轻轨交通接触网支柱横向挠度数值及实验研究

刘伦州

(上海安伯工业设备有限公司，上海 201401)

接触网支柱偏移作为接触线横向偏移的重要组成部分，它涉及到行车安全和工程投资，是接触网设计的一项重要内容。为了确定最佳的施工方案，对具体的问题应进行综合分析，结合线路的技术特点选择接触网支柱类型以及其基础形式，同时还要考虑经济条件以及不同区段特征[1]。文献[2]为了得到强台风环境的适宜接触网支柱形式，通过接触网支柱结构试验和有限元分析，对多种支柱型式进行方案比较。

机车受电弓影响有一定的有效工作范围，如果接触线的横向偏移超出此范围就有可能引起刮弓，有危及行车安全的风险。针对受电弓的限值要求进行综合技术经济分析就可以确定接触网支柱挠度的限值。各国采用受电弓的形式不同，对接触网支柱挠度规定也不尽相同。同时各国技术经济分析的侧重点和出发点也不尽相同，因此各国规范对支柱的挠度限值的规定也不同。国外做法均是限制接触线和承力索高度处的挠度，而我国一直沿用前苏联的标准，限制柱顶处的挠度[3]。根据掌握的有关资料，将各国对接触网支柱挠度的规定汇总于表1中。

表1 不同国家接触网支柱挠度限值

本文以加拿大EGLINTON CROSSTOWN轻轨交通项目为背景，采用美国电力系统公司(Power Line System)开发的PLS-POLE有限元分析软件对方管支柱进行了模拟分析，同时进行了方管立柱的实验研究，并进行了对比分析。

根据现有的研究成果，接触线横向偏移主要可以分为4个部分：第一，悬挂重量、线索张力及风荷载作用下腕臂支撑结构的偏移，该部分横向偏移由风速、接触网跨距以及线索张力等因素确定，与接触网支柱的变形无关；第二，悬挂重量、线索张力及风荷载作用下支柱的偏移，并且支柱在荷载作用下产生的横向偏移占总偏移量的70%～80%；第三，风荷载作用下接触线的偏移；第四，基础转动产生的偏移。实际工程应用中如何快速、准确地确定接触网支柱横向挠度值变得非常重要。因此本文仅研究支柱在横向荷载作用下产生的偏移。

1 网支柱实验

1.1 试件设计及制作

本文的研究对象为方管支柱，共完成了5根足尺(模型尺寸与实际尺寸比例1∶1)方管支柱的实验研究。其中，3根包括底座总长度为9 060 mm、2根总长度为10 560 mm。方管支柱杆体材料为国标Q345E级钢，屈服强度345 MPa，低温冲击功-40 ℃,34 J；底板均采用美标ASTM Gr65级钢制法兰，平面尺寸530 mm×530 mm，厚度60 mm，材料屈服强度345 MPa。试件尺寸及加载位置如图1，表2所示。

表2 试件尺寸及加载点位置 mm

图1，表2中各符号的含义为：L为测试方管支柱的总长(包含底座厚度60 mm)；W为方管外边缘长度；L1为荷载R1加载点距支座底面距离；L2为荷载R2加载点距支座底面距离；L3为接触线高度处距支座底面距离。

1.2 试件加载及变形测试方式

方管支柱实验在上海交通大学固体力学实验室完成，设计荷载根据工作实际工况选取，分别测试接触线高度处CW点和柱顶点挠度，实验现场如图2所示。试验加载过程和测试结果换算具体过程如下：

1)定义接触线高度CW点计算挠度为DCWCALC(单位：mm)，定义柱顶点计算挠度为DPCALC(单位：mm)，定义测试CW点挠度和柱顶点挠度的加载量R1为R1OP和R1NOP，定义测试CW点挠度和柱顶点挠度的加载量R2为R2OP和R2NOP。

2)将试件用高强螺栓固定在剪力墙底座上。

3)标注加载点及接触线CW点在试件上的位置。

4)校准加载设备，用刻度表或其他设备固定在底座，加载期间测量旋转(Db)，并记录测量半径(Rb)。

5)在试验模型上安装加载设备，预加载过程如下：

a.缓慢加载到设计载荷R1NOP和R2NOP的75%并维持90 s。

b.缓慢释放载荷到零并重新紧固底部螺栓。

c.再次重复a.和b.。

6)设置此时接触线高度处CW点和顶点位置为零并记录，设置底板旋转为零并记录。

7)将R1位置的荷载增加至R1OP的10%,R2位置的荷载增加至R2OP的10%，记录此时接触线高度处CW点和顶点位置的挠度值。

8)当加载量达到测试CW点挠度的设计荷载R1OP,R2OP，记录接触线高度处CW点的挠度SCW，记录底座的转动角度DbCW，以及支柱顶点的挠度值；根据支柱底座的转动情况修正得到CW点挠度测试值为:

DCW=SCW-(DbCW×L3/Rb)

(1)

9)将R1位置的荷载继续增加至(R1NOP-R1OP)的10%,R2位置的荷载增加至(R2NOP-R2OP)的10%，记录此时支柱顶点位置的挠度值。

10)当加载量达到测试支柱顶点挠度的设计荷载R1NOP,R2NOP，记录支柱顶点挠度SP，记录底座的转动角度DbP，以及支柱顶点的挠度值；根据支柱底座的转动情况修正得到支柱顶点挠度测试值为:

DP=SP-(DbP×L/Rb)

(2)

11)缓慢释放荷载，记录卸载后支柱顶点变形量SPU、接触线高度处CW点变形量SCWU以及卸载后底座的参与转动量DBU，根据支柱底座的转动情况修正得到支柱顶点和接触线高度处CW点永久荷载作用工况挠度值为:

DPset=SPU-(DBU×L/Rb)

(3)

DCWset=SCWU-(DBU×L3/Rb)

(4)

12)判别条件：接触线高度处CW点和支柱顶点测试变形量DCW和DP不大于计算挠度值DCWCALC和DPCALC的10%；测试变形量DCW和DP若大于计算挠度值DCWCALC和DPCALC的20%，则该测试实践作废。

全部5根支柱试验加载量及挠度测试结果汇总于表3。

表3 工况载荷及实验结果

1.3 实验结果分析

接触线高度处CW点和支柱顶点测试挠度值见表3。通过表3的数据可以看出，随着接触网支柱长度的增大，无论接触线高度处还是支柱顶端挠度都逐渐增大，并且接触线高度CW点的增大幅度小于支柱顶点的增大幅度。方管支柱的壁厚越小，挠度越大。方管支柱壁厚对挠度值的影响小于长度的影响。

2 有限元模拟及结果分析

本研究运用PLS-POLE有限元分析进行模型分析，该软件来源于软件美国电力系统公司(Power Line System)，使用SAPS有限元驱动程序，并采用了非线性计算方式[8]。本次研究共对5根方管支柱模型进行模拟分析，典型的计算模型及变形图如图3所示。

通过有限元分析，接触网支柱接触线位置CW点和支柱顶点横向挠度计算结果见表4。同时，为了比较分析实验结果与模拟分析结果的差别，表4中还列入了模型试验的挠度值。为了方便比较，图4绘制了计算结果和实验结果的柱状图，图4中横坐标对应5根方管支柱，纵坐标为各荷载工况下的挠度值。对比分析可见：模拟计算值与实验值非常接近，最大相对误差为12.3%。与现有规范要求比较结果为：德国规范要求接触线位置CW点的挠度应不大于该高度的1.5%，本次试验方管支柱接触线高度均为5 160 mm，相应挠度限值应为77.4 mm，本次试验和模拟分析结果CW点挠度最大值仅为46 mm；中国规范要求柱顶挠度应不大于总高度的1.0%，本次模拟和实验结果显示总高为9 060 mm的3根方管支柱(Type#1，Type#3，Type#3)的挠度最大值为152.4 mm，大于其限值90.6 mm，2根总高度为10 560 mm的支柱(Type#4，Type#5)挠度同样大于规范限值要求。但模拟分析和实验结果均在加拿大规范要求范围内，即接触线位置不超过50 mm，杆顶不超过总高的3%。

表4 挠度计算值与实验值对比

3 结论

本文针对接触网支柱横向变形的问题，采用试验研究方法和非线性有限元软件PLS-POLE对5根不同规格的接触网支柱进行了横向挠度实验研究和模拟计算，并进行了对比分析，得到如下结论：

1)通过对多组试件的对比研究，得出接触线位置处CW点和支柱顶点横向挠度模拟计算值和实验值吻合较好，最大最小相对误差分别为12.3%，0.2%。

2)采用有限元分析软件PLS-POLE可以较好的模拟和计算接触网支柱横向偏移，从而可以通过模拟分析快速有效的确定接触网支柱横向变形情况，更好地满足工程实际的需要。