孫衍鵬,靳遠(yuǎn)，寧楠,李權(quán)潘

(1. 四川聯(lián)暢信通科技有限公司，成都 610031； 2. 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100073)

目前，在鐵路隧道中，采用漏纜進(jìn)行信號(hào)覆蓋已成為最有效且穩(wěn)定的方式。漏纜卡具是將漏纜固定在隧道壁上的重要工具，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理可靠，直接關(guān)乎漏纜使用的安全性。

迄今為止，行業(yè)內(nèi)已有許多學(xué)者開展了關(guān)于漏纜系統(tǒng)的研究與分析，例如研究漏纜掛設(shè)高度、卡具松動(dòng)的對(duì)策措施、卡具間距的標(biāo)準(zhǔn)、安裝規(guī)范以及緩解卡具腐蝕和斷裂的措施等[1-5]；虞凱等[6]還針對(duì)懸掛漏纜信號(hào)定向發(fā)射設(shè)計(jì)了一種新型漏纜夾具。卡具大多安裝在隧道內(nèi)，因此會(huì)受到列車經(jīng)過產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷作用，一些學(xué)者通過仿真手段研究了列車通過隧道產(chǎn)生的空氣動(dòng)力效應(yīng)[7-11]。在證明仿真方法可行后，耿義光[12]采用仿真分析和實(shí)車試驗(yàn)相結(jié)合的方法總結(jié)出了饋線及卡具所受的氣動(dòng)力隨車速、位置、饋線長(zhǎng)度等因素變化而變化的規(guī)律。

綜上所述，行業(yè)內(nèi)學(xué)者通過總結(jié)實(shí)際工程問題，使漏纜與卡具安裝達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并借助仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究漏纜固定系統(tǒng)所承受的沖擊載荷，通過考慮漏纜固定系統(tǒng)的承載因素規(guī)避卡具松動(dòng)引發(fā)的漏纜脫落事故，但目前尚無關(guān)于如何通過優(yōu)化卡具的結(jié)構(gòu)提升其可靠性與穩(wěn)定性，從源頭解決卡具的安全隱患問題的研究。因此，本文對(duì)卡具進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了一款高強(qiáng)度抗震防脫落卡具，并通過風(fēng)洞仿真與抗震分析指出卡具設(shè)計(jì)的突破點(diǎn)，從而為今后卡具的方案設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考，也為漏纜固定系統(tǒng)的安全智能運(yùn)維提供保障。

1 高強(qiáng)度抗震防脫落卡具設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)有卡具的弊端

已有的漏纜卡具存在較多的安全隱患，常見問題主要有三點(diǎn)：其一，卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致卡具不鎖閉時(shí)無法固定漏纜，漏纜進(jìn)入曲線段后無法夾持漏纜，卡具進(jìn)入大修期時(shí)更換不便利，蓋板脫蓋后漏纜失去夾持力；其二，尼龍卡束底座厚度不足時(shí)，長(zhǎng)期風(fēng)壓作用下易導(dǎo)致尼龍卡束撕裂，卡具的現(xiàn)場(chǎng)故障如圖1所示；其三，尼龍卡束材料性能不合格，導(dǎo)致長(zhǎng)期風(fēng)壓作用下尼龍卡束從金屬件中脫離。因此，漏纜卡具本身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，這不僅直接關(guān)乎漏纜的安全性能，還會(huì)間接影響到施工的便利程度、檢修及運(yùn)維的成本。本文設(shè)計(jì)新款漏纜卡具，以改善卡具存在的弊端，提高漏纜系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性。

(a) 卡具蓋板脫落

(b)尼龍卡束撕裂圖1 卡具的現(xiàn)場(chǎng)故障

1.2 高強(qiáng)度防脫卡具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

漏纜卡具多是根據(jù)實(shí)際問題逆向設(shè)計(jì)得到的，缺乏綜合的技術(shù)分析。因此，首先應(yīng)總結(jié)問題，盡量采用正向設(shè)計(jì)。正向設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)明確漏纜卡具的基本功能與使用要求，知悉卡具環(huán)境工況與安全承載需求；其次需要分析漏纜固定系統(tǒng)的受力，進(jìn)行組件設(shè)計(jì)；最后再通過第三方測(cè)試來認(rèn)證漏纜固定系統(tǒng)的技術(shù)性能。本次設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度抗震防脫落漏纜卡具又稱13/8中置式單蓋板漏纜卡具(以下簡(jiǎn)稱“漏纜卡具”)，英文簡(jiǎn)稱TSNPL-42，意為絕緣標(biāo)稱外徑42 mm漏纜的隧道內(nèi)單用普通非自承式低速卡具。漏纜卡具由錨栓固定在混凝土中，其模型主要包括蓋板、底座、插銷與錨栓，漏纜卡具的結(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)計(jì)卡具有不同寬度(25 mm、35 mm)，因兩種卡具結(jié)構(gòu)相同，此處僅展示25 mm寬的卡具。

圖2 漏纜卡具的結(jié)構(gòu)

1.3 緊固保護(hù)優(yōu)化

為使漏纜能夠在不平整的地面上安裝，且受到有效的固定和保護(hù)，需設(shè)計(jì)一款拆卸與安裝均十分便利的漏纜地面防護(hù)罩，防護(hù)罩需具有高度調(diào)節(jié)功能，使其在敷設(shè)漏纜時(shí)與軌道平行，保證信號(hào)質(zhì)量。采用一款魚刺型結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度SMC復(fù)合材料制作的漏纜地面防護(hù)罩，其采用模塊化設(shè)計(jì)，支撐裝置、卡扣裝置以及保護(hù)裝置分工明確。此卡扣裝置中的彈片結(jié)構(gòu)能保證漏纜的漏泄孔與列車天線對(duì)應(yīng)，支撐裝置中的螺栓可調(diào)節(jié)漏纜敷設(shè)高度，確保漏纜與車載天線之間保持最佳距離；同時(shí)，SMC復(fù)合材料具有良好的透波性，能使通信系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度更大。除此之外，漏纜護(hù)罩本身結(jié)構(gòu)牢固、可通風(fēng)，底部有高度可調(diào)節(jié)的托架支撐，不僅可防止上卡扣部前后、上下移動(dòng)，保證漏纜在卡扣裝置中不脫落，而且可防止支撐裝置之間的距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致漏纜中部下墜。

1.4 高強(qiáng)度卡具的檢測(cè)

本次正向設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度抗震防脫落漏纜卡具，技術(shù)突破點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下三個(gè)方面。

1) 風(fēng)洞分析

使用三維有限元分析軟件計(jì)算漏纜卡具的基本風(fēng)壓(最大風(fēng)壓載荷)，得出卡具的最大順風(fēng)向位移值，通過風(fēng)壓、位移等數(shù)據(jù)判斷卡具在長(zhǎng)期風(fēng)壓作用下會(huì)不會(huì)發(fā)生卡束撕裂以及從金屬件中脫離等情況。

2) 抗震分析

根據(jù)有限元響應(yīng)頻譜分析模塊，模擬地震產(chǎn)生的脈動(dòng)載荷導(dǎo)致卡具產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)，得出卡具的形變與應(yīng)力值，通過比較卡具的厚度與材料的屈服強(qiáng)度判定抗震烈度。

3) 測(cè)試認(rèn)證

在國(guó)家級(jí)及以上的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試認(rèn)證，測(cè)試性能報(bào)告主要包括漏纜卡具的環(huán)境性能、環(huán)保性能、耐火性能、材料性能以及機(jī)械性能等，其中環(huán)保性能認(rèn)證指出漏纜卡具尼龍組件中無鹵，也不含有害物質(zhì)成分。高強(qiáng)度漏纜卡具已通過《鐵路通信漏泄同軸電纜吊具》(TB/T 3440—2016)中所要求的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的檢驗(yàn)，說明卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，使用時(shí)安全隱患較少，可降低后期維護(hù)與檢修的成本。

2 風(fēng)洞仿真的計(jì)算模型

2.1 漏纜卡具幾何模型的簡(jiǎn)化

13/8中置式單蓋板漏纜卡具存在曲面及細(xì)小的倒角，對(duì)后續(xù)網(wǎng)格劃分非常不利，因此需對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略局部細(xì)小的特征。漏纜卡具的簡(jiǎn)化模型如圖3所示?？ň咧猩w板、底座以及插銷均用尼龍材料制成，錨栓則選用強(qiáng)度較高的不銹鋼制作，兩種材料的物理特性如表1所示。

圖3 漏纜卡具的簡(jiǎn)化模型

表1 兩種材料的物理特性

2.2 數(shù)值求解方法

2.2.1 湍流模型及控制方程組

對(duì)于建立的風(fēng)洞流體域中穩(wěn)態(tài)和不可壓縮氣體的流動(dòng)，采用雷諾平均(Navier-Stokes)模型求解，控制方程可表示為

(1)

(2)

2.2.2 流體域與結(jié)構(gòu)域的離散

網(wǎng)格離散情況對(duì)計(jì)算精度和時(shí)間影響較大，考慮到流體域中卡具區(qū)域的單元面較小，網(wǎng)格離散的時(shí)間成本遠(yuǎn)大于計(jì)算成本，故本文采用混合網(wǎng)格技術(shù)對(duì)流體域進(jìn)行離散，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為56萬，單元數(shù)為236萬。由于13/8中置式單蓋板漏纜卡具幾何模型中存在尖角、細(xì)小面等幾何特征，故采用適用性較好的四面體網(wǎng)格對(duì)卡具進(jìn)行離散，節(jié)點(diǎn)數(shù)為21萬，單元數(shù)為12萬，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

(a) 流體域網(wǎng)格截面圖

(b) 卡具網(wǎng)格示意圖圖4 網(wǎng)格劃分

2.2.3 計(jì)算風(fēng)速與邊界條件

根據(jù)現(xiàn)有列車在隧道內(nèi)的行駛速度，本次風(fēng)洞仿真取風(fēng)速10～60 m/s，間隔10 m/s；仿真時(shí)入口采用速度邊界條件，來流方向垂直隧道進(jìn)口面，湍流強(qiáng)度取5%，計(jì)算過程中空氣無質(zhì)量變化，無熱量傳遞，故設(shè)定密度為常數(shù)。隧道實(shí)際的長(zhǎng)度利于其出口截面的流動(dòng)充分發(fā)展，可使所有變量的法向梯度為零。本次計(jì)算采用壓力出口邊界條件，將出口設(shè)定為0 MPa。近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理，由于氣體與壁面接觸的界面不存在滑移，故壁面采用無滑移邊界條件。算法設(shè)置方面采用基于壓力耦合方程組的半隱式算法與壓力交錯(cuò)插補(bǔ)格式對(duì)壓力方程進(jìn)行求解，動(dòng)量、湍動(dòng)能和耗散率則采用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散。

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 漏纜卡具表面壓力特性

通過對(duì)不同蓋板寬度的漏纜卡具進(jìn)行風(fēng)洞仿真，計(jì)算得到各風(fēng)速下卡具表面的正負(fù)壓力峰值，提取數(shù)據(jù)繪制最大正壓力、負(fù)壓力隨風(fēng)速變化的曲線，正負(fù)壓力變化曲線如圖5所示。由圖可知，兩種漏纜卡具的最大正壓力與最大負(fù)壓力均隨風(fēng)速增加而增加，風(fēng)速越大壓力增幅越大。對(duì)比卡具的最大正壓力曲線可知，寬度變化對(duì)正壓力的影響極小，原因是氣流正向沖擊卡具迎風(fēng)面，在該處形成駐區(qū)，使動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓，而兩卡具寬度不同，但迎風(fēng)面面積相同，故正壓力相差較小。反觀負(fù)壓力曲線可知，35 mm寬的卡具負(fù)壓力絕對(duì)值低于25 mm 寬的卡具，原因是一定速度的氣流沖擊卡具固體邊界形成脫流，產(chǎn)生大尺度旋渦，而寬度較小的卡具背風(fēng)面旋渦發(fā)展相對(duì)成熟，湍流效應(yīng)較為劇烈，因此靜壓難以恢復(fù)，背風(fēng)面的負(fù)壓偏大。說明增大寬度可消減負(fù)壓力值，而負(fù)壓力降低不僅可減小卡具的形變量，還能減弱其振動(dòng)幅度。

(a) 最大正壓力曲線

(b) 最大負(fù)壓力曲線圖5 正負(fù)壓力變化曲線

2.3.2 漏纜卡具靜力特性

通過將不同風(fēng)速下漏纜卡具承受的壓力載荷加載其表面進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，獲得兩種卡具在各風(fēng)速下的位移值，繪制卡具順風(fēng)向平均位移隨風(fēng)速的變化曲線如圖6所示。由圖可知，兩種漏纜卡具的平均位移值隨風(fēng)速增加而增加，25 mm寬的卡具順風(fēng)向位移均高于35 mm款的卡具，與負(fù)壓力載荷的變化規(guī)律一致。當(dāng)兩種卡具受60 m/s活塞風(fēng)最大荷載作用時(shí)，底座與插銷的位移量均較小，幾乎不發(fā)生形變；而25 mm寬的卡具蓋板順風(fēng)向位移值相對(duì)偏大，約為0.061 mm，與蓋板厚度(3 mm)相比可忽略不計(jì)，即蓋板在最大風(fēng)載荷作用下不會(huì)發(fā)生變形失效，說明兩種卡具在極限載荷作用下具有足夠的抵抗變形的能力，整體剛強(qiáng)度較高，不會(huì)發(fā)生蓋板脫落、底座撕裂以及卡束從金屬件中脫落等安全事故。

圖6 卡具順風(fēng)向平均位移隨風(fēng)速的變化曲線

3 地震譜抗震性能分析

3.1 地震譜響應(yīng)分析

地震作用是由地殼運(yùn)動(dòng)引發(fā)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力效應(yīng)，其傳播的加速度大小與振動(dòng)頻率具有一定規(guī)律。利用有限元方法分析8、9度地震烈度作用時(shí)，按照地震譜響應(yīng)(通過地震加速度波數(shù)據(jù)得到某一時(shí)間內(nèi)的地震波)方案進(jìn)行計(jì)算，利用這一時(shí)間內(nèi)的譜數(shù)據(jù)將地震作用當(dāng)作地震波響應(yīng)來分析。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[GB 50011—2010(2016版)](以下簡(jiǎn)稱“設(shè)計(jì)規(guī)范”)可查得地震影響系數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 地震影響系數(shù)曲線

水平地震影響系數(shù)最大值選取以多遇地震為原則，取8、9度地震烈度，αmax為0.24、0.32；設(shè)定地震區(qū)為近震區(qū)，將Tg取為0.20 s；并按照設(shè)計(jì)規(guī)范將h1取為0.02，h2取為1，g取為0.9。確定以上系數(shù)值后可求得不同時(shí)刻的水平地震影響系數(shù)α值，繼而求得設(shè)計(jì)基本地震加速度，獲得8、9度地震烈度下的地震譜。此處為節(jié)省篇幅，未羅列詳細(xì)的地震譜數(shù)據(jù)。

3.2 邊界條件及約束設(shè)置

地震譜分析是通過分析結(jié)構(gòu)固有頻率和地震的主振頻率共振時(shí)的位移與應(yīng)力變化得到的，因此分析地震譜前需進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每個(gè)模態(tài)都有特定的固有頻率和模態(tài)振型。在模態(tài)分析過程中，所有非線性都將轉(zhuǎn)化為線性進(jìn)行求解，因此將漏纜卡具各接觸定義為綁定接觸(bonded)。地震譜分析是計(jì)算漏纜卡具安裝在隧道襯砌壁面時(shí)的地震響應(yīng)，為真實(shí)地反映卡具狀態(tài)，其模態(tài)分析需定義為含約束的模態(tài)而不是結(jié)構(gòu)自由模態(tài)，混凝土座墩底面被定義為固定約束(fixed support)。兩種卡具的三維模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分與前文相似，此處不再詳述。

3.3 漏纜卡具的8度地震烈度應(yīng)力分析

通過對(duì)不同寬度的漏纜卡具進(jìn)行8度抗震仿真，計(jì)算得各卡具的等效應(yīng)力。8度地震烈度下漏纜卡具等效應(yīng)力分布如圖8所示。圖中，S25卡具為25 mm寬的卡具，S35卡具為35 mm寬的卡具，下同。

(a) S25卡具的等效應(yīng)力

(b) S35卡具的等效應(yīng)力圖8 8度地震烈度下漏纜卡具等效應(yīng)力分布

在8度地震烈度作用下，各漏纜卡具等效應(yīng)力分布相似，偏大位置均主要集中在基座上下加強(qiáng)筋部位，最大等效應(yīng)力均低于0.018 MPa，此值遠(yuǎn)低于尼龍材料的屈服強(qiáng)度極限值65 MPa，說明兩種卡具的強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生塑性變形。各漏纜卡具的變形最大值均位于卡具上蓋橫梁處，最大形變量小于0.001 5 mm，此形變值相對(duì)蓋板厚度(3 mm)可忽略不計(jì)，由此可見8度地震對(duì)兩種漏纜卡具結(jié)構(gòu)無明顯影響。

3.4 漏纜卡具9度地震烈度應(yīng)力分析

通過對(duì)不同寬度的漏纜卡具進(jìn)行9度抗震仿真，計(jì)算得各卡具的等效應(yīng)力。9度地震烈度下漏纜卡具等效應(yīng)力分布如圖9所示。

(a) S25卡具的等效應(yīng)力

(b) S35卡具的等效應(yīng)力圖9 9度地震烈度下漏纜卡具等效應(yīng)力分布

在9度地震烈度作用下，各卡具等效應(yīng)力分布相似，偏大位置均主要集中在基座上下加強(qiáng)筋部位(與8度地震變化相似)，最大等效應(yīng)力均低于0.024 MPa，此值遠(yuǎn)低于尼龍材料的屈服強(qiáng)度極限值65 MPa，其余部位的應(yīng)力均較小，說明卡具本身強(qiáng)度較高，在9度地震作用下結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生塑性變形，且不會(huì)發(fā)生卡束撕裂或脫落現(xiàn)象，可大大降低檢修的成本。兩者變形最大值均位于卡具上蓋橫梁處，S25卡具的變形量相對(duì)較大，約為0.001 9 mm，此形變值相對(duì)殼體厚度3 mm 極小，可認(rèn)定不發(fā)生形變，故9度地震對(duì)不同寬度的漏纜卡具結(jié)構(gòu)均無明顯影響。

4 結(jié)論

本文通過剖析早期漏纜卡具存在的弊端，對(duì)卡具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并借由有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的兩款不同寬度的新型漏纜卡具進(jìn)行風(fēng)洞仿真與抗震性能預(yù)測(cè)，詳細(xì)分析其受力以及發(fā)生形變的情況后，得出結(jié)論如下。

(1) 當(dāng)兩種漏纜卡具受60 m/s活塞風(fēng)最大荷載作用時(shí)，卡具順風(fēng)向最大位移值位于蓋板處，約為0.061 mm，故在活塞風(fēng)載荷下卡具結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生形變。對(duì)比各風(fēng)速產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)可知，漏纜卡具寬度增大可消減負(fù)壓力值，減小形變量，說明漏纜卡具寬度增大后抗風(fēng)性能更為優(yōu)異。

(2) 在8度與9度地震作用下，各漏纜卡具結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力均較小，整體應(yīng)力分布遠(yuǎn)低于尼龍材料的屈服極限強(qiáng)度，且形變量極小，說明漏纜卡具能抵抗8度烈度以上的振動(dòng)，具有較強(qiáng)的抗震性能。

(3) 新型漏纜卡具能抵抗60 m/s的活塞風(fēng)極限載荷作用以及8度地震烈度以上的振動(dòng)，穩(wěn)定性較好，說明通過優(yōu)化漏纜卡具的結(jié)構(gòu)，提高了卡具的可靠性與安全性，解決了早期漏纜卡具存在的安全隱患，為漏纜信號(hào)的敷設(shè)提供了保障。