地鐵聯(lián)絡(luò)通道環(huán)網(wǎng)非標(biāo)支架的力學(xué)特性研究

上官劍

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

關(guān)鍵字：環(huán)網(wǎng)；聯(lián)絡(luò)通道；非標(biāo)支架；有限元法；模態(tài)分析

0 引言

環(huán)網(wǎng)（中壓網(wǎng)絡(luò)）是地鐵集中式供電方式特有的輸電線路，其作用是將主變電所降壓后的35kV電源饋送到各個(gè)車站變電所[1]。環(huán)網(wǎng)電纜利用區(qū)間通道，沿隧道壁、高架橋側(cè)墻、高架檢修通道敷設(shè)在橋支架上[2]。一般環(huán)網(wǎng)支架安裝在其底部距離鋼軌平面1600～1800mm范圍的隧道壁上，隧道內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道高度在3400mm左右，致使電纜敷設(shè)路徑與聯(lián)絡(luò)通道交叉，施工圖紙往往沒有聯(lián)絡(luò)通道具體的安裝方案。目前，常用的安裝方式有兩種。一種是將支架在通道處抬高，電纜在通道上部繞行。這種方式容易導(dǎo)致支架與其他設(shè)備安裝位置沖突，同時(shí)支架托臂很難滿足設(shè)備限界要求，如果將托臂縮短又會導(dǎo)致托臂長度不符合電纜敷設(shè)要求。另一種是利用非標(biāo)件將支架進(jìn)行架空，使環(huán)網(wǎng)敷設(shè)路徑在聯(lián)絡(luò)通道口外側(cè)通過。這種方式可以避免前者存在的缺陷，同時(shí)非標(biāo)支架在特殊情況下具備一定的通用性（如電纜彎曲半徑不足處可以用非標(biāo)支架進(jìn)行過渡），所以大部分地鐵施工單位采用了第二種方法。但是，工程技術(shù)人員通常憑經(jīng)驗(yàn)對非標(biāo)支架進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝，缺乏系統(tǒng)的研究論證。并且各地鐵線路存在較大差異，聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)構(gòu)和尺寸各不相同，很難在現(xiàn)有文獻(xiàn)中找到準(zhǔn)確的參考依據(jù)。本文將以重慶地鐵6號線為例，通過有限元的方法對聯(lián)絡(luò)通道非標(biāo)支架進(jìn)行力學(xué)分析，為聯(lián)絡(luò)通道環(huán)網(wǎng)非標(biāo)支架的設(shè)計(jì)、安裝和優(yōu)化提供思路。

1 非標(biāo)支架結(jié)構(gòu)及載荷

重慶地鐵6號線隧道內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道截面寬3000mm，高3400mm。預(yù)留兩扇高2100mm的防火門。非標(biāo)支架主要由6個(gè)底座，3根橫擔(dān)組成，如圖1所示。底座與橫擔(dān)使用M12×120螺栓連接，支架與橫擔(dān)使用M10×60螺栓連接，底座與隧道壁使用M10×90膨脹螺栓固定。底座、橫擔(dān)、支架結(jié)構(gòu)如圖2～圖4所示。環(huán)網(wǎng)電纜利用底座、橫擔(dān)、電纜支架等構(gòu)成的非標(biāo)支架架空在聯(lián)絡(luò)通道口上方。支架底部高度大于防火門高度，確保防火門正常開合。

底座、槽鋼、螺栓等零部件材料參數(shù)如表1所示。

在支架一層和二層托臂分別敷設(shè)一個(gè)回路的環(huán)網(wǎng)電纜。電纜使用300mm2單芯交聯(lián)聚乙烯絕緣銅帶鎧裝聚乙烯護(hù)套阻燃環(huán)網(wǎng)電纜，三相品字形敷設(shè)。電纜每公里質(zhì)量5268kg，支架間距800mm。通過簡單計(jì)算得知每個(gè)托臂承受載荷為124N。

2 有限元分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

使用Solid Works進(jìn)行零部件建模并生成裝配圖。由于接地扁鋼對計(jì)算結(jié)果影響很小，所以在模型中簡化掉了接地扁鋼以提高運(yùn)算速度。將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析。底座、橫擔(dān)使用通用材料庫中的結(jié)構(gòu)鋼（Structural Steel），螺栓均使用不銹鋼（Stainless Steel）。網(wǎng)格使用四面體單元進(jìn)行劃分，總計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)848535，單元數(shù)484784。零件之間的接觸面采用摩擦接觸（Frictional），摩擦系數(shù)0.2，螺栓與螺母接觸面使用綁定接觸（Bonded）。在所有底座螺栓孔添加固定約束（Fixed Support）。所有實(shí)體添加重力加速度（Standard Earth Gravity）。添加螺栓預(yù)緊力（Bolt Pretension），其中橫穿螺栓18333.33N，連接螺栓12500N。在支架一層、二層托臂分別添加力（Force）124N，方向垂直托臂向下。

2.2 形變量

如圖5所示，最大形變量集中在中間支架上，總位移2.1739mm。沿隧道壁法線方向（線路側(cè)）最大位移量集中在第一層橫擔(dān)中間，位移量1.7555mm。鉛錘方向形變量集中在中間支架最下層托臂，位移量1.4189mm。

非標(biāo)支架整體形變較小，使用8號槽鋼制作非標(biāo)支架橫擔(dān)滿足結(jié)構(gòu)整體剛度要求。安裝時(shí)注意提高20mm以上進(jìn)行安裝，確保支架底部不會影響防火門。隧道壁法線方向（向線路側(cè)）形變小，滿足限界要求。

2.3 應(yīng)力分布

通過仿真計(jì)算，得到非標(biāo)支架整體等效應(yīng)力云圖，如圖6所示。應(yīng)力最大位置在上底座下耳板與底板焊接處，靠近聯(lián)絡(luò)通道的方向，如圖7所示。

表1 非標(biāo)支架材料參數(shù)表

通過等效應(yīng)力分析可得非標(biāo)支架在載荷狀態(tài)下最大應(yīng)力集中在一層底座上，大小為64.687MPa。二層底座和三層底座雖然最大應(yīng)力相對較小，但也分別達(dá)到44.715MPa和49.409MPa，應(yīng)力集中位置與一層底座相同。根據(jù)形變情況可知橫擔(dān)在變形后荷載力主要作用在底座下耳板靠近聯(lián)絡(luò)通道的邊線上，導(dǎo)致應(yīng)力集中在該處焊縫上。所以底座在焊接制作時(shí)應(yīng)保證較高的焊接質(zhì)量，也可以適當(dāng)增加底座耳板厚度，加長焊縫長度。支架在橫擔(dān)上受力不同于在隧道壁，在載荷作用下外側(cè)支架最大應(yīng)力42.902MPa較中間支架最大應(yīng)力20.352MPa更大，應(yīng)力主要體現(xiàn)在連接螺栓位置。底座上的橫穿螺栓從上到下分別為20.352MPa、36.597MPa、49.494MPa，最下層橫穿螺栓強(qiáng)度要求相對更高。

非標(biāo)支架各部分等效應(yīng)力云圖如圖8所示。

使用安全系數(shù)工具（Safty Factor）進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，如圖9所示，安全系數(shù)最小值為3.8648，位于上底座應(yīng)力最大處，整個(gè)結(jié)構(gòu)安全。

2.4 模態(tài)分析

采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行非標(biāo)支架模態(tài)分析，獲得模型前十階固有頻率，如表2所示。

表2 非標(biāo)支架前十階固有頻率

非標(biāo)支架固有頻率從15.931Hz開始逐漸增加，其中三至六階頻率較為集中，主要分布在33Hz到35Hz之間，前六階模態(tài)振型圖如圖10所示。

一階模態(tài)主要是非標(biāo)支架中段的前后擺動(dòng)。二階模態(tài)主要以二層橫擔(dān)為軸扭動(dòng)。三至六階模態(tài)主要是支架第二層、三層托臂左右擺動(dòng)，其中三階、五階相鄰?fù)斜蹟[動(dòng)方向相反，四階擺動(dòng)方向相同，六階均往外側(cè)擺動(dòng)。三階、四階、五階、六階模態(tài)形變量較大，最大位移分別是26.453mm、32.702mm、31.71mm、34.796mm，最大位移均分布在支架第二層托臂端點(diǎn)。

3 結(jié)束語

1）建立了重慶地鐵6號線聯(lián)絡(luò)通道環(huán)網(wǎng)非標(biāo)支架實(shí)體有限元模型，得到了非標(biāo)支架整體形變、隧道壁法線方向位移和鉛錘方向位移。結(jié)構(gòu)剛度較好，位移量小，符合限界要求。為施工安裝提供了參數(shù)依據(jù)。

2）得到了非標(biāo)支架在載荷下的最大應(yīng)力和應(yīng)力分布云圖。結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)大于1，但底座下耳板與底板焊縫處是結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)。非標(biāo)支架制作加工時(shí)，要保證底座焊接質(zhì)量，也可以適當(dāng)增加耳板厚度以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)，設(shè)備維護(hù)人員在進(jìn)行設(shè)備巡視時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢查底板焊縫狀態(tài)。

3）通過模態(tài)分析得出了非標(biāo)支架前十階固有頻率，以及在前六階激勵(lì)頻率下的振型，為振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。