处，近似简化为分段等截面，研究表明，单元划分精度满足一定要求时，计算结果的误差可控制在工程允许范围内。

本文选取某高速铁路连续梁桥其中一跨，钢筋混凝土箱形简支梁结构，钢筋混凝土单柱式桥墩，假定各墩的高度均相同，且在整个地震过程中，桥梁变形始终保持在弹性范围内，桥墩混凝土等级为C35，梁长32m，简支梁横截面为单箱单室截面。

2桥梁—接触网耦合系统地震响应特性规律研究

建立桥梁一接触网耦合系统动力学模型，分析不同接触网悬挂类型以及不同接触网支柱对系统的影响规律。

2.1接触网悬挂类型对系统地震响应影响分析

接触悬挂是由支持和定位装置安装在轨道上方的线索及其组成各类结构的总称，主要包括接触线、吊弦、承力索、弹性吊索、补偿装置和其他连接部件。由于直接参与导流、承受固有负荷和各类附加荷载，接触悬挂必须具有良好的导电性和机械强度。

接触悬挂形式反映了接触网的空间结构和几何尺寸。不同的悬挂形式，在工程造价、受流性能、安全性能上均有差别，对接触网的设计、施工和运营维护也有不同要求。高速接触网悬挂形式要求受流性能满足高速铁路的运营要求，安全可靠、结构简单、维修方便、工程造价低。

高速接触网悬挂形式主要有3种：简单链型悬挂、弹性链型悬挂、复链型悬挂，分别如图1~3所示。

上述3种悬挂类型的性能比较如表1所示。

为了分析地震条件下接触网悬挂类型对系统动力响应的影响，本文选取上述3种接触网悬挂类型分别进行计算分析。

采用EI Centro地震波，加速度峰值取0.08g，选用32m简支梁，桥墩高度15m，日系接触网系统，接触网支柱跨度为50m，H型钢支柱，分析接触网悬挂类型与接触网系统动力响应指标之间的关系，如表2所示。

综合分析计算结果可以看出，不同的接触网悬挂类型各项动力响应不尽相同。其中，接触网导线的变形差别比较明显，复链型悬挂的导线变形比其他两种类型悬挂的导线变形更大，在0.08g的EICentro波激励下，复链型悬挂的导线变形最大值达到77.1mm，未超出规定限值；简单链型悬挂的导线变形相对其他两种悬挂的导线变形是最小的。接触网支柱变形、接触网支柱应力、馈线和保护线之间的距离等动力响应结果变化不大，原因是接触网悬挂类型的差别主要体现在接触网导线上，而接触网导线的刚度以及质量相对于接触网钢支柱来说很小，接触网悬挂类型的差别对接触网钢支柱以及整个系统的影响比较有限，因此，这些动力响应结果差别不大。

2.2接触网支柱类型影响分析

接触网支柱是接触网最主要的受力构件，用来承受接触悬挂与支持设备，经常遭受冰、雪、雨、雾等恶劣天气的影响，因无备用装置，一旦遭遇故障或事故将直接影响列车的运行，因此接触网支柱的关键是支柱结构安全可靠。另外，接触网支柱还要考虑结构的简单轻巧、有良好的耐腐蚀能力和材料利用的合理性，并且要求方便施工和运营维护。

高速铁路较多采用钢支柱，因此本文选取钢支柱进行仿真计算，使用有限元分析地震条件下接触网系统各部分的动力响应特性。在实际线路上，应用最多的为H型钢支柱，因此本文选择不同截面尺寸的H型钢支柱( H240、H260、H280、H300)进行计算（见表3），计算结果如表4所示。

综合分析可以得出，地震条件下，接触网系统的各项动力响应也会因接触网支柱类型的不同而有所不同。不同型号H型钢支柱的接触网导线变形相同，主要是由于接触网导线变形最大位置一般出现在支柱跨中附近，虽然接触网支柱（含腕臂）的变形有所差别，但是接触网导线变形的最大值相同。接触网支柱底部应力随着H型钢支柱的截面变大而变大，主要是由于随着截面的增大，钢支柱的整体质量也变大，在结构形式相同的情况下，响应也较大；接触网支柱的变形随着H型钢支柱的截面变大而减小，主要是由于在截面形状一定的情况下，随着截面尺寸的增大，钢支柱的刚度增大，因此整体的钢支柱（含腕臂）晃动较小；馈线和保护线的距离随着H型支柱的截面增大而增大，主要是由于馈线和保护线是通过接触网支柱的肩架连接，刚度和强度明显大于相对柔性的吊弦，两根线之间振动很大程度上来源于接触网支柱本身的振动，因此馈线和保护线之间变形随接触网支柱的刚度变化更明显。

3结语

本文基于地震作用下的桥梁一接触网系统耦合动力学分析模型，进行了大量的数值仿真参数分析，研究了不同参数影响下的各部分动力响应变化，主要得到以下结论。

1)地震作用下，不同的接触网悬挂类型的接触网系统的各项动力响应不尽相同。其中，接触网导线的变形差别比较明显，复链型悬挂的导线变形比其他两种类型悬挂的导线变形更大；简单链型悬挂的导线变形相对其他两种悬挂的导线变形最小。接触网支柱变形、接触网支柱应力、馈线和保护线之间的距离等动力响应结果差别很小。

2)地震作用下，接触网系统的各项动力响应也会因接触网支柱类型的不同而有所不同。不同型号H型钢支柱的接触网导线变形最大值相同；接触网支柱底部应力随着H型钢支柱的截面变大而变大；接触网支柱的变形随着H型钢支柱的截面变大而减小；馈线和保护线的距离随着H型钢支柱的截面增大而增大。

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参考文献：

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