曹 丹 吳 曉,2 殷銘豪 田建康 徐家根

1西南交通大學機械工程學院 成都 610031 2軌道交通運維技術與裝備四川省重點實驗室 成都 610031

0 引言

隨著鐵路和電網(wǎng)發(fā)展，相互跨越已是常態(tài)[1]。電力線路跨越鐵路施工時，按照規(guī)定應對鐵路線路進行安全防護，防止電力線路施工過程對鐵路造成影響或破壞[2]。傳統(tǒng)的安全防護方式是進行電力線路施工前，在鐵路兩側搭建類似建筑的腳手架并加裝防護網(wǎng)，施工完成后再將其拆除。這種安全防護裝置全部由人工搭建，過程繁瑣，效率低，且存在安全隱患，易引發(fā)安全事故。另外，這種方式材料用量較大、重復利用率低，存在較大的浪費[3]?；谏鲜銮闆r，結合跨越鐵路施工需求，本文提出了一種采用機械裝置替代傳統(tǒng)腳手架的有效解決方案，可實現(xiàn)安全防護裝置的快速架設以及施工完畢后裝置的拆除作業(yè)，達到了高效、重復利用的目的，節(jié)約了資源。如圖1所示，通過機械裝備自動搭建的鐵路跨越施工安全防護架，在電力線路等跨越鐵路施工時，可防止電纜墜落或其他高空墜物對鐵路線路和施工造成影響和破壞。

圖1 機械裝備搭建的跨越施工安全防護架

防護架要發(fā)揮安全防護功能，首先要確保作業(yè)期間自身穩(wěn)定和安全。防護架在防護作業(yè)期間，列車通行、空中墜物、地震、風載等都會對防護架結構產(chǎn)生不利影響，從改進和完善結構設計的角度，需要對這些影響因素進行分析?？缭椒雷o架的工作環(huán)境一般是野外，結構類似于高聳結構，風載對結構安全的影響較為明顯。機械化架設的防護架作為一種新型跨越安全防護結構，國內(nèi)外對其研究較少，有關跨越防護架風致響應的研究幾乎沒有，但對類似結構的風致響應，如起重機結構、高空作業(yè)車、建筑結構等風致響應的研究較多，多數(shù)學者們主要采用有限元數(shù)值模擬、風洞試驗以及現(xiàn)場實測方法。符康等[4]采用有限元方法研究動臂式塔式起重機在靜風載荷和脈動風載荷作用下的振動響應；蔣紅旗等[5]研究了基于有限元軟件Ansys對GKZ型折臂式高空作業(yè)車進行風振特性分析；程友良等[6]結合Davenport脈動風速譜，運用雙向流固耦合法，對塔架葉片耦合結構進行動力學參數(shù)變化分析，并在耦合結構作用下，對塔架及葉片進行位移變化分析；韓志惠等[7]基于剛性模型測壓風洞試驗數(shù)據(jù)，采用時程分析法對高層建筑屋頂廣告牌的風致響應進行了研究，并分析了單邊布置、鄰邊布置、三邊布置及四邊布置廣告牌對風致響應的影響；黃國慶等[8]研究山區(qū)非平穩(wěn)強風下大跨懸索橋靜風及抖振響應，以云南普立大橋處為實測風速樣本，對大跨橋梁展開風致響應分析，采用虛擬激勵法分別針對實測風譜與規(guī)范風譜對該橋進行了抖振響應研究。

上述研究對于鐵路跨越防護架抗風結構設計具有參考價值，為研究跨越防護架在風載荷作用下的風致響應特性，采用有限元法對其結構進行分析，獲得靜風與脈動風中不同工況下的位移及應力變化，進一步對比分析有無纜風繩對跨越防護架結構的具體影響規(guī)律，從結構抗風的角度改進結構設計和保證其防護作業(yè)期間的安全運行具有重要意義。

1 跨越防護架結構靜風響應分析

1.1 靜風載荷的理論計算

由于鐵路跨越安全防護架在工作防護過程中為露天工作，來流風方向是隨機不可控、不同方向角等一系列因素會使整個跨越防護架結構受到影響。參考GB/T 3811—2008《起重機設計規(guī)范》[9]，結合跨越架的結構特點，選取最不利的風向確定計算工況?？缭椒雷o架風載荷計算公式為

式中：C為風力系數(shù)，采用直邊型鋼桁架結構，取1.7；p為計算風壓；A為結構垂直于風向的實體迎風面積。

根據(jù)桁架結構的迎風實際面積計算，需考慮桁架式結構的擋風折減系數(shù)、構件間的間隔比等因素相關，即

式中：A1為前排結構的迎風面積；A2為后排結構的迎風面積；η為前排結構對后排迎風面面積的擋風折減系數(shù)，其值可根據(jù)結構迎風面的充實率φ及2片構件間的間隔比查找相應規(guī)范表格選取。

1.2 靜風載荷的計算工況

鐵路跨越安全防護架的工作環(huán)境是在戶外，來流風的方向是隨機的，風以不同角度作用在跨越防護架上。為了分析不同方向靜風對跨越防護結構的影響，考慮到跨越防護架結構的對稱特性，選取順軌道方向、側向和垂直軌道方向作為代表工況，風力等級為6級、8級、10級等，具體如表1所示。

表1 靜風對上部裝置的工況分析

1.3 跨越防護架工況分析

跨越防護架分別在順軌道方向、垂直軌道方向和側方向的靜風工況影響下，產(chǎn)生的位移與應力均較大。根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機設計規(guī)范》，跨越防護架的靜位移與高度的關系可表示為

由式（4）可知，跨越防護架立柱的最大許用水平位移ΔL＝49.26 mm。采用有限元法，對靜風工況下3個不同方向來風進行仿真，跨越防護架的位移變化結果見表2。

表2 跨越防護架的各工況位移變化

由表2可知，當跨越防護架結構未拉纜風繩時，不同工況下跨越防護架的位移變形量隨風速的提高逐漸增大，在風速為25.6 m/s的側向風處產(chǎn)生最大變形為302.82 mm，風速為13.3 m/s垂直軌道方向的位移為45.304 mm小于ΔL許用值，符合設計規(guī)范，其余工況均不滿足，故對跨越防護架結構使用拉纜風繩加以固定。當跨越防護架結構拉攬繩時，不同工況下的變形量隨風速的提高而增大，最大位移在順軌道方向風速25.6 m/s處的變形為7.197 mm，變形量遠小于ΔL許用值。

由跨越安全防護架所用材料6061-T6鋁合金，計算得出許用應力σ＝179.1 MPa，其跨越防護架結構各工況仿真分析的應力變化如表3所示。

表3 跨越防護架的各工況應力變化

由表3可知，所有工況的應力變化都在許用應力范圍內(nèi)，在跨越防護架結構未拉纜風繩時，不同工況下的應力隨風速增大而增大，在風速為25.6 m/s側向風影響下應力變化最大，最大值為174.18 MPa，需考慮減小應力值的大小。在跨越防護架拉纜風繩時，不同工況下的應力隨風速的增大而增大，但小于未拉纜風繩工況。

對比理論計算值，跨越防護架在未拉纜風繩的情況下，防護架的位移變化值超出許用值，在不對結構進行改進的前提下，需要拉纜風繩以提高跨越架的穩(wěn)定性。

2 跨越防護架結構脈動風響應分析

由上述靜風致響應可知，跨越防護架在側向風作用下受到的影響最大。在研究脈動風致影響時，使用Matlab軟件中模擬出風力等級為10級的最大脈動風速，利用脈動風速轉化成脈動風荷載，再將脈動風荷載時程以荷載的方式施加到跨越防護架上，根據(jù)時程分析法求解基本運動方程，可得到出跨越防護架結構的位移、應力、速度和加速度響應。

2.1 脈動風速時程曲線

分析跨越架在脈動風作用下的響應，可從頻域和時域2種角度考慮。頻域分析法是基于隨機振動理論，描述了脈動風的頻譜特性和結構響應之間的關系，這種方法不能直觀地表現(xiàn)結構響應隨時間變化，而時域則能直觀地實現(xiàn)這些變化，還能充分考慮結構大變形等非線性的影響[10]。本文選用瞬態(tài)動力學分析，從時域的角度將風載荷隨時間變化的曲線作為外載荷加載在跨越架結構表面，分析計算結構特性在脈動風載作用下的響應。

在跨越防護架停留在鐵路期間，為了保護鐵路線路和電力線路有效跨越，計算模擬樣本選取點數(shù)為2 000，總時長為200 s，時間步長設為0.1 s。通過擬合狂風的Davenport譜描述脈動風在對應脈動風速時程曲線，其曲線分布如圖2所示。

圖2 35.8 m/s脈動風速時程曲線

在Ansys的瞬態(tài)動力學模塊對跨越架進行動力響應分析時，將不同工況下的總風速轉化為相應的風壓施加到跨越架結構表面，可按風壓式（2）計算。

本文截取前30 s的脈動風壓共300個時間步，計算跨越架結構在脈動風載荷作用下的動力響應，提取結構在每個載荷步的最大應力、位移和總側向風速度，并與靜風載荷作用下對應工況跨越架結構的應力、位移等進行比對，分析脈動風作用下結構的動態(tài)動力特性。

2.2 位移響應曲線

如圖3所示，脈動風作用下跨越防護架所受位移呈上下波動趨勢，作用在結構上的風載荷是隨時間無規(guī)則變化的隨機載荷，位移時程曲線在未拉纜繩和拉纜繩的趨勢一致，但結構變形對應最大的時間點不同，同風載荷下，拉纜繩比未拉纜繩的位移量更穩(wěn)定、更安全。這2種工況下跨越防護架的位移量分別為：在跨越架未拉纜繩中10.38 s處的最大變形為407.12 mm，在跨越架已拉纜繩中10.4 s處的最大變形為16.082 mm。

圖3 側向風位移時程曲線

2.3 應力響應曲線

如圖4所示，跨越防護架結構的應力隨時間變化曲線與位移時程曲線相似，2種工況下跨越防護架的最大應力值分別為：未拉纜繩中10.37 s處的最大應力為57.289 MPa，已拉纜繩中10.4 s處的最大應力為4.503 MPa。

圖4 側向風應力時程曲線

2.4 速度響應曲線

如圖5所示，跨越防護架結構在側向風速度時程曲線與位移時程曲線變化相似，2種工況下跨越防護架的速度分別為：未拉纜繩中29.69 s處的最大速度為1 299 mm/s，已拉纜繩中11.55 s處的最大速度為185.21 mm/s。

圖5 側向風速度時程曲線

2.5 加速度響應曲線

如圖6所示，跨越防護架結構在側向風總加速度時程曲線與位移時程曲線變化相似，2種工況下跨越防護架的速度分別為：未拉纜繩中28.23 s處的最大加速度為6 278.6 mm/s2，已拉纜繩中11.41 s處的最大加速度為3 059.7 mm/s2。

圖6 側向風總加速度時程曲線

3 結論

1）通過仿真跨越防護架不同速度、不同風向對應的工況，得到結構位移、應力變化值，并將仿真計算結果與理論值進行對比，得到風速為35.6 m/s側向風對跨越防護架的變形與應力影響最大。

2）對跨越防護架結構進行脈動風載的瞬態(tài)動力分析時，采用Davenport風速譜模擬最大風速對應的脈動風速時程曲線，得到了結構的變形、應力、速度和加速度的時程變化曲線，其變形在未拉纜風繩的最大變形為407.12 mm，拉纜風繩下的最大變形為16.082 mm，2種工況的應力值均在許用范圍內(nèi)。

3）在靜風與脈動風不同工況下的計算，都得出跨越防護架在拉纜風繩比未拉纜風繩的變形與應力更小，更安全，為后續(xù)方案改進提供參考。