接觸網系統抗震減震措施淺析

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摘要：接觸網系統在抗震設計方面缺乏系統性的規范和標準，目前通常采用的接觸網系統抗震設計方法由于在簡化計算模型、輸入反應譜或地震波方式、分析方法及計算結果等方面存在不確定性，無法準確預測接觸網系統的破壞模式和薄弱位置。本文結合接觸網系統在地震作用下的震害及抗震研究成果，從接觸網系統、零部件、支柱、基礎等方面對接觸網系統提出系列抗震措施，以提升接觸網系統的抗震性能；同時提出在補償墜砣處增設耗能設施的減震措施，降低接觸網系統的地震響應，有效提升電氣化鐵路防災能力。

關鍵詞：接觸網系統；震害；抗震減震措施

0引言

牽引供電接觸網系統是一種沿鐵路線路架設的露天、無備用復雜架空系統，除了承受電力機車受電弓的反復沖擊外，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的相對薄弱環節。我國5·12汶川大地震中，寶成線、成渝線、達成線等線路出現接觸網支柱傾斜、基礎開裂、定位器偏斜、電連接松弛、接觸網參數不滿足列車運行要求等地震破壞，影響震后應急救援且恢復工作量較大。受日本3·11大地震影響，日本新干線多處接觸網支柱出現傾斜、倒伏，接觸網零部件出現斷裂等破壞，造成日本新干線全線停運數日。目前，國內外現行規范、標準均未給出接觸網系統抗震設計方法，而我國又是一個地震頻發的國家，研究接觸網系統的抗震設計方法，提高接觸網系統的抗震性能尤為重要。目前接觸網系統的抗震設計多采用建立單柱單（多）質點的有限元模型，輸入反應譜或典型地震波的方式進行單支柱地震響應分析。由于接觸網系統是一個由多根支柱、腕臂、導線、零部件等組成的復雜耦合結構，將接觸網系統簡化為單柱模型的準確性、反應譜或地震波輸入的合理性、單柱計算結果的可靠性均需通過試驗進一步驗證。由于接觸網系統抗震設計中計算模型、反應譜或地震波、分析方法等存在不確定性，抗震設計難以準確預測接觸網系統的破壞模式和薄弱位置，因此進行接觸網系統的抗震設計不能完全依賴仿真計算。

1接觸網系統抗震措施

接觸網沿鐵路線路架設，主要由導線、接觸網零部件、支柱、基礎組成，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、穩定性、可靠性直接決定機車取流質量，而接觸網零部件、支柱、基礎作為支撐導線的受力結構，其強度、穩定性直接決定接觸網系統的可用性、可靠性及耐久性，因此接觸網系統參數選取的合理性，接觸網零部件、支柱、基礎設計的全面性均決定接觸網系統在地震作用下的響應強度。本文根據接觸網系統在地震作用下的破壞模式及抗震研究成果，針對接觸網系統、零部件、支柱及基礎提出一系列抗震、減震措施用于指導工程設計，從而提高接觸網系統的抗震性能，降低接觸網系統的地震響應。

1.1接觸網系統抗震措施

接觸網系統是由“導線-零部件-支柱-基礎”等組成的復雜耦合結構，其系統特性、張力組合、跨距、路基設置等系統參數均會嚴重影響接觸網系統的抗震性能。結合接觸網系統抗震研究成果，在進行接觸網系統抗震設計時應考慮以下措施：（1）當接觸網支柱位于橋梁區段或隧道區段時，橋墩頂帽（梁面）或隧道襯砌作為接觸網支柱的基礎，其輸出的地震響應為接觸網系統的地震作用輸入。為避免接觸網系統與橋梁、隧道結構發生共振，造成接觸網系統的地震響應增大，在進行接觸網系統設計時應避免與橋梁、隧道結構自振周期接近。（2）接觸網系統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明顯增大，在進行接觸網系統抗震設計時，可通過合理增大接觸線、承力索張力，適當降低跨距等措施，提高接觸網系統的剛度、降低接觸網系統外荷載，從而達到降低接觸網系統地震響應的目的。（3）在地震作用下，接觸網補償墜砣具有明顯的豎向振動，從而引起接觸網張力變化，因此在高地震烈度區進行接觸網設計時應合理地對接觸網補償裝置采取減震措施，避免豎向振動過大造成接觸網系統破壞。（4）在設置供電線支柱時，其路徑及位置應避開在地震時易出現滑坡、地裂及斷裂段區段，若無法避開斷裂段則應避開可能發生地表錯位的地段，若也無法避免時，則應結合場地類別對不良地基進行及時處理。

1.2接觸網零部件抗震措施

接觸網零部件是支撐接觸網系統的關鍵部件，從我國汶川地震、日本3·11地震引起接觸網系統震害來看，接觸網零部件在地震作用下易發生腕臂和定位器偏斜、電連接松弛等破壞，在進行接觸網零部件抗震設計時應采取以下措施：（1）接觸網系統振動臺試驗及相關分析研究結果表明，接觸網腕臂的最大應力均分布在節點處，尤其是在雙向地震作用下腕臂系統的最大應力明顯增大。因此，在進行接觸網腕臂抗震設計時，應合理優化腕臂構件之間的連接，同時可采取適當增大管徑、提高材質性能等措施，避免腕臂結構節點在地震作用下發生破壞。（2）目前接觸網定位器多采用鉤環連接，在地震作用下定位器會發生來回震蕩，鉤環之間可能出現間隙甚至松脫的情況，因此在高地震烈度區的定位裝置應盡量避免采用鉤環連接。

1.3接觸網支柱抗震措施

接觸網支柱作為支持電氣化鐵路接觸網的重要設備，其在地震作用下的安全性、穩定性直接影響接觸網系統的安全可靠性、弓網動態受流質量及工程投資[1～3]。（1）從我國5·12汶川地震、日本3·11地震等歷次接觸網系統震害來看，接觸網混凝土支柱在地震作用下易發生底部彎曲破壞（如圖1所示），從而導致接觸網支柱發生開裂、倒伏等，而鋼結構支柱則破壞較少[4]。因此，在抗震設防烈度較高地區，接觸網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；為保證接觸網鋼支柱在地震作用下具有良好的延性，選用的鋼材應有明顯的屈服平臺。（2）由于地震主震方向不確定，且在地震作用下接觸網支柱豎向作用明顯，因此在抗震設防烈度較高地區接觸網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生破壞。（3）接觸網支柱設計使用年限一般為50年，其抗震設防目標根據《建筑抗震設計規范》（GB50011—2010）[5]規定應滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準要求，根據接觸網支柱的抗震設防目標及接觸網系統的重要性，在進行接觸網支柱抗震性能設計時，其塑性耗能區的抗震承載性能等級應滿足“多遇地震不壞，設防地震滿足使用功能要求，罕遇地震較小變形”的性能化設計要求，且接觸網支柱的性能系數應不小于0.55。

1.4接觸網基礎抗震措施

接觸網基礎作為整個接觸網系統最下部的關鍵部位，承擔著將整個接觸網系統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系統以及電力設施震害來看，在地震作用下，場地液化、地基不均勻沉降等易引起接觸網支柱基礎移位、變形，進而造成支柱傾斜、倒塌等破壞，在進行接觸網基礎抗震設計時可采取以下抗震措施：（1）在開展接觸網基礎抗震驗算時，荷載組合應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整系數，該系數可取1.3。（2）若接觸網基礎下部存在砂土層或粉土層，在地震作用下易發生地基液化，在易發生地基液化區段需采取適當處理措施。根據《建筑抗震設計規范》[5]中4.3.6條規定，當地基存在液化土層時需根據上部結構的不同抗震設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結構的抗震設防類別。但目前沒有規范、標準明確規定接觸網系統抗震設防類別，與其相似現行規范對抗震設防類別的規定如下：a.《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223—2008）[6]規定，供電、供水建筑以及城市軌道交通供電、通風設施按照重點設防類別考慮。b.《電力設施抗震設計規范》（GB50260—2013）[7]規定，國家生命線工程中的輸供電建筑物按照重點設防類考慮。接觸網系統作為電氣化鐵路的能量來源，是保證列車正常運行、震后救援的關鍵系統，若發生地震破壞，震后短期內很難完全恢復，因此屬于鐵路系統的生命線工程。結合上述現行規范相似結構抗震設防類別規定，并考慮接觸網系統的重要性及服役性能，建議接觸網系統抗震設防類別按照重點設防類考慮。結合接觸網系統的抗震設計類別并根據《建筑抗震設計規范》要求，接觸網系統在液化土地區其抗液化措施按照如下原則處理：（1）當地基液化等級較低或中等時，可對基礎或上部結構進行加強處理，無需對液化土層進行消除處理，具體抗震措施建議：①接觸網基礎根據液化土深度選取合適的基礎埋深，并適當增大接觸網基礎的剛度，液化土區段可采用增大基礎截面提高接觸網基礎剛度、減少基礎埋深的方式保證基礎距液化土層的距離；②采用減小跨度等方式適當降低液化土區段上部接觸網荷載；③在有液化土區段，接觸網支柱可采用對稱截面的鋼支柱，增強上部結構的剛度，從而減小地基土液化產生的影響。（2）針對地基液化等級嚴重區段，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）目前接觸網基礎一般采用直埋形式（如橫腹桿）和帶法蘭形式（如鋼柱、混凝土圓桿等）基礎，為提高地震后接觸網支柱的更換效率，位于路基區段的接觸網支柱與基礎之間宜采用法蘭（地腳螺栓）連接方式，便于出現地基不均勻沉降后的基礎處理及支柱更換；此時接觸網基礎預埋地腳螺栓的有效埋深需考慮修正系數，確保預埋螺栓在地震作用下的有效性，修正系數可取1.15。對于位于橋梁、隧道等土建構筑物上的接觸網支柱基礎，宜采用土建預埋形式，且土建預埋件的有限埋深也應按照路基區段進行修正。

2接觸網減震措施

在地震作用下，接觸網補償墜砣具有明顯的豎向振動，從而引起接觸網張力進一步變化。從動力學的角度分析，整個接觸網系統存在若干腕臂的剛體轉動、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動極易引發線索的大幅振動，大幅度的線索舞動又會激發補償墜砣劇烈的上下振動，進而引起附加慣性力，增大接觸網支柱、基礎的地震響應，同時導致與補償墜砣相連的線索張力發生改變，以致線索的弛度發生顯著變化，從而進一步加重導線的舞動、支柱的地震響應。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，極易激發墜砣、線索、腕臂的強烈振動，從而增大接觸網系統的地震響應。為降低接觸網系統在地震作用下的地震響應及振動，可在補償墜砣處增設耗能裝置，為補償墜砣提供阻尼，降低補償墜砣的振動，改善接觸網系統的耗能特性，從而達到降低接觸網系統在地震作用下的動力響應。

3結語

由于接觸網系統是“導線-腕臂-墜砣-支柱-基礎”耦合的復雜結構，目前抗震設計方法無法準確預測接觸網系統破壞模式。本文結合接觸網系統在地震作用下的震害及抗震研究成果，從接觸網系統、零部件、支柱、基礎等方面提出接觸網系統系列抗震措施，并提出在補償墜砣處增設耗能裝置的減震措施，從而達到提高接觸網系統的抗震性能、降低接觸網系統的地震響應的目的，最終提升電氣化鐵路的防災減災能力。

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