鐵路跨越安全防護(hù)架結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)分析

曹 丹 吳 曉,2 殷銘豪 田建康 徐家根

1西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031 2軌道交通運(yùn)維技術(shù)與裝備四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yīng)對鐵路線路進(jìn)行安全防護(hù)，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(hù)方式是進(jìn)行電力線路施工前，在鐵路兩側(cè)搭建類似建筑的腳手架并加裝防護(hù)網(wǎng)，施工完成后再將其拆除。這種安全防護(hù)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(fù)利用率低，存在較大的浪費(fèi)[3]?；谏鲜銮闆r，結(jié)合跨越鐵路施工需求，本文提出了一種采用機(jī)械裝置替代傳統(tǒng)腳手架的有效解決方案，可實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)裝置的快速架設(shè)以及施工完畢后裝置的拆除作業(yè)，達(dá)到了高效、重復(fù)利用的目的，節(jié)約了資源。如圖1所示，通過機(jī)械裝備自動搭建的鐵路跨越施工安全防護(hù)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(jī)械裝備搭建的跨越施工安全防護(hù)架

防護(hù)架要發(fā)揮安全防護(hù)功能，首先要確保作業(yè)期間自身穩(wěn)定和安全。防護(hù)架在防護(hù)作業(yè)期間，列車通行、空中墜物、地震、風(fēng)載等都會對防護(hù)架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，從改進(jìn)和完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，需要對這些影響因素進(jìn)行分析?？缭椒雷o(hù)架的工作環(huán)境一般是野外，結(jié)構(gòu)類似于高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)載對結(jié)構(gòu)安全的影響較為明顯。機(jī)械化架設(shè)的防護(hù)架作為一種新型跨越安全防護(hù)結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外對其研究較少，有關(guān)跨越防護(hù)架風(fēng)致響應(yīng)的研究幾乎沒有，但對類似結(jié)構(gòu)的風(fēng)致響應(yīng)，如起重機(jī)結(jié)構(gòu)、高空作業(yè)車、建筑結(jié)構(gòu)等風(fēng)致響應(yīng)的研究較多，多數(shù)學(xué)者們主要采用有限元數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)以及現(xiàn)場實(shí)測方法。符康等[4]采用有限元方法研究動臂式塔式起重機(jī)在靜風(fēng)載荷和脈動風(fēng)載荷作用下的振動響應(yīng)；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(jìn)行風(fēng)振特性分析；程友良等[6]結(jié)合Davenport脈動風(fēng)速譜，運(yùn)用雙向流固耦合法，對塔架葉片耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)參數(shù)變化分析，并在耦合結(jié)構(gòu)作用下，對塔架及葉片進(jìn)行位移變化分析；韓志惠等[7]基于剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用時程分析法對高層建筑屋頂廣告牌的風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)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(fēng)致響應(yīng)的影響；黃國慶等[8]研究山區(qū)非平穩(wěn)強(qiáng)風(fēng)下大跨懸索橋靜風(fēng)及抖振響應(yīng)，以云南普立大橋處為實(shí)測風(fēng)速樣本，對大跨橋梁展開風(fēng)致響應(yīng)分析，采用虛擬激勵法分別針對實(shí)測風(fēng)譜與規(guī)范風(fēng)譜對該橋進(jìn)行了抖振響應(yīng)研究。

上述研究對于鐵路跨越防護(hù)架抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考價值，為研究跨越防護(hù)架在風(fēng)載荷作用下的風(fēng)致響應(yīng)特性，采用有限元法對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得靜風(fēng)與脈動風(fēng)中不同工況下的位移及應(yīng)力變化，進(jìn)一步對比分析有無纜風(fēng)繩對跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)的具體影響規(guī)律，從結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的角度改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和保證其防護(hù)作業(yè)期間的安全運(yùn)行具有重要意義。

1 跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)靜風(fēng)響應(yīng)分析

1.1 靜風(fēng)載荷的理論計(jì)算

由于鐵路跨越安全防護(hù)架在工作防護(hù)過程中為露天工作，來流風(fēng)方向是隨機(jī)不可控、不同方向角等一系列因素會使整個跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)受到影響。參考GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]，結(jié)合跨越架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取最不利的風(fēng)向確定計(jì)算工況?？缭椒雷o(hù)架風(fēng)載荷計(jì)算公式為

式中：C為風(fēng)力系數(shù)，采用直邊型鋼桁架結(jié)構(gòu)，取1.7；p為計(jì)算風(fēng)壓；A為結(jié)構(gòu)垂直于風(fēng)向的實(shí)體迎風(fēng)面積。

根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)實(shí)際面積計(jì)算，需考慮桁架式結(jié)構(gòu)的擋風(fēng)折減系數(shù)、構(gòu)件間的間隔比等因素相關(guān)，即

式中：A1為前排結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積；A2為后排結(jié)構(gòu)的迎風(fēng)面積；η為前排結(jié)構(gòu)對后排迎風(fēng)面面積的擋風(fēng)折減系數(shù)，其值可根據(jù)結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面的充實(shí)率φ及2片構(gòu)件間的間隔比查找相應(yīng)規(guī)范表格選取。

1.2 靜風(fēng)載荷的計(jì)算工況

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

表1 靜風(fēng)對上部裝置的工況分析

1.3 跨越防護(hù)架工況分析

跨越防護(hù)架分別在順軌道方向、垂直軌道方向和側(cè)方向的靜風(fēng)工況影響下，產(chǎn)生的位移與應(yīng)力均較大。根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，跨越防護(hù)架的靜位移與高度的關(guān)系可表示為

由式（4）可知，跨越防護(hù)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(fēng)工況下3個不同方向來風(fēng)進(jìn)行仿真，跨越防護(hù)架的位移變化結(jié)果見表2。

表2 跨越防護(hù)架的各工況位移變化

由表2可知，當(dāng)跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)未拉纜風(fēng)繩時，不同工況下跨越防護(hù)架的位移變形量隨風(fēng)速的提高逐漸增大，在風(fēng)速為25.6 m/s的側(cè)向風(fēng)處產(chǎn)生最大變形為302.82 mm，風(fēng)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(shè)計(jì)規(guī)范，其余工況均不滿足，故對跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)使用拉纜風(fēng)繩加以固定。當(dāng)跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)拉攬繩時，不同工況下的變形量隨風(fēng)速的提高而增大，最大位移在順軌道方向風(fēng)速25.6 m/s處的變形為7.197 mm，變形量遠(yuǎn)小于ΔL許用值。

由跨越安全防護(hù)架所用材料6061-T6鋁合金，計(jì)算得出許用應(yīng)力σ＝179.1 MPa，其跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)各工況仿真分析的應(yīng)力變化如表3所示。

表3 跨越防護(hù)架的各工況應(yīng)力變化

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

對比理論計(jì)算值，跨越防護(hù)架在未拉纜風(fēng)繩的情況下，防護(hù)架的位移變化值超出許用值，在不對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的前提下，需要拉纜風(fēng)繩以提高跨越架的穩(wěn)定性。

2 跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)脈動風(fēng)響應(yīng)分析

由上述靜風(fēng)致響應(yīng)可知，跨越防護(hù)架在側(cè)向風(fēng)作用下受到的影響最大。在研究脈動風(fēng)致影響時，使用Matlab軟件中模擬出風(fēng)力等級為10級的最大脈動風(fēng)速，利用脈動風(fēng)速轉(zhuǎn)化成脈動風(fēng)荷載，再將脈動風(fēng)荷載時程以荷載的方式施加到跨越防護(hù)架上，根據(jù)時程分析法求解基本運(yùn)動方程，可得到出跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、速度和加速度響應(yīng)。

2.1 脈動風(fēng)速時程曲線

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

在跨越防護(hù)架停留在鐵路期間，為了保護(hù)鐵路線路和電力線路有效跨越，計(jì)算模擬樣本選取點(diǎn)數(shù)為2 000，總時長為200 s，時間步長設(shè)為0.1 s。通過擬合狂風(fēng)的Davenport譜描述脈動風(fēng)在對應(yīng)脈動風(fēng)速時程曲線，其曲線分布如圖2所示。

圖2 35.8 m/s脈動風(fēng)速時程曲線

在Ansys的瞬態(tài)動力學(xué)模塊對跨越架進(jìn)行動力響應(yīng)分析時，將不同工況下的總風(fēng)速轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的風(fēng)壓施加到跨越架結(jié)構(gòu)表面，可按風(fēng)壓式（2）計(jì)算。

本文截取前30 s的脈動風(fēng)壓共300個時間步，計(jì)算跨越架結(jié)構(gòu)在脈動風(fēng)載荷作用下的動力響應(yīng)，提取結(jié)構(gòu)在每個載荷步的最大應(yīng)力、位移和總側(cè)向風(fēng)速度，并與靜風(fēng)載荷作用下對應(yīng)工況跨越架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移等進(jìn)行比對，分析脈動風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的動態(tài)動力特性。

2.2 位移響應(yīng)曲線

如圖3所示，脈動風(fēng)作用下跨越防護(hù)架所受位移呈上下波動趨勢，作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)載荷是隨時間無規(guī)則變化的隨機(jī)載荷，位移時程曲線在未拉纜繩和拉纜繩的趨勢一致，但結(jié)構(gòu)變形對應(yīng)最大的時間點(diǎn)不同，同風(fēng)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(hù)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(cè)向風(fēng)位移時程曲線

2.3 應(yīng)力響應(yīng)曲線

如圖4所示，跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(hù)架的最大應(yīng)力值分別為：未拉纜繩中10.37 s處的最大應(yīng)力為57.289 MPa，已拉纜繩中10.4 s處的最大應(yīng)力為4.503 MPa。

圖4 側(cè)向風(fēng)應(yīng)力時程曲線

2.4 速度響應(yīng)曲線

如圖5所示，跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)在側(cè)向風(fēng)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(hù)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(cè)向風(fēng)速度時程曲線

2.5 加速度響應(yīng)曲線

如圖6所示，跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)在側(cè)向風(fēng)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(hù)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(cè)向風(fēng)總加速度時程曲線

3 結(jié)論

1）通過仿真跨越防護(hù)架不同速度、不同風(fēng)向?qū)?yīng)的工況，得到結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力變化值，并將仿真計(jì)算結(jié)果與理論值進(jìn)行對比，得到風(fēng)速為35.6 m/s側(cè)向風(fēng)對跨越防護(hù)架的變形與應(yīng)力影響最大。

2）對跨越防護(hù)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈動風(fēng)載的瞬態(tài)動力分析時，采用Davenport風(fēng)速譜模擬最大風(fēng)速對應(yīng)的脈動風(fēng)速時程曲線，得到了結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、速度和加速度的時程變化曲線，其變形在未拉纜風(fēng)繩的最大變形為407.12 mm，拉纜風(fēng)繩下的最大變形為16.082 mm，2種工況的應(yīng)力值均在許用范圍內(nèi)。

3）在靜風(fēng)與脈動風(fēng)不同工況下的計(jì)算，都得出跨越防護(hù)架在拉纜風(fēng)繩比未拉纜風(fēng)繩的變形與應(yīng)力更小，更安全，為后續(xù)方案改進(jìn)提供參考。