韓佳棟

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司電化處,西安 710043)

大風區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線舞動機理及防護措施研究

韓佳棟

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司電化處,西安 710043)

針對高速鐵路接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線舞動問題,進行附加導(dǎo)線在大風環(huán)境下舞動機理方面的分析,研究附加導(dǎo)線處尾流風場、功率譜隨環(huán)境風速的變化規(guī)律,通過風場仿真計算及附加導(dǎo)線有限元分析,判定附加導(dǎo)線在風作用下的舞動為尾流馳振,并據(jù)此提出制振措施。

高速鐵路；接觸網(wǎng)；風速；附加導(dǎo)線；舞動；防護措施

蘭新高鐵正線全長1 776 km，經(jīng)過甘肅境內(nèi)的安西風區(qū)和新疆境內(nèi)的煙墩風區(qū)、百里風區(qū)、三十里風區(qū)及達坂城風區(qū)5個大風區(qū)，風區(qū)總長度約580 km，是我國乃至世界上鐵路風災(zāi)最嚴重的地區(qū)之一。其中百里風區(qū)、三十里風區(qū)部分區(qū)段年均大于8級大風的天氣達到208 d，最大風速達60 m/s以上，風力大時甚至可以將火車掀翻[1]。其中710 km長的新疆段，有防風工程的路段就長達462 km，占線路總長的65%。

為了解決長期以來大風對接觸網(wǎng)的影響問題，2009年在百里風區(qū)新建了1 km接觸網(wǎng)試驗段，對接觸網(wǎng)防風工程進行全面系統(tǒng)的監(jiān)測和研究。

本文就大風區(qū)接觸網(wǎng)AF線、PW線在大風環(huán)境下舞動機理進行研究，并提出相關(guān)防護工程措施。

1 振動類型

AF線和PW線是高速鐵路接觸網(wǎng)中的重要組成部分，由于它是細長柔性結(jié)構(gòu)，在風的作用下，容易產(chǎn)生較大振幅的振動。它可能發(fā)生的振動形式有渦激振動、馳振和紊流風作用下的抖振。渦激振動和紊流風作用下的抖振振幅一般較小，不會直接引起結(jié)構(gòu)的破壞。馳振是一種大振幅的發(fā)散振動，振幅較大，一旦發(fā)生，不僅會引起結(jié)構(gòu)喪失功能，還會引起結(jié)構(gòu)的直接破壞[2]。從馳振的起振機理上來講，馳振分為兩種，一種是由于結(jié)構(gòu)特殊的斷面形式，在較大風速下產(chǎn)生較大振幅的發(fā)散振動。這種馳振一般發(fā)生在帶有棱角的鈍體結(jié)構(gòu)，如結(jié)冰的電纜線，細長方形吊桿等。另一種馳振不是由于本身的斷面形式引起的，而是處于氣流的不穩(wěn)定區(qū)域，從而激發(fā)較大振幅的共振，稱之為尾流馳振。如處于下游的并排斜拉索，橋塔附近的細長吊索。

AF線和PW線是圓形的流線結(jié)構(gòu)，不屬于鈍體，因此，單獨的AF線和PW線在無不規(guī)則覆冰情況下不會發(fā)生第一種馳振。經(jīng)過對百里風區(qū)試驗段的長時間觀測分析，AF線和PW線發(fā)生較大振幅的振動，極有可能是第二種形式的馳振，即尾流馳振，也就是通常所說的舞動。

判斷是否為尾流馳振，可以采用風洞試驗或者數(shù)值分析的方法，測試結(jié)構(gòu)是否處于其他結(jié)構(gòu)尾流后面的氣流不穩(wěn)定區(qū)域。如果處于這種不穩(wěn)定氣流區(qū)域而又發(fā)生馳振，結(jié)構(gòu)的頻率與風場漩渦的頻率一致，即可判斷為尾流馳振。

2 尾流分析

2.1 研究對象和計算方法

本文分析如圖1所示的典型區(qū)域。由于蘭新高鐵擋風墻的存在，有可能在擋風墻下游上方會產(chǎn)生較大的漩渦。分析這種漩渦在多大風速下其漩渦所占能量最大時頻率和風速之間的關(guān)系[2]，并與AF線和PW線的結(jié)構(gòu)振動頻率相比較，從而分析其振動原因。

其計算方法和參數(shù)見表1。計算模型見圖2和圖3。

圖1 路堤對拉式擋風墻

計算方法有限體積法空間離散格式二階中心差分時間離散格式二階隱式壓力速度耦合SIMPLEC算法湍流模型大渦模擬DSGS網(wǎng)格數(shù)量10萬時間步長/s0.01

圖2 整體計算域和網(wǎng)格

圖3 局部網(wǎng)格劃分

2.2 計算結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，分析了在20、30、40 m/s環(huán)境風速下，AF線和PW線所在位置的風場情況。圖4給出了風速為40 m/s時瞬時風速的矢量圖，圖5給出了瞬時風速的風速等值線云圖。從圖上可以看出，AF線和PW線正好處于擋風墻尾流的漩渦區(qū)域，特別是AF線，處于較大風速的漩渦區(qū)。圖6和圖7給出了兩處風速大小的時程曲線。從曲線中可以看出，AF線和PW線處于尾流漩渦區(qū)域；風速越大，越接近正弦曲線。

圖4 瞬時風速度矢量圖

圖5 瞬時風速度等值線云圖

圖6 AF線處尾流風速時程曲線

圖7 PW線處尾流風速時程曲線

2.3 風速頻域分析

根據(jù)得出尾流區(qū)域的風速曲線，通過頻譜分析[3]，得出尾流的卓越頻率。圖8～圖13給出了AF線和PW線處尾流的功率譜曲線，從而得到其卓越頻率。從圖中可以看出，其卓越頻率隨風速的增加呈線性增加，特別是AF線；PW線處由于風速較小，其尾流頻率的變化不太明顯，其卓越頻率隨環(huán)境風速的變化關(guān)系見圖14。

圖8 環(huán)境風速u=40 m/s AF線處的尾流的功率譜，f=0.976 6 Hz

圖9 環(huán)境風速u=30 m/s AF線處的尾流的功率譜，f=0.781 3 Hz

圖10 環(huán)境風速u=20 m/s AF線處的尾流的功率譜，f=0.586 0 Hz

圖11 環(huán)境風速u=40 m/s PW線處的尾流的功率譜，f1=0.1 Hz，f2=0.980 0 Hz

圖12 環(huán)境風速u=30 m/s PW線處的尾流的功率譜，f1=0.2 Hz，f2=0.780 0 Hz

圖13 環(huán)境風速u=20 m/s PW線處的尾流的功率譜，f1=0.2 Hz，f2=0.580 0 Hz

圖14 AF線處尾流頻率隨風速的變化曲線

如果AF線和PW線的頻率正好與某個風速下的尾流渦脫的頻率一致，便會引起尾流馳振。

體育課堂上“主動性”可以通過學生的言行舉止表現(xiàn)出來，注意觀察你可以了解到：微笑、贊同、專注、興奮、交流、接受等課堂表現(xiàn)是主動情緒的體現(xiàn)，熱情、積極、投入是主動的態(tài)度，主動行為則表現(xiàn)出愿意交流、自愿討論、接受評價、好問等等。缺少這些表情和情緒，缺乏這些態(tài)度和行為，可以說學生“主動性”沒有被調(diào)動或沒有調(diào)動起來。

3 AF線、PW線結(jié)構(gòu)動力特性

3.1 AF線、PW線結(jié)構(gòu)有限元模型

采用國際通用的有限元分析軟件ANSYS對AF線、PW線結(jié)構(gòu)動力特性進行計算分析[4]。AF線、PW線采用link10單元模擬。在自重作用下，AF線、PW線的線型為懸鏈線，但由于大風區(qū)附加導(dǎo)線的跨距較小，采用拋物線建模與采用懸鏈線建模的差別不大[5]。在實際操作中，先按拋物線建立結(jié)構(gòu)的節(jié)點坐標，然后通過幾何非線性分析找形，積累重力剛度，使模型的線形最終和真實結(jié)構(gòu)保持一致。AF線、PW線材料性質(zhì)[6]詳見表2。

表2 AF線、PW線材料性質(zhì)

3.2 AF線、PW線結(jié)構(gòu)動力特性計算結(jié)果

AF線、PW線結(jié)構(gòu)動力特性計算結(jié)果分別如表3和表4所示。表中還給出不同張力的計算結(jié)果。

表3 AF線結(jié)構(gòu)動力特性計算結(jié)果

注：L—橫向，V—豎向，S—對稱，A—反對稱，例如V-S-1表示第一對稱豎彎。

表4 PW線結(jié)構(gòu)動力特性計算結(jié)果

注：L—橫向，V—豎向，S—對稱，A—反對稱，例如V-S-1表示第一對稱豎彎。

4 尾流馳振分析及制振措施

4.1 馳振臨界風速

當尾流渦脫的頻率與AF線或者PW線某個方向上的振動頻率一致時，便會激起這個方向的馳振。當AF線和PW線的橫向和豎向頻率都很接近，且與渦脫頻率一致時，便會同時發(fā)生兩個方向上的馳振，即圓周運動。根據(jù)圖14中尾流脫落頻率與風速的關(guān)系曲線，可以得到AF線和PW線尾流馳振的臨界風速。

采用最小二乘法，擬合出渦振風速和結(jié)構(gòu)自振頻率的關(guān)系如下

式中u——渦振風速，m/s；

f——結(jié)構(gòu)自振頻率，Hz。

兩線關(guān)鍵振型的計算結(jié)果見表5和表6。從表中可以看出，橫向第一振型和豎向第一振型在40 m/s風速左右時，容易發(fā)生尾流馳振，且兩個方向的頻率又很接近，便會出現(xiàn)兩個方向的振動，從表面上看是一種圓周振動，即舞動。

表5 AF線不同張力的馳振臨界風速

表6 PW線不同張力的馳振臨界風速

注：L—橫向，V—豎向，S—對稱，A—反對稱，例如V-S-1表示第一對稱豎彎。

4.2 馳振改善措施

綜上分析，改善AF線和PW線尾流馳振的措施大致有3種。

(1)改善AF線和PW線處的流場特性，即從根本解決問題，這需要改變擋風墻的高度或者形式，從而改變擋風墻后的尾流特性。

(2)提高AF線和PW線的頻率，即增加剛度，如增加AF線和PW線的張力或者約束方式。

(3)增加阻尼。這種方式可以有效抑制渦激振動，但對于尾流馳振，能適當增加馳振臨界風速，但效果不如前兩者理想。這種方式如防舞鞭[7]等。

5 防舞動措施

蘭新高鐵百里風區(qū)增設(shè)的擋風墻高度一般在3.0～4 m，主要考慮對機車起到安全防風的作用。經(jīng)過現(xiàn)場工程試驗，改變擋風墻形式會弱化接觸網(wǎng)高度處的風場增速效應(yīng)，但作用有限，最有效的防風措施是增加擋風墻高度，但經(jīng)濟性較差。

從上面的分析可以看出，適當提高附加導(dǎo)線的張力，可以提高導(dǎo)線的馳振臨界風速，有效避開17級以下大風發(fā)生舞動的頻率范圍，工程投資較少。另一方面，通過改變附加導(dǎo)線的約束方式來改變其振型形態(tài)，使得豎向和橫向的振動頻率相差很大，AF線和PW線的振動相互抵消，從而起到抑制舞動的目的，如圖15、圖16所示。

圖15 將AF線拉至擋風墻

圖16 AF、PW線間加間隔棒

經(jīng)過現(xiàn)場試驗，增加附加導(dǎo)線約束后，解決了舞動問題，但同時增加了零件數(shù)量和連接點，在微風振動狀態(tài)下又容易引起導(dǎo)線及連接零部件的疲勞問題[8]，增加了新的隱患。

綜合技術(shù)及經(jīng)濟方案比選，大風區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線防舞動可采用增加AF線張力、降低PW線安裝高度，在懸掛點適度增加剛度和約束，并盡量減少零部件之間的磨損等措施，以避免導(dǎo)線因應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞破壞。從目前運行情況看，理論分析、建模計算是科學合理的，工程措施對附加導(dǎo)線的舞動能起到抑制作用。

6 結(jié)語

高速鐵路接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線防風是一個綜合性、復(fù)雜性、長期性的課題，不同的微地形地貌會引起更為復(fù)雜的風場變化，在舞動的同時可能還伴有微風抖振，或間歇性的舞動和小幅振動，這就要根據(jù)實際情況具體分析，制定綜合防護措施，比如防舞鞭對防微風振動效果較好[7]，但防舞鞭加裝的數(shù)量和位置不合適又會導(dǎo)致舞動幅度加大；限制懸掛點自由度可適當減小舞動幅度和舞動范圍的擴大，但又會引起應(yīng)力集中，就必須考慮零部件的疲勞和磨損問題。總之，防風工程是個復(fù)雜的綜合性工程，既要兼顧技術(shù)方案的科學合理性，又要兼顧工程的經(jīng)濟性和可實施性。

[1] 烏魯木齊鐵路局.行車組織規(guī)則[S].烏魯木齊：烏魯木齊鐵路局，2008.

[2] 張相庭.工程抗風設(shè)計計算手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[3] 張相庭.結(jié)構(gòu)風工程(理論·規(guī)范·實踐)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[5] 項海帆，陳艾榮.特大跨度橋梁抗風研究的新進展[J].土木工程學報，2003，36(4):1-8.

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB 10009—2005鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范 [S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[7] 中華人民共和國電力行業(yè)標準. DL/T 5092—1999 110～500 kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，1999.

[8] 胡衛(wèi)兵，何建.高層建筑與高聳結(jié)構(gòu)抗風計算及風振控制[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2003.

Study on Mechanism of High-speed Railway OCS Additional Wire Dancing in Strong Wind Area and Protective Measures

HAN Jia-dong

(Electrification Design Department, China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

As to the problem of the dancing of OCS additional wire of high speed railway, this paper analyses the mechanism of the dancing of OCS additional wire in strong wind area and studies the wake wind field at the additional wire and the pattern of the power spectrum varied with wind speed. Through simulation calculation of the wind field and finite element analysis of the additional wire, the dancing of additional wire is recognized as wake galloping and anti-vibration measures are put forward.

High-speed railway; OCS; Wind speed; Additional wire; Dancing; Protective measures

2015-04-21；

2015-05-16

韓佳棟(1974—)，男，高級工程師，2000年畢業(yè)于西南交通大學電氣工程及其自動化專業(yè)，工學學士，E-mail：878955573@qq.com。

1004-2954(2015)12-0125-05

U238； U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.029