接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗震減震措施淺析
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摘要：接觸網(wǎng)系統(tǒng)在抗震設(shè)計方面缺乏系統(tǒng)性的規(guī)范和標準，目前通常采用的接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗震設(shè)計方法由于在簡化計算模型、輸入反應(yīng)譜或地震波方式、分析方法及計算結(jié)果等方面存在不確定性，無法準確預(yù)測接觸網(wǎng)系統(tǒng)的破壞模式和薄弱位置。本文結(jié)合接觸網(wǎng)系統(tǒng)在地震作用下的震害及抗震研究成果，從接觸網(wǎng)系統(tǒng)、零部件、支柱、基礎(chǔ)等方面對接觸網(wǎng)系統(tǒng)提出系列抗震措施，以提升接觸網(wǎng)系統(tǒng)的抗震性能；同時提出在補償墜砣處增設(shè)耗能設(shè)施的減震措施，降低接觸網(wǎng)系統(tǒng)的地震響應(yīng)，有效提升電氣化鐵路防災(zāi)能力。
關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)系統(tǒng)；震害；抗震減震措施
0引言
牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一種沿鐵路線路架設(shè)的露天、無備用復(fù)雜架空系統(tǒng)，除了承受電力機車受電弓的反復(fù)沖擊外，還要抵抗地震、狂風、暴雪等偶然荷載作用，因此成為牽引供電系統(tǒng)的相對薄弱環(huán)節(jié)。我國5·12汶川大地震中，寶成線、成渝線、達成線等線路出現(xiàn)接觸網(wǎng)支柱傾斜、基礎(chǔ)開裂、定位器偏斜、電連接松弛、接觸網(wǎng)參數(shù)不滿足列車運行要求等地震破壞，影響震后應(yīng)急救援且恢復(fù)工作量較大。受日本3·11大地震影響，日本新干線多處接觸網(wǎng)支柱出現(xiàn)傾斜、倒伏，接觸網(wǎng)零部件出現(xiàn)斷裂等破壞，造成日本新干線全線停運數(shù)日。目前，國內(nèi)外現(xiàn)行規(guī)范、標準均未給出接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗震設(shè)計方法，而我國又是一個地震頻發(fā)的國家，研究接觸網(wǎng)系統(tǒng)的抗震設(shè)計方法，提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的抗震性能尤為重要。目前接觸網(wǎng)系統(tǒng)的抗震設(shè)計多采用建立單柱單（多）質(zhì)點的有限元模型，輸入反應(yīng)譜或典型地震波的方式進行單支柱地震響應(yīng)分析。由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個由多根支柱、腕臂、導線、零部件等組成的復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)，將接觸網(wǎng)系統(tǒng)簡化為單柱模型的準確性、反應(yīng)譜或地震波輸入的合理性、單柱計算結(jié)果的可靠性均需通過試驗進一步驗證。由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗震設(shè)計中計算模型、反應(yīng)譜或地震波、分析方法等存在不確定性，抗震設(shè)計難以準確預(yù)測接觸網(wǎng)系統(tǒng)的破壞模式和薄弱位置，因此進行接觸網(wǎng)系統(tǒng)的抗震設(shè)計不能完全依賴仿真計算。
1接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗震措施
接觸網(wǎng)沿鐵路線路架設(shè)，主要由導線、接觸網(wǎng)零部件、支柱、基礎(chǔ)組成，其中導線作為電力機車受電弓直接摩擦接觸取流的重要部件，其平順性、穩(wěn)定性、可靠性直接決定機車取流質(zhì)量，而接觸網(wǎng)零部件、支柱、基礎(chǔ)作為支撐導線的受力結(jié)構(gòu)，其強度、穩(wěn)定性直接決定接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可用性、可靠性及耐久性，因此接觸網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)選取的合理性，接觸網(wǎng)零部件、支柱、基礎(chǔ)設(shè)計的全面性均決定接觸網(wǎng)系統(tǒng)在地震作用下的響應(yīng)強度。本文根據(jù)接觸網(wǎng)系統(tǒng)在地震作用下的破壞模式及抗震研究成果，針對接觸網(wǎng)系統(tǒng)、零部件、支柱及基礎(chǔ)提出一系列抗震、減震措施用于指導工程設(shè)計，從而提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的抗震性能，降低接觸網(wǎng)系統(tǒng)的地震響應(yīng)。
1.1接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗震措施
接觸網(wǎng)系統(tǒng)是由“導線-零部件-支柱-基礎(chǔ)”等組成的復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)特性、張力組合、跨距、路基設(shè)置等系統(tǒng)參數(shù)均會嚴重影響接觸網(wǎng)系統(tǒng)的抗震性能。結(jié)合接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗震研究成果，在進行接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗震設(shè)計時應(yīng)考慮以下措施：（1）當接觸網(wǎng)支柱位于橋梁區(qū)段或隧道區(qū)段時，橋墩頂帽（梁面）或隧道襯砌作為接觸網(wǎng)支柱的基礎(chǔ)，其輸出的地震響應(yīng)為接觸網(wǎng)系統(tǒng)的地震作用輸入。為避免接觸網(wǎng)系統(tǒng)與橋梁、隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，造成接觸網(wǎng)系統(tǒng)的地震響應(yīng)增大，在進行接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)避免與橋梁、隧道結(jié)構(gòu)自振周期接近。（2）接觸網(wǎng)系統(tǒng)跨中部位在地震作用下沿著主震方向的橫向位移及豎向位移較初始狀態(tài)明顯增大，在進行接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗震設(shè)計時，可通過合理增大接觸線、承力索張力，適當降低跨距等措施，提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的剛度、降低接觸網(wǎng)系統(tǒng)外荷載，從而達到降低接觸網(wǎng)系統(tǒng)地震響應(yīng)的目的。（3）在地震作用下，接觸網(wǎng)補償墜砣具有明顯的豎向振動，從而引起接觸網(wǎng)張力變化，因此在高地震烈度區(qū)進行接觸網(wǎng)設(shè)計時應(yīng)合理地對接觸網(wǎng)補償裝置采取減震措施，避免豎向振動過大造成接觸網(wǎng)系統(tǒng)破壞。（4）在設(shè)置供電線支柱時，其路徑及位置應(yīng)避開在地震時易出現(xiàn)滑坡、地裂及斷裂段區(qū)段，若無法避開斷裂段則應(yīng)避開可能發(fā)生地表錯位的地段，若也無法避免時，則應(yīng)結(jié)合場地類別對不良地基進行及時處理。
1.2接觸網(wǎng)零部件抗震措施
接觸網(wǎng)零部件是支撐接觸網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，從我國汶川地震、日本3·11地震引起接觸網(wǎng)系統(tǒng)震害來看，接觸網(wǎng)零部件在地震作用下易發(fā)生腕臂和定位器偏斜、電連接松弛等破壞，在進行接觸網(wǎng)零部件抗震設(shè)計時應(yīng)采取以下措施：（1）接觸網(wǎng)系統(tǒng)振動臺試驗及相關(guān)分析研究結(jié)果表明，接觸網(wǎng)腕臂的最大應(yīng)力均分布在節(jié)點處，尤其是在雙向地震作用下腕臂系統(tǒng)的最大應(yīng)力明顯增大。因此，在進行接觸網(wǎng)腕臂抗震設(shè)計時，應(yīng)合理優(yōu)化腕臂構(gòu)件之間的連接，同時可采取適當增大管徑、提高材質(zhì)性能等措施，避免腕臂結(jié)構(gòu)節(jié)點在地震作用下發(fā)生破壞。（2）目前接觸網(wǎng)定位器多采用鉤環(huán)連接，在地震作用下定位器會發(fā)生來回震蕩，鉤環(huán)之間可能出現(xiàn)間隙甚至松脫的情況，因此在高地震烈度區(qū)的定位裝置應(yīng)盡量避免采用鉤環(huán)連接。
1.3接觸網(wǎng)支柱抗震措施
接觸網(wǎng)支柱作為支持電氣化鐵路接觸網(wǎng)的重要設(shè)備，其在地震作用下的安全性、穩(wěn)定性直接影響接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠性、弓網(wǎng)動態(tài)受流質(zhì)量及工程投資[1～3]。（1）從我國5·12汶川地震、日本3·11地震等歷次接觸網(wǎng)系統(tǒng)震害來看，接觸網(wǎng)混凝土支柱在地震作用下易發(fā)生底部彎曲破壞（如圖1所示），從而導致接觸網(wǎng)支柱發(fā)生開裂、倒伏等，而鋼結(jié)構(gòu)支柱則破壞較少[4]。因此，在抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)，接觸網(wǎng)支柱建議采用抗震性能較好的鋼支柱，且采用的鋼材的實測屈強比不大于0.85；為保證接觸網(wǎng)鋼支柱在地震作用下具有良好的延性，選用的鋼材應(yīng)有明顯的屈服平臺。（2）由于地震主震方向不確定，且在地震作用下接觸網(wǎng)支柱豎向作用明顯，因此在抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)接觸網(wǎng)支柱宜采用中心對稱截面，避免采用不對稱截面導致抵抗能力較弱截面發(fā)生破壞。（3）接觸網(wǎng)支柱設(shè)計使用年限一般為50年，其抗震設(shè)防目標根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2010）[5]規(guī)定應(yīng)滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準要求，根據(jù)接觸網(wǎng)支柱的抗震設(shè)防目標及接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要性，在進行接觸網(wǎng)支柱抗震性能設(shè)計時，其塑性耗能區(qū)的抗震承載性能等級應(yīng)滿足“多遇地震不壞，設(shè)防地震滿足使用功能要求，罕遇地震較小變形”的性能化設(shè)計要求，且接觸網(wǎng)支柱的性能系數(shù)應(yīng)不小于0.55。
1.4接觸網(wǎng)基礎(chǔ)抗震措施
接觸網(wǎng)基礎(chǔ)作為整個接觸網(wǎng)系統(tǒng)最下部的關(guān)鍵部位，承擔著將整個接觸網(wǎng)系統(tǒng)荷載傳遞給地基的重任。從我國、日本等地多次地震中接觸網(wǎng)系統(tǒng)以及電力設(shè)施震害來看，在地震作用下，場地液化、地基不均勻沉降等易引起接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)移位、變形，進而造成支柱傾斜、倒塌等破壞，在進行接觸網(wǎng)基礎(chǔ)抗震設(shè)計時可采取以下抗震措施：（1）在開展接觸網(wǎng)基礎(chǔ)抗震驗算時，荷載組合應(yīng)采用地震作用下的標準組合，且地基的抗震承載力需考慮調(diào)整系數(shù)，該系數(shù)可取1.3。（2）若接觸網(wǎng)基礎(chǔ)下部存在砂土層或粉土層，在地震作用下易發(fā)生地基液化，在易發(fā)生地基液化區(qū)段需采取適當處理措施。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[5]中4.3.6條規(guī)定，當?shù)鼗嬖谝夯翆訒r需根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的不同抗震設(shè)防類別選用不同的液化處理措施，因此需先確定上部接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別。但目前沒有規(guī)范、標準明確規(guī)定接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗震設(shè)防類別，與其相似現(xiàn)行規(guī)范對抗震設(shè)防類別的規(guī)定如下：a.《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》（GB50223—2008）[6]規(guī)定，供電、供水建筑以及城市軌道交通供電、通風設(shè)施按照重點設(shè)防類別考慮。b.《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50260—2013）[7]規(guī)定，國家生命線工程中的輸供電建筑物按照重點設(shè)防類考慮。接觸網(wǎng)系統(tǒng)作為電氣化鐵路的能量來源，是保證列車正常運行、震后救援的關(guān)鍵系統(tǒng)，若發(fā)生地震破壞，震后短期內(nèi)很難完全恢復(fù)，因此屬于鐵路系統(tǒng)的生命線工程。結(jié)合上述現(xiàn)行規(guī)范相似結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別規(guī)定，并考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要性及服役性能，建議接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗震設(shè)防類別按照重點設(shè)防類考慮。結(jié)合接觸網(wǎng)系統(tǒng)的抗震設(shè)計類別并根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求，接觸網(wǎng)系統(tǒng)在液化土地區(qū)其抗液化措施按照如下原則處理：（1）當?shù)鼗夯燃壿^低或中等時，可對基礎(chǔ)或上部結(jié)構(gòu)進行加強處理，無需對液化土層進行消除處理，具體抗震措施建議：①接觸網(wǎng)基礎(chǔ)根據(jù)液化土深度選取合適的基礎(chǔ)埋深，并適當增大接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的剛度，液化土區(qū)段可采用增大基礎(chǔ)截面提高接觸網(wǎng)基礎(chǔ)剛度、減少基礎(chǔ)埋深的方式保證基礎(chǔ)距液化土層的距離；②采用減小跨度等方式適當降低液化土區(qū)段上部接觸網(wǎng)荷載；③在有液化土區(qū)段，接觸網(wǎng)支柱可采用對稱截面的鋼支柱，增強上部結(jié)構(gòu)的剛度，從而減小地基土液化產(chǎn)生的影響。（2）針對地基液化等級嚴重區(qū)段，可采用非液化土換填全部液化土的方式達到全部消除液化的效果，也可采用增厚非液化土層厚度的方式進行處理。（3）目前接觸網(wǎng)基礎(chǔ)一般采用直埋形式（如橫腹桿）和帶法蘭形式（如鋼柱、混凝土圓桿等）基礎(chǔ)，為提高地震后接觸網(wǎng)支柱的更換效率，位于路基區(qū)段的接觸網(wǎng)支柱與基礎(chǔ)之間宜采用法蘭（地腳螺栓）連接方式，便于出現(xiàn)地基不均勻沉降后的基礎(chǔ)處理及支柱更換；此時接觸網(wǎng)基礎(chǔ)預(yù)埋地腳螺栓的有效埋深需考慮修正系數(shù)，確保預(yù)埋螺栓在地震作用下的有效性，修正系數(shù)可取1.15。對于位于橋梁、隧道等土建構(gòu)筑物上的接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)，宜采用土建預(yù)埋形式，且土建預(yù)埋件的有限埋深也應(yīng)按照路基區(qū)段進行修正。
2接觸網(wǎng)減震措施
在地震作用下，接觸網(wǎng)補償墜砣具有明顯的豎向振動，從而引起接觸網(wǎng)張力進一步變化。從動力學的角度分析，整個接觸網(wǎng)系統(tǒng)存在若干腕臂的剛體轉(zhuǎn)動、線索舞動和墜砣振動等耦合問題，屬于多體動力學的范疇。由于線索具有質(zhì)量輕、阻尼小、柔性大的特點，在地震荷載激勵下腕臂的剛體轉(zhuǎn)動極易引發(fā)線索的大幅振動，大幅度的線索舞動又會激發(fā)補償墜砣劇烈的上下振動，進而引起附加慣性力，增大接觸網(wǎng)支柱、基礎(chǔ)的地震響應(yīng)，同時導致與補償墜砣相連的線索張力發(fā)生改變，以致線索的弛度發(fā)生顯著變化，從而進一步加重導線的舞動、支柱的地震響應(yīng)。綜上所述，“墜砣-線索-腕臂-支柱”之間存在強烈的耦合作用[8]，在地震作用的激勵下，極易激發(fā)墜砣、線索、腕臂的強烈振動，從而增大接觸網(wǎng)系統(tǒng)的地震響應(yīng)。為降低接觸網(wǎng)系統(tǒng)在地震作用下的地震響應(yīng)及振動，可在補償墜砣處增設(shè)耗能裝置，為補償墜砣提供阻尼，降低補償墜砣的振動，改善接觸網(wǎng)系統(tǒng)的耗能特性，從而達到降低接觸網(wǎng)系統(tǒng)在地震作用下的動力響應(yīng)。
3結(jié)語
由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)是“導線-腕臂-墜砣-支柱-基礎(chǔ)”耦合的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，目前抗震設(shè)計方法無法準確預(yù)測接觸網(wǎng)系統(tǒng)破壞模式。本文結(jié)合接觸網(wǎng)系統(tǒng)在地震作用下的震害及抗震研究成果，從接觸網(wǎng)系統(tǒng)、零部件、支柱、基礎(chǔ)等方面提出接觸網(wǎng)系統(tǒng)系列抗震措施，并提出在補償墜砣處增設(shè)耗能裝置的減震措施，從而達到提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的抗震性能、降低接觸網(wǎng)系統(tǒng)的地震響應(yīng)的目的，最終提升電氣化鐵路的防災(zāi)減災(zāi)能力。
作者:陳奮飛 楊佳 葛洪林 陳可 單位:中鐵二院工程集團有限責任公司