盧廣苗

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

近年來,隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展,跨江、跨海等大跨度鋼桁架橋不斷涌現(xiàn)[1],如鄭武高鐵武漢天興洲長江大橋鋼桁梁跨度1 092 m,最大設計伸縮量為±500 mm[2];深江鐵路廣中江特大橋鋼桁架橋梁體主跨1 412 m,最大設計伸縮量為±650 mm;巢馬鐵路長江公鐵兩用大橋鋼梁梁端最大設計伸縮量為±850 mm;滬蘇通鐵路滬蘇通長江公鐵大橋鋼桁架梁跨度1 092 m,最大設計伸縮量達±900 mm[3]。

大跨度鋼桁架梁引起的梁體伸縮對接觸網(wǎng)腕臂安裝、偏移調(diào)整等系統(tǒng)設計帶來諸多不利影響。腕臂偏移過大會使接觸網(wǎng)拉出值[4]、導高等系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生較大變化[5],引起定位器、吊弦處產(chǎn)生硬點、燃弧率超標等降低接觸網(wǎng)彈性指標及弓網(wǎng)受流質(zhì)量[6]等問題,嚴重時可導致定位線夾拉脫、打弓等故障[7],對于雙支腕臂會產(chǎn)生物理沖突或絕緣距離不足等問題;腕臂偏移不均表現(xiàn)為腕臂向其中一側偏移過大,同樣會引起上述問題,均不利于高速鐵路的運行安全[8]。在大跨度橋梁區(qū)段,若不考慮橋梁伸縮對接觸網(wǎng)腕臂安裝的影響,上述問題將進一步加劇。

為保證高速鐵路接觸網(wǎng)的安全運行,本次對高速鐵路大跨度鋼梁區(qū)段接觸網(wǎng)腕臂安裝做深入技術研究。

2 大跨度鋼梁伸縮對接觸網(wǎng)腕臂安裝的影響分析

2.1 腕臂偏轉工作原理

腕臂是用于固定接觸網(wǎng)承力索和接觸線的支撐結構裝置[9]。常規(guī)設計中腕臂受導線伸縮影響隨溫度變化發(fā)生線性偏轉[10],具體體現(xiàn)為溫度升高→導線伸長→腕臂向下錨側偏移,溫度降低→導線縮短→腕臂向中錨側偏移[11]。錨段關節(jié)雙腕臂底座最小間距由兩支腕臂最大偏轉量直接決定[12],高速鐵路雙腕臂底座最小間距如圖1所示。

圖1 高速鐵路雙腕臂底座最小間距示意Fig.1 Schematic diagram of minimum spacing between double cantilever bases of high-speed railways

高速鐵路接觸網(wǎng)雙腕臂間距最小距離一般按≮450 mm控制[13],考慮腕臂露頭等因素影響一般按500 mm進行設計[14]。高速鐵路雙腕臂底座的最小間距Lwb可按以下公式計算確定

Lwb=(Δe_amax+Δe_bmax)/2+0.5

(1)

式中,Δe_amax,Δe_bmax分別為兩支腕臂的最大腕臂偏移量。

2.2 鋼梁縱向伸縮對腕臂安裝的影響分析

橋梁伸縮會引起接觸網(wǎng)支柱產(chǎn)生位移,導致接觸網(wǎng)腕臂與中錨柱之間的距離發(fā)生改變,進而影響腕臂偏移;混凝土橋梁及小跨度鋼梁伸縮量小,對接觸網(wǎng)腕臂偏移的影響很小;大跨度鋼梁伸縮位移大,在不利情況下引起的腕臂偏移量可達±(0.5～1.0) m,是影響錨段關節(jié)雙支腕臂間距取值的關鍵因素,也是引起拉出值等接觸網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)產(chǎn)生變化的重要因素。

高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)能否正常工作直接影響高速列車的安全運行,在大跨度鋼桁架橋區(qū)段不可忽視鋼梁縱向伸縮對接觸網(wǎng)腕臂安裝、偏移調(diào)整等系統(tǒng)設計的影響。

2.3 鋼桁架橋縱向伸縮機理

橋梁伸縮對腕臂偏移的影響較為復雜[15],為便于下文相關研究、計算,需簡要說明鋼桁架橋縱向伸縮機理。

鋼桁架橋主要受溫度、制動力、風荷載及活載等影響產(chǎn)生縱向位移伸縮[16],伸縮量的大小與梁體結構形式、鋼梁整體跨度、環(huán)境溫度等多種因素有關[17]。

(1)環(huán)境溫度變化一般是大跨度鋼桁架橋產(chǎn)生縱向伸縮的主要因素,溫度作用下引起的梁橋伸縮包括線性溫度變化和梯度溫度變化。線性溫度變化引起的梁體變形產(chǎn)生的縱向伸縮量大;梯度溫度變化對橋梁結構的影響主要為應力變化,應力變化引起縱向伸縮量相對較小,在計算橋梁伸縮量時一般在安全系數(shù)中統(tǒng)一考慮。溫度變化引起的梁體最大伸縮量qtmax位于梁端,其余梁上各個點位的最大縱向伸縮量qt_ρmax以溫度伸縮零點為中心進行內(nèi)插計算[18]得出,具體如下。

梁體任意一點最大伸縮量

qt_ρmax=qtmax×Lρ/Lq

(2)

梁端實時伸縮量

qt=β×(tq-tqmin)×Lq

(3)

梁體任意一點實時伸縮量

qt_ρ=β×(tq-tqmin)×Lρ

(4)

式(3)、式(4)中,β為橋梁梁體線溫度膨脹系數(shù)(1/℃),由橋梁專業(yè)提供或按橋梁專業(yè)提供的設計參數(shù)計算得出。

(5)

式中,tqmax為梁體最高計算溫度;tqmin為梁體最低計算溫度;tq為梁體現(xiàn)場實時溫度;Lq為梁端與鋼梁溫度伸縮零點的距離;Lρ為梁體任意一點與鋼梁溫度伸縮零點的距離。以橋梁在tqmin溫度時,梁體伸長量等于0為基準進行相關公式推算,如鋼桁架橋梁端受溫度影響伸縮變化范圍為±0.3 m,則qtmax=0.6 m。

(2)制動力及縱向風荷載引起的縱向位移相對較小,在其作用下引起鋼梁整體產(chǎn)生位移,即鋼梁任意位置產(chǎn)生的縱向位移量均與梁端一致[19]。在活載作用下,鋼梁梁體不同位置產(chǎn)生的伸縮量不同且變位復雜,其最大變形量一般位于梁端,鑒于活載對鋼梁伸縮影響較小,下文相關研究采取極限狀態(tài)法按鋼梁任意位置受活載影響產(chǎn)生的位移量均與梁端一致進行計算。以qεmax表示活載、制動力及風荷載引起的梁體最大綜合位移量。

(3)qtmax、qεmax、tqmax、tqmin等數(shù)值由橋梁專業(yè)計算并提供,本文不再贅述。

2.4 鋼梁伸縮在不同工況錨段布置方式下引起的腕臂偏移分析

大跨度鋼梁區(qū)段接觸網(wǎng)錨段關節(jié)及中錨布置位置不同,鋼梁伸縮引起的接觸網(wǎng)腕臂偏移方向和偏移量不同,與導線伸縮因素引起的腕臂偏移存在疊加和相減兩種關系?；诒M可能減小墜砣行程范圍,文章《高速鐵路大跨度鋼桁架橋接觸網(wǎng)關鍵技術研究》已完成接觸網(wǎng)在不同跨度鋼桁架橋的最優(yōu)錨段布置方式[20],總結如下。

(1)跨度720 m以下的鋼梁。建議將中心錨結布置在鋼梁溫度伸縮零值處,兩側錨段關節(jié)布置在靠近伸縮縫的混凝土梁上。

(2)跨度720～849 m的鋼梁。建議將錨段關節(jié)布置在鋼梁溫度伸縮零值處,兩側中心錨結布置在靠近伸縮縫的混凝土梁上。

(3)跨度大于850 m的鋼梁。建議伸縮縫處半錨長度盡量做短,其中關節(jié)布置在靠近伸縮縫的鋼梁梁上,中心錨結布置在靠近伸縮縫的混凝土梁上;整體布置在鋼梁本體上的接觸網(wǎng)建議適當縮短錨段長度。

(4)不得跨伸縮縫設置錨段關節(jié);為保證高速鐵路接觸網(wǎng)狀態(tài)參數(shù),大跨度鋼桁架橋上不宜設置絕緣關節(jié)或電分相。

腕臂偏移量與墜砣行程變化量成正比關系,上述推薦錨段布置方式能有效降低鋼梁伸縮對墜砣行程的影響,同樣也可降低鋼梁伸縮對腕臂偏移的影響。在上述成果基礎上進一步細化研究導線伸縮及鋼梁伸縮對不同工況接觸網(wǎng)腕臂偏移的影響和相互關系,見圖2和表1。

表1 溫度作用下鋼梁伸縮與導線伸縮對腕臂偏移影響相互關系對比Tab.1 Comparison of the influences of steel beam expansion and conductor expansion on cantilever deflection under the influence of temperature

圖2 不同跨度鋼梁區(qū)段接觸網(wǎng)推薦錨段布置方式Fig.2 Optimal anchor section layout of catenary in steel beam sections with different spans

當腕臂柱與中心錨結同時位于鋼桁架橋上時,鋼桁架橋上的腕臂偏移不受因活載、制動力及風荷載引起的qεmax橋梁伸縮影響。

根據(jù)本節(jié)研究,當橋梁伸縮對腕臂偏移有影響時,橋梁伸縮引起的腕臂偏移與導線伸縮引起的腕臂偏移有疊加關系和相減關系兩種情況。

3 大跨度鋼梁伸縮影響下腕臂偏移計算

3.1 腕臂最大偏移量計算

腕臂最大偏移量主要由腕臂處導線受溫度變化引起的最大導線伸縮量及鋼梁伸縮引起的最大腕臂偏移量兩個因素共同決定。

3.1.1 腕臂柱不受橋梁伸縮影響

腕臂最大偏移量[21]

Δemax=α×ΔTx×Lw

(6)

式中,ΔTx為接觸懸掛導線最大計算溫差,ΔTx=txmax-txmin,其中txmax接觸懸掛導線最高計算溫度;txmin為接觸懸掛導線最低計算溫度;Lw為腕臂柱與中心錨結的距離。

3.1.2 腕臂柱與中心錨結同時位于鋼桁架橋上

①疊加關系時腕臂最大偏移量為

Δemax=α×ΔTx×Lw+ΔLwmax

(7)

②相減關系時腕臂最大偏移量為

Δemax=max(α×ΔTx×Lw,ΔLwmax)

(8)

式中,α為銅合金導線的線溫度膨脹系數(shù)(1/℃)。

式(7)、式(8)中ΔLwmax為溫度作用下橋梁伸縮引起的最大腕臂偏移量(即溫度作用下腕臂柱與中心錨結距離受橋梁伸縮影響產(chǎn)生的最大變化量),此值由腕臂柱與中心錨結的距離Lw決定,具體為

ΔLwmax=qtmax×Lw/Lq

(9)

3.1.3 腕臂柱與中心錨結不同時位于鋼桁架橋上

①疊加關系時腕臂最大偏移量為

Δemax=α×ΔTx×Lw+qεmax+ΔLsmax

(10)

②相減關系時腕臂最大偏移量為

Δemax=max(α×ΔTx×Lw+qεmax,ΔLsmax+qεmax)

(11)

式(10)、式(11)中ΔLsmax為溫度作用下橋梁伸縮引起的最大腕臂偏移量(即溫度作用下腕臂柱至鋼梁溫度伸縮零點距離受橋梁伸縮影響產(chǎn)生的最大變化量),此值由腕臂柱與鋼梁溫度伸縮零點的距離Ls決定

ΔLsmax=qtmax×Ls/Lq

(12)

3.2 腕臂安裝曲線計算

準確的腕臂安裝曲線能有效避免腕臂向兩側偏移不均引起的弓網(wǎng)問題[22]。在大跨度鋼梁區(qū)段,腕臂偏移受導線伸縮和鋼梁伸縮共同影響,因此,腕臂安裝曲線(腕臂實時偏移量Δe)需結合鋼梁伸縮因素對常規(guī)設計計算公式進行修正。

常規(guī)設計中腕臂偏移僅受導線伸縮因素影響時,腕臂無偏轉時的安裝溫度為tx0=(txmax+txmin)/2;在僅受橋梁伸縮影響下,腕臂無偏轉時的安裝溫度為tq0=(tqmax+tqmin)/2。

制動力、風荷載及活載引起橋梁伸縮導致的腕臂偏移一般在列車通過鋼桁架橋時產(chǎn)生,計算腕臂最大偏移量時應予以考慮,但由于腕臂安裝及調(diào)整時不會有高速列車通行,故腕臂安裝曲線計算公式中可不體現(xiàn)qεmax的影響。

3.2.1 腕臂柱不受橋梁伸縮影響[17]

Δe=α×(tx-tx0)×Lw

(13)

式中,tx為接觸導線現(xiàn)場實時溫度(下同)。

3.2.2 腕臂柱與中心錨結同時位于鋼桁架橋上

①疊加關系時

Δe=α×(tx-tx0)×Lw+ΔLw

(14)

②相減關系時

Δe=α×(tx-tx0)×Lw-ΔLw

(15)

式(14)、式(15)中,ΔLw為在溫度作用下腕臂柱至中心錨結距離受橋梁伸縮影響產(chǎn)生的實時變化量:ΔLw=β×Lw×(tq-tq0)。

3.2.3 腕臂柱與中心錨結不同時位于鋼桁架橋上

①疊加關系時

Δe=α×(tx-tx0)×Lw+ΔLs

(16)

②相減關系時

Δe=α×(tx-tx0)×Lw-ΔLs

(17)

式(16)、式(17)中,ΔLs為在溫度作用下腕臂柱至鋼梁溫度伸縮零點距離受橋梁伸縮影響產(chǎn)生的實時變化量:ΔLs=β×Ls×(tq-tq0)。

腕臂實時偏移量Δe為正時代表腕臂向下錨側偏轉,Δe為負時代表腕臂向中錨側偏轉;腕臂偏移安裝曲線受tx和tq兩個變量共同影響,且tx與tq間無直接對應關系;鋼桁架橋現(xiàn)場實際溫度tq值隨機變化且較為復雜[23],與鋼梁所處地理位置、環(huán)境溫度[24]、風速、日輻射強度、雨霧[25]等因素密切相關,在工程實際應用中需參考橋梁專業(yè)相關資料對鋼桁架橋的實時溫度值進行測定,本文不做深入探討,建議tq值按近似等于現(xiàn)場環(huán)境氣溫,同時按tq=min(tq,tqmax)進行相關計算。

3.3 典型案例計算

3.3.1 工況2典型工點計算

設定第2.4節(jié)工況2中鋼桁架橋總跨度為850 m,其中

Lw1=100 m(3號腕臂柱);

Lw2=575 m(10號腕臂A支);

Lw3=500 m(10號腕臂B支);

Ls1=400 m;Ls2=75 m;

Lq1=Lq2=425 m;

txmax=80 ℃;txmin=-20 ℃;

tqmax=35 ℃;tqmin=-35 ℃;

α=0.000 017(1/℃);

β=0.000 015(1/℃);

tx0=30 ℃;

qt_amax=0.446 m;qt_bmax=0.446 m;

qεmax=0.24 m。

按上述參數(shù)對3號柱、10號柱進行典型腕臂安裝曲線及最大偏移量計算。

①3號柱腕臂偏移為疊加關系且腕臂柱與中錨不同時位于鋼桁架橋上。

按式(16)、式(18)計算腕臂安裝曲線

Δe=α×(tx-tx0)×Lw1+β×Ls1×(tq-tq0)=

0.001 7tx+0.006tq-0.051;

按式(10)、式(12)計算腕臂最大偏移量

Δemax=(α×ΔTx×Lw1)+qεmax+

(qt_amax×Ls1/Lq1)=0.85 m。

②10號柱雙腕臂A支偏移為相減關系且腕臂柱與中錨不同時位于鋼桁架橋上。

按式(17)、式(18)計算腕臂安裝曲線

Δe=α×(tx-tx0)×Lw2-β×Ls2×(tq-tq0)=

0.009 8tx-0.001 1tq-0.293 3;

按式(11)、式(12)計算腕臂最大偏移量

Δemax=max((α×ΔTx×Lw2+qεmax),

(qt_bmax×Ls2/Lq2+qεmax))=

max(1.218,0.32)=1.218 m。

③10號柱雙腕臂B支偏移為疊加關系且腕臂柱與中錨不同時位于鋼桁架橋上。

按式(16)、式(18)計算腕臂安裝曲線

Δe=α×(tx-tx0)×Lw3+β×Ls2×(tq-tq0)=

0.008 5tx+0.001 1tq-0.255;

按式(10)、式(12)計算腕臂最大偏移量

Δemax=(α×ΔTx×Lw3)+qεmax+

(qt_bmax×Ls2/Lq2)=1.169 m。

④10號柱雙腕臂底座最小間距

Lwb=(1.218+1.169)/2+0.5=1.694 m。

上文提到tq值的測定較為復雜,且tx與tq間無直接對應關系,為便于本次研究成果的直觀呈現(xiàn),假定tq=min(tx,tqmax)進行計算,得出腕臂安裝曲線如圖3所示。

圖3 工況2腕臂典型安裝曲線Fig.3 Typical cantilever installation curve of condition 2

綜上,針對跨度720～849 m的鋼梁,采用工況2錨段布置方式時腕臂偏移量整體較小。

3.3.2 工況3典型工點計算

設定第2.4節(jié)工況3中鋼桁架橋跨度為2 000 m,假定tq=min(tx,tqmax),在常規(guī)錨段布置方式下對3號柱、4號柱進行典型腕臂安裝曲線計算如圖4所示。

根據(jù)圖4典型設計參數(shù),工況3中3號柱、4號柱最大偏移量計算如下。

①3號柱腕臂偏移為疊加關系且腕臂柱與中錨不同時位于鋼桁架橋上,腕臂最大偏移量按式(10)、式(12)計算: Δemax=2.054 m。

②4號柱雙腕臂A支偏移為疊加關系且腕臂柱與中錨不同時位于鋼桁架橋上,腕臂最大偏移量按式(10)、式(12)計算: Δemax=2.087 m。

③4號柱雙腕臂B支偏移為相減關系且腕臂柱與中錨同時位于鋼桁架橋上,腕臂最大偏移量按式(8)、式(9)計算:Δemax=max(1.28,1.237)=1.28 m。

④4號柱雙腕臂底座最小間距

Lwb=(2.087+1.28)/2+0.5=2.184m。

綜上,工況3中當鋼梁伸縮與導線伸縮對腕臂偏移的影響為疊加關系時,鋼梁伸縮對接觸網(wǎng)系統(tǒng)設計非常不利。若將上述工況3典型案例中的Lw1調(diào)整為100 m、Lw2調(diào)整為150 m,經(jīng)計算腕臂安裝曲線如圖5所示。

圖5 縮短錨段長度布置時工況3腕臂典型安裝曲線Fig.5 Typical cantilever installation curve of condition 3 by shorting the length of anchor section

根據(jù)圖5典型設計參數(shù),縮短錨段長度后,工況3中3號柱腕臂最大偏移量為1.459 m;4號柱雙腕臂A支最大偏移量為1.492 m,4號柱雙腕臂B支最大偏移量為1.28 m,4號柱雙腕臂底座最小間距為1.886 m。

計算結果表明,縮短半錨長度可有效降低疊加關系時的腕臂偏移量和雙腕臂底座寬度。

4 結論

(1)大跨度鋼梁區(qū)段接觸網(wǎng)建議采用本文推薦的錨段布置方式,可有效降低腕臂偏移量。

(2)整體布置在鋼梁上的錨段腕臂偏移均為相減關系;應重點關注跨梁縫布置的錨段腕臂偏移問題,腕臂偏移為疊加關系時縮小半錨長度可有效減小腕臂偏移量。

(3)應特別注意跨度大于720 m鋼梁伸縮縫兩側錨段關節(jié)的雙腕臂間距,有條件時雙腕臂建議采用雙支柱安裝,且雙支柱間距建議按不低于2.5 m進行設計。

(4)腕臂安裝曲線應根據(jù)大跨度鋼梁區(qū)段錨段布置方案,判斷橋梁伸縮與導線伸縮對腕臂偏移的作用關系,參考本文計算公式進行逐工點計算,以指導腕臂安裝的設計、施工和運營維護。