王逸哲

（鄭州鐵路局鄭州供電段）

0 引言

大風(fēng)給列車運行與鐵路設(shè)施都帶來了安全隱患。其中，接觸網(wǎng)是設(shè)置于鐵路沿線且露天的牽引供電設(shè)施，并沒有備用設(shè)施，所以，其防風(fēng)安全的問題也備受關(guān)注。為此，本文將電氣化鐵路作為重點，研究分析了接觸網(wǎng)的防風(fēng)技術(shù)。

1 電氣化鐵路接觸網(wǎng)風(fēng)速數(shù)值選取

接觸網(wǎng)實際應(yīng)用的過程中，需要承受自然環(huán)境中大風(fēng)條件所附加的可變性荷載，而選擇使用的風(fēng)速則與受電弓的安全運行存在緊密的聯(lián)系，甚至?xí)绊懙浇佑|網(wǎng)的投資效果。

通常來講，接觸網(wǎng)的風(fēng)速設(shè)計可以細(xì)化成兩種：風(fēng)偏設(shè)計風(fēng)速，一般適用在風(fēng)偏與結(jié)構(gòu)撓度計算方面，能夠?qū)κ茈姽\行的安全程度進(jìn)行嚴(yán)格地檢驗，而重現(xiàn)期確定為 15年[1]；結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)速，在計算結(jié)構(gòu)強度方面具有一定的適用性，能夠?qū)χС纸Y(jié)構(gòu)受力件以及支柱容量的設(shè)計強度等進(jìn)行有效的檢驗，而重現(xiàn)期則確定為50年。

1.1 電氣化鐵路沿線環(huán)境對于接觸網(wǎng)風(fēng)速設(shè)計產(chǎn)生的影響

變通法與基本風(fēng)壓換算都是最常使用的接觸網(wǎng)風(fēng)速計算方法，要想將鐵路沿線的地形地貌對接觸網(wǎng)產(chǎn)生的影響真實地反映出來，那么接觸網(wǎng)風(fēng)速設(shè)計的最大數(shù)值應(yīng)當(dāng)基于基本風(fēng)速，完成風(fēng)壓高度變化系數(shù)以及風(fēng)口地形修正系數(shù)的有效換算并獲取。需要注意的是，風(fēng)會跟隨地形以及高度等諸多因素而發(fā)生改變。如果是在地表附近，在高度升高的情況下，風(fēng)的速度也明顯增大。除此之外，根據(jù)實際經(jīng)過地形，不管風(fēng)在垂直亦或是水平方向被約束，實際的風(fēng)速都會提高并且形成強風(fēng)。

在垂直約束方面，一般發(fā)生在山丘與鐵路高路堤的位置[2]。在開展風(fēng)洞試驗的過程中發(fā)現(xiàn)，在路堤位置的接觸網(wǎng)，高度附近的風(fēng)速與平地區(qū)同等高度相比要高出0.2～0.5倍，而且上吹角也明顯擴(kuò)大，從10°增加至15°。

在水平約束方面，特別是風(fēng)口與峽谷區(qū)域，這些地方都是風(fēng)集中經(jīng)過的通道，所以實際的風(fēng)速也明顯提高。

如果是路基亦或是橋梁設(shè)置了擋風(fēng)墻，因墻體的高度在3m，而接觸網(wǎng)與受電弓始終位于風(fēng)速繞流區(qū)域，所以上吹角與風(fēng)壓的增加都會直接影響到接觸網(wǎng)的工作狀態(tài)。針對蘭新線開展防風(fēng)研究的過程中，實現(xiàn)了擋風(fēng)墻后期流場的有效仿真并展開了相關(guān)性的分析[3]。對于擋風(fēng)墻前方來流的風(fēng)速，可以將其當(dāng)做瞬時風(fēng)速，每秒46m，而在擋風(fēng)墻后方的氣流場提取接觸線位置以及承力索位置的風(fēng)速，分別達(dá)到了每秒49m與每秒58m，且上吹角都已經(jīng)達(dá)到了30°。

當(dāng)接觸網(wǎng)的具體位置在高架橋或者是擋風(fēng)墻以及風(fēng)口的位置，由于以上環(huán)境較為復(fù)雜，所以面對的風(fēng)力特性也有所不同。由此可見，接觸網(wǎng)無法籠統(tǒng)選擇設(shè)計的風(fēng)速數(shù)值。

1.2 脈動風(fēng)對于接觸網(wǎng)風(fēng)速設(shè)計產(chǎn)生的影響

脈動風(fēng)速與 10min平均風(fēng)速都是組成風(fēng)速的重要部分。對于風(fēng)速時程的記錄，通常情況下是以平均數(shù)值為核心上下波動的曲線。借助靜力形式，平均風(fēng)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而脈動風(fēng)則主要會引發(fā)不同類型結(jié)構(gòu)的動態(tài)化反應(yīng)[4]。

合理設(shè)計接觸網(wǎng)的過程中，在接觸懸掛與支撐結(jié)構(gòu)方面都應(yīng)當(dāng)對脈動風(fēng)產(chǎn)生的影響展開綜合考慮。其中，接觸懸掛風(fēng)振的響應(yīng)會通過受電弓運行的安全校驗以及風(fēng)偏校驗這兩個方面表現(xiàn)出來，對于接觸網(wǎng)的支撐結(jié)構(gòu)而言，其風(fēng)振響應(yīng)則是借助結(jié)構(gòu)強度與疲勞檢算來體現(xiàn)。

第一，風(fēng)偏風(fēng)速的設(shè)計。大風(fēng)最明顯的特征就是風(fēng)力較強且起風(fēng)的速度相對較快，局地性很強，而風(fēng)脈動部分會直接影響到接觸網(wǎng)線索的狀態(tài)。在這種情況下，要想將瞬態(tài)影響和受電弓動態(tài)運行的安全性檢驗準(zhǔn)確地反映出來，對風(fēng)速進(jìn)行設(shè)計的過程中，就應(yīng)當(dāng)對脈動風(fēng)的因素予以綜合衡量。與此同時，要將風(fēng)速的時距進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，從10min轉(zhuǎn)變成 3s，也就是說，在強風(fēng)區(qū)域?qū)︼L(fēng)偏風(fēng)速的設(shè)計應(yīng)當(dāng)選擇瞬時風(fēng)速的方式。但需要注意的是，風(fēng)偏風(fēng)速設(shè)計的換算必須要全面衡量測風(fēng)系統(tǒng)以及鐵路行車管理機(jī)制的實際情況來選擇[5]。

第二，結(jié)構(gòu)風(fēng)速的設(shè)計。眾所周知，接觸網(wǎng)的支撐結(jié)構(gòu)，其風(fēng)振響應(yīng)取決于結(jié)構(gòu)動力的特性。一旦結(jié)構(gòu)的整體剛度偏大，那么風(fēng)荷載動力的影響程度就相對較小，無需對風(fēng)振產(chǎn)生的影響進(jìn)行考慮。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》內(nèi)容要求，普通結(jié)構(gòu)基本自振的周期經(jīng)驗公式中，鋼結(jié)構(gòu)可以選擇使用高數(shù)值，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)則應(yīng)當(dāng)選擇使用低數(shù)值，這樣即可對接觸網(wǎng)的軟橫跨鋼柱以及腕臂柱自振的周期進(jìn)行準(zhǔn)確的計算。所以，在強風(fēng)區(qū)域，對結(jié)構(gòu)風(fēng)速設(shè)計的過程中，可以不考慮脈動風(fēng)的因素，始終沿用10min平均風(fēng)速的方式即可。

2 基于大風(fēng)的接觸網(wǎng)變形與應(yīng)力闡釋

2.1 氣動特性的仿真

因大風(fēng)因素所引發(fā)的接觸網(wǎng)變形以及應(yīng)力問題，在對其進(jìn)一步研究的過程中，借助相關(guān)分析軟件，有效地模擬并仿真出蘭新線大風(fēng)區(qū)段的接觸網(wǎng)氣動特性。

1）接觸網(wǎng)的氣動仿真模型構(gòu)建。在實際仿真的過程中，選取蘭新鐵路的大風(fēng)區(qū)段，四種不同懸掛組合的方案，實現(xiàn)了接觸網(wǎng)氣動特性的有效仿真[6]。對于仿真模型的構(gòu)建，一般選擇使用的是全補償簡單直鏈形的懸掛方式，對于所構(gòu)建的模型而言，其首端模擬中心的錨結(jié)是規(guī)定的，而在末端則對下錨補償進(jìn)行了有效地模擬。其中，跨距包括了40m、45m、50m、55m及60m。另外，支柱的類型主要是φ400× 9 9.5的鋼管柱，結(jié)構(gòu)的實際高度暫時確定為140cm。下表是接觸網(wǎng)匹配張力和風(fēng)偏同步性的檢驗結(jié)果。

表 電氣化鐵路接觸網(wǎng)匹配張力與風(fēng)偏同步性的校驗結(jié)果

2）承力索和接觸線張力的匹配仿真。對于CTS120接觸線來講，通常會選擇使用20kN的張力，而CTS150接觸線所選擇的張力則是25kN。在實踐過程中，要想有效地規(guī)避吊弦線夾偏斜打弓或者是致使導(dǎo)線偏磨問題的發(fā)生，必須針對接觸線風(fēng)偏的同步性展開全面校驗[7]。

3）路基有無擋風(fēng)墻的仿真。通過對分析軟件的合理運用，仿真并準(zhǔn)確地計算出路基在無擋風(fēng)墻狀態(tài)和有擋風(fēng)墻狀態(tài)的風(fēng)速。

2.2 評價受電弓運行安全程度的標(biāo)準(zhǔn)

對受電弓設(shè)計運行安全性評價的過程中，最基本的要求包括兩點：第一，受大風(fēng)以及受電弓運行動態(tài)的影響，一旦定位點的接觸線實現(xiàn)最大的抬升量，應(yīng)保證定位器不限位地制動，且能夠確保定位裝置與受電弓不接觸。第二，受大風(fēng)因素的影響與作用，跨中接觸線水平方向的偏移數(shù)值不應(yīng)當(dāng)高出400mm。

現(xiàn)階段，我國最常使用的限位定位器，對抬升量以及受電弓抬升量的最大數(shù)值是 120mm。如果是受電弓最大動態(tài)作用，那么定位器的抬升基本上不會存在富余，但是不限位的定位器則可以剩余出80mm。在實踐過程中，大風(fēng)上吹角會導(dǎo)致定位器的抬升量明顯增加，為此，在路堤地段盡量選擇使用不限位的定位器。其中，由于大風(fēng)因素所引起的定位器抬升，應(yīng)對實際的抬升量進(jìn)行嚴(yán)格地控制，不允許超過80mm，與此同時，將其作為重要參考依據(jù)，在大風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行受電弓運行安全性的有效校驗[8]。

2.3 仿真的結(jié)果比較

充分結(jié)合受電弓運行的安全評價標(biāo)準(zhǔn)要求，針對仿真過程所獲取的數(shù)據(jù)信息展開對比與分析可以發(fā)現(xiàn)：

1）要想有效地解決大風(fēng)荷載所帶來的接觸網(wǎng)線索變形問題，跨距的縮小是最佳的方式。在這種情況下，不斷增加導(dǎo)線的張力并擴(kuò)大其截面的面積，但實際效果并不明顯。當(dāng)跨距縮小到不超過 50m的情況下，不同懸掛方案當(dāng)中的跨中接觸線，實際的偏移程度與要求相適應(yīng)，而定位器的抬升則是其中不可或缺的控制因素。

2）針對不具備擋風(fēng)墻的情況，應(yīng)將跨距確定成45m。如果具備擋風(fēng)墻，那么跨距應(yīng)當(dāng)確定成40m。在此基礎(chǔ)上，各個懸掛方案定位器的實際抬升量都不超過80mm，并且與其抬升的標(biāo)準(zhǔn)要求相吻合。

3）CTS120接觸線與CTS150接觸線實際的波動傳播速度大概保持一致，而且，根據(jù)弓網(wǎng)受流質(zhì)量來講，在大風(fēng)條件下，正反定位點的高差越小，導(dǎo)線的平順程度就越高，而且還會直接提高受流的質(zhì)量。

通過上述研究與分析發(fā)現(xiàn)，在大風(fēng)區(qū)段可以通過對JTMH95+CTS120這一懸掛組合予以合理地運用，且在沒有擋風(fēng)墻的情況下，將跨距確定為45m。

2.4 腕臂的應(yīng)力分析

若選擇使用結(jié)構(gòu)風(fēng)速的設(shè)計方式，針對腕臂支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力展開深化分析可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力主要集中在套管雙耳與定位支座等相關(guān)位置。對于腕臂而言，應(yīng)力主要集中于平腕臂和斜腕臂的連接部位，在故障發(fā)生以后要想規(guī)避接觸網(wǎng)的塌網(wǎng)問題，應(yīng)將加強支撐合理地設(shè)置在兩個腕臂之間，并將其當(dāng)做結(jié)構(gòu)冗余，確保對定位管防風(fēng)支撐的合理設(shè)置。

3 結(jié)束語

綜上所述，針對復(fù)雜環(huán)境下的鐵路接觸網(wǎng)風(fēng)速設(shè)計，必須要具有較強的針對性。在此過程中，位于風(fēng)口高路堤位置所引起的風(fēng)速最大且風(fēng)向上吹角變化也最為明顯，影響接觸網(wǎng)的程度隨之提高。接觸網(wǎng)設(shè)置的主要目標(biāo)就是確保受電弓始終處于安全運行的狀態(tài)。但需要注意的是，跨中接觸線水平偏移的數(shù)值不允許高于 400mm，而且因大風(fēng)因素所形成的定位器抬升，實際的抬升量也必須不超過80mm。通過對電氣化鐵路接觸網(wǎng)防風(fēng)技術(shù)的分析，以期提供有價值的參考依據(jù)。

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