高速鐵路大跨度鋼桁架橋接觸網(wǎng)腕臂安裝技術(shù)研究

盧廣苗

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)伸縮量達(dá)±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(shè)計(jì)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(dǎo)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(diǎn)、燃弧率超標(biāo)等降低接觸網(wǎng)彈性指標(biāo)及弓網(wǎng)受流質(zhì)量[6]等問題,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)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(cè)偏移過大,同樣會引起上述問題,均不利于高速鐵路的運(yùn)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(jìn)一步加劇。

為保證高速鐵路接觸網(wǎng)的安全運(yùn)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(shù)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)裝置[9]。常規(guī)設(shè)計(jì)中腕臂受導(dǎo)線伸縮影響隨溫度變化發(fā)生線性偏轉(zhuǎn)[10],具體體現(xiàn)為溫度升高→導(dǎo)線伸長→腕臂向下錨側(cè)偏移,溫度降低→導(dǎo)線縮短→腕臂向中錨側(cè)偏移[11]。錨段關(guān)節(jié)雙腕臂底座最小間距由兩支腕臂最大偏轉(zhuǎn)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(jìn)行設(shè)計(jì)[14]。高速鐵路雙腕臂底座的最小間距Lwb可按以下公式計(jì)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(dǎo)致接觸網(wǎng)腕臂與中錨柱之間的距離發(fā)生改變,進(jìn)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(dá)±(0.5～1.0) m,是影響錨段關(guān)節(jié)雙支腕臂間距取值的關(guān)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(yùn)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(shè)計(jì)的影響。

2.3 鋼桁架橋縱向伸縮機(jī)理

橋梁伸縮對腕臂偏移的影響較為復(fù)雜[15],為便于下文相關(guān)研究、計(jì)算,需簡要說明鋼桁架橋縱向伸縮機(jī)理。

鋼桁架橋主要受溫度、制動力、風(fēng)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(jié)構(gòu)形式、鋼梁整體跨度、環(huán)境溫度等多種因素有關(guān)[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(jié)構(gòu)的影響主要為應(yīng)力變化,應(yīng)力變化引起縱向伸縮量相對較小,在計(jì)算橋梁伸縮量時(shí)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(gè)點(diǎn)位的最大縱向伸縮量qt_ρmax以溫度伸縮零點(diǎn)為中心進(jìn)行內(nèi)插計(jì)算[18]得出,具體如下。

梁體任意一點(diǎn)最大伸縮量

qt_ρmax=qtmax×Lρ/Lq

(2)

梁端實(shí)時(shí)伸縮量

qt=β×(tq-tqmin)×Lq

(3)

梁體任意一點(diǎn)實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得出。

(5)

式中,tqmax為梁體最高計(jì)算溫度;tqmin為梁體最低計(jì)算溫度;tq為梁體現(xiàn)場實(shí)時(shí)溫度;Lq為梁端與鋼梁溫度伸縮零點(diǎn)的距離;Lρ為梁體任意一點(diǎn)與鋼梁溫度伸縮零點(diǎn)的距離。以橋梁在tqmin溫度時(shí),梁體伸長量等于0為基準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)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(fēng)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(fù)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(guān)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(jìn)行計(jì)算。以qεmax表示活載、制動力及風(fēng)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(jì)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(guān)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(dǎo)線伸縮因素引起的腕臂偏移存在疊加和相減兩種關(guān)系。基于盡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(guān)鍵技術(shù)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(jié)如下。

(1)跨度720 m以下的鋼梁。建議將中心錨結(jié)布置在鋼梁溫度伸縮零值處,兩側(cè)錨段關(guān)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(guān)節(jié)布置在鋼梁溫度伸縮零值處,兩側(cè)中心錨結(jié)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(guān)節(jié)布置在靠近伸縮縫的鋼梁梁上,中心錨結(jié)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(dāng)縮短錨段長度。

(4)不得跨伸縮縫設(shè)置錨段關(guān)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(shè)置絕緣關(guān)節(jié)或電分相。

腕臂偏移量與墜砣行程變化量成正比關(guān)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(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化研究導(dǎo)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(guān)系,見圖2和表1。

表1 溫度作用下鋼梁伸縮與導(dǎo)線伸縮對腕臂偏移影響相互關(guān)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(dāng)腕臂柱與中心錨結(jié)同時(shí)位于鋼桁架橋上時(shí),鋼桁架橋上的腕臂偏移不受因活載、制動力及風(fēng)荷載引起的qεmax橋梁伸縮影響。

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

3 大跨度鋼梁伸縮影響下腕臂偏移計(jì)算

3.1 腕臂最大偏移量計(jì)算

腕臂最大偏移量主要由腕臂處導(dǎo)線受溫度變化引起的最大導(dǎo)線伸縮量及鋼梁伸縮引起的最大腕臂偏移量兩個(gè)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(dǎo)線最大計(jì)算溫差,ΔTx=txmax-txmin,其中txmax接觸懸掛導(dǎo)線最高計(jì)算溫度;txmin為接觸懸掛導(dǎo)線最低計(jì)算溫度;Lw為腕臂柱與中心錨結(jié)的距離。

3.1.2 腕臂柱與中心錨結(jié)同時(shí)位于鋼桁架橋上

①疊加關(guān)系時(shí)腕臂最大偏移量為

Δemax=α×ΔTx×Lw+ΔLwmax

(7)

②相減關(guān)系時(shí)腕臂最大偏移量為

Δemax=max(α×ΔTx×Lw,ΔLwmax)

(8)

式中,α為銅合金導(dǎo)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(jié)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(jié)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(jié)不同時(shí)位于鋼桁架橋上

①疊加關(guān)系時(shí)腕臂最大偏移量為

Δemax=α×ΔTx×Lw+qεmax+ΔLsmax

(10)

②相減關(guān)系時(shí)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(diǎn)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(diǎn)的距離Ls決定

ΔLsmax=qtmax×Ls/Lq

(12)

3.2 腕臂安裝曲線計(jì)算

準(zhǔn)確的腕臂安裝曲線能有效避免腕臂向兩側(cè)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(dǎo)線伸縮和鋼梁伸縮共同影響,因此,腕臂安裝曲線(腕臂實(shí)時(shí)偏移量Δe)需結(jié)合鋼梁伸縮因素對常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行修正。

常規(guī)設(shè)計(jì)中腕臂偏移僅受導(dǎo)線伸縮因素影響時(shí),腕臂無偏轉(zhuǎn)時(shí)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(zhuǎn)時(shí)的安裝溫度為tq0=(tqmax+tqmin)/2。

制動力、風(fēng)荷載及活載引起橋梁伸縮導(dǎo)致的腕臂偏移一般在列車通過鋼桁架橋時(shí)產(chǎn)生,計(jì)算腕臂最大偏移量時(shí)應(yīng)予以考慮,但由于腕臂安裝及調(diào)整時(shí)不會有高速列車通行,故腕臂安裝曲線計(jì)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(dǎo)線現(xiàn)場實(shí)時(shí)溫度(下同)。

3.2.2 腕臂柱與中心錨結(jié)同時(shí)位于鋼桁架橋上

①疊加關(guān)系時(shí)

Δe=α×(tx-tx0)×Lw+ΔLw

(14)

②相減關(guān)系時(shí)

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(jié)距離受橋梁伸縮影響產(chǎn)生的實(shí)時(shí)變化量:ΔLw=β×Lw×(tq-tq0)。

3.2.3 腕臂柱與中心錨結(jié)不同時(shí)位于鋼桁架橋上

①疊加關(guān)系時(shí)

Δe=α×(tx-tx0)×Lw+ΔLs

(16)

②相減關(guān)系時(shí)

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(diǎn)距離受橋梁伸縮影響產(chǎn)生的實(shí)時(shí)變化量:ΔLs=β×Ls×(tq-tq0)。

腕臂實(shí)時(shí)偏移量Δe為正時(shí)代表腕臂向下錨側(cè)偏轉(zhuǎn),Δe為負(fù)時(shí)代表腕臂向中錨側(cè)偏轉(zhuǎn);腕臂偏移安裝曲線受tx和tq兩個(gè)變量共同影響,且tx與tq間無直接對應(yīng)關(guān)系;鋼桁架橋現(xiàn)場實(shí)際溫度tq值隨機(jī)變化且較為復(fù)雜[23],與鋼梁所處地理位置、環(huán)境溫度[24]、風(fēng)速、日輻射強(qiáng)度、雨霧[25]等因素密切相關(guān),在工程實(shí)際應(yīng)用中需參考橋梁專業(yè)相關(guān)資料對鋼桁架橋的實(shí)時(shí)溫度值進(jìn)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(shí)按tq=min(tq,tqmax)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

3.3 典型案例計(jì)算

3.3.1 工況2典型工點(diǎn)計(jì)算

設(shè)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(jìn)行典型腕臂安裝曲線及最大偏移量計(jì)算。

①3號柱腕臂偏移為疊加關(guān)系且腕臂柱與中錨不同時(shí)位于鋼桁架橋上。

按式(16)、式(18)計(jì)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(jì)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(guān)系且腕臂柱與中錨不同時(shí)位于鋼桁架橋上。

按式(17)、式(18)計(jì)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(jì)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(guān)系且腕臂柱與中錨不同時(shí)位于鋼桁架橋上。

按式(16)、式(18)計(jì)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(jì)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(fù)雜,且tx與tq間無直接對應(yīng)關(guān)系,為便于本次研究成果的直觀呈現(xiàn),假定tq=min(tx,tqmax)進(jìn)行計(jì)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(shí)腕臂偏移量整體較小。

3.3.2 工況3典型工點(diǎn)計(jì)算

設(shè)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(jìn)行典型腕臂安裝曲線計(jì)算如圖4所示。

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

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

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

③4號柱雙腕臂B支偏移為相減關(guān)系且腕臂柱與中錨同時(shí)位于鋼桁架橋上,腕臂最大偏移量按式(8)、式(9)計(jì)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(dāng)鋼梁伸縮與導(dǎo)線伸縮對腕臂偏移的影響為疊加關(guān)系時(shí),鋼梁伸縮對接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)算腕臂安裝曲線如圖5所示。

圖5 縮短錨段長度布置時(shí)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(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果表明,縮短半錨長度可有效降低疊加關(guān)系時(shí)的腕臂偏移量和雙腕臂底座寬度。

4 結(jié)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(guān)系;應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注跨梁縫布置的錨段腕臂偏移問題,腕臂偏移為疊加關(guān)系時(shí)縮小半錨長度可有效減小腕臂偏移量。

(3)應(yīng)特別注意跨度大于720 m鋼梁伸縮縫兩側(cè)錨段關(guān)節(jié)的雙腕臂間距,有條件時(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

(4)腕臂安裝曲線應(yīng)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(dǎo)線伸縮對腕臂偏移的作用關(guān)系,參考本文計(jì)算公式進(jìn)行逐工點(diǎn)計(jì)算,以指導(dǎo)腕臂安裝的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營維護(hù)。