接触悬挂吊弦长度的非线性有限元分析.doc

天津大学硕士学位论文接触悬挂吊弦长度的非线性有限元分析姓名周占学申请学位级别硕士专业结构工程指导教师毕继红20030601摘要本文对国家重点工程秦沈客运专线的接触悬挂进行分析计算整体吊弦的精确下料长度和动力特性。接触网属于柔性悬挂结构用传统的计算方法要进行精确计算是困难的。有限元法是结构分析计算的有力工具但在悬挂结构计算中应用较少本文将接触网按照索结构原理建立计算模型用非线性有限元方法建立方程解决了吊弦长度的计算问题。本文算例表明非线性有限元方法是对接触悬挂进行分析的有力工具只要建立接触悬挂的刚度矩阵和质量矩阵就可以对接触网的吊弦长度进行准确的计算这是传统的计算方法难以做到的。与传统的简化方法比较起来用非线性有限元方法计算的结果更为精确可大大提高施工下料的准确性减少材料浪费对我国电气化铁路的高速化有重要的意义。另外本文用软件分析了接触悬挂的动力特性得出了其前阶自然频率和振型并且得出了一些有益的结论。最后本文提出了一种简化计算吊弦长度的方法该方法在工程预算中有一定的意义。关键词有限元非线性悬索结构接触网吊弦长度振动自然频率振型高速铁路、血血独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果除了文中特别加阻标注和致谢之处外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得盘生盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名虱占耄签字目期如。歹年厶月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明匀贸学位论文作者签名巧占鼍导师签名签字日期多。了年月?日签字日期年月日第一章概述引言第一章概述以一系列受拉索作为主要的受力构件这些索按照一定规律组成各种不同形式的体系并悬挂在相应的支撑结构上一般称这样的结构体系为悬索结构。悬索结构具有节省材料、施工快捷、适应多样化等特点特别适用于各类大跨度建筑国外应用十分广泛。以悬索体系作为承重结构有着悠久的历史。古代的帐篷式住屋就是悬挂屋盖的雏形。我国人民早在一千多年以前已经用竹索或铁链建成跨越河谷的悬索桥。随着钢材的利用现代化的大跨悬索桥开始出现并且从本世纪初以来取得了可观的发展。但在房屋建筑方面从世纪年代开始悬索结构才取得较大进展。这一方面是由于日益增长的建造大跨房屋的实际需要另方面也是由于建筑材料、计算方法、建造技术等方面的问题不断获得解决、经验不断积累的结果。悬索结构之所以在大跨度建筑中得到日益广泛的应用这与它自身的显明特点分不开的?悬索结构通过索的轴向拉伸来抵抗外荷作用可以充分利用钢材的强度。当采用高强度材料时更可大大减轻结构自重。因而悬索结构可以较经济地跨越很大的跨度目前已成为大跨建筑的主要结构形式之一。?悬索屋盖的施工比较方便。由于钢索自重很小屋面结构一般也较轻因此安装屋盖时不需要大型起重设备。施工时不需要脚手架也不需要模板。因而与其他结构形式比较悬挂屋盖的旖工费用相对较低。适合在工厂制作现场安装。钢索及其锚具可以在工厂集中制作然后到现场装配完全适合现代化的装配式作业极大地加快了施工进度。?悬索结构便于建筑造型适应多种多样的平面图形和外形轮廓。因而能较自由地满足各种建筑功能和表达形式的要求。这也是建筑师们乐于采用这种结构形式的重要原因之一。然而悬索结构也存在一些缺陷如相对较大的变形、振动危险、给索旌加合适的锚固力难度较大。尽管这些缺点的存在悬索结构的运用仍然变得越来越流行它在各种建筑领域及机械结构设计领域如索传输设备等中获得日益广泛的应用。本文所讨论的接触悬挂就是属于悬索结构的一种它在世界电气化铁路中被广泛采用下面简单介绍其概念。第一章概述悬挂接触网概念悬挂接触网概念当今高速铁路风靡全球经专家论证高速铁路的最佳牵引方式是电力牵引。接触悬挂是向电力机车供电的重要设备架空接触网一般通过支持装置悬挂在列车上方通过其下方高速滑动运行的电力机车受电弓将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车从而使电力机车牵引列车运行。接触网沿铁路线架设结构比较复杂技术要求高。为保证机车高速受流的质量它必须具有很高的波动传播速度、良好的稳定性、理想的弹性均匀性。高速接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。其组成如图其实际工作状态如图。接触线图一接触悬挂组成图接触悬挂照片第一章概述接触悬挂的类型接触悬挂的种类较多?话愀萜浣峁沟牟煌殖杉虻哟液土葱谓哟伊酱罄唷9?简单接触悬挂简称简单悬挂系由一根接触线直接固定在支柱支持装置上的悬挂形式。国内外对简单悬挂做了不少研究和改进。我国现采用的带补偿装置的弹性简单悬挂系在接触线下锚处装设了张力补偿装置以调节张力和弛度的变化。在悬挂点上加装长的弹性吊索通过弹性吊索悬挂接触线这就减少了悬挂点处产生的硬点改善了机车受流条件。另外跨距适当缩小增大接触线的张力以改善弛度对受流的影响如图卜。跨距图一补偿弹性简单悬挂?链形悬挂的接触线是通过吊弦悬挂在承力索上。承力索悬挂于支柱的支持装置上使接触线在不增加支柱的情况下增加了悬挂点利用调整吊弦长度使接触线在整个跨距内对轨面的距离保持一致。链形悬挂减小了接触线在跨距中间的弛度改善了弹性增加了悬挂重量提高了稳定性可以满足电力机车高速运行受流的要求。链形悬挂的性能比简单悬挂得较好的改善但也带来了结构复杂、造价高、施工和维修任务量大等许多问题。链形悬挂分类方法较多按悬挂链数的多少可分为单链形双链形和多链形又称三链形。目前我国多采用单链形悬挂。第一章概述图一链型悬挂链形悬挂根据索线的锚定方式即索线两端下锚的方式又可分为下列几种方式未补偿链形悬挂、半补偿链形悬挂、全补偿链形悬挂。高速接触悬挂均采用全补偿简单链形悬挂。接触导线采用硬拉铜、无接头内包式钢铝导线区间腕臂柱主要采用型断面的预应力钢筋混凝土支柱如图所示。在车站的接触网支持装置基本上采用软横跨。在低净空隧道内广泛采用硅橡胶绝缘子的人字形支承也有采用弓型支承装置。接触网直线区段的最大允许跨距一般不超过全补偿链型悬挂的直线锚段长度一般不大于。悬挂接触网吊弦我国传统的接触悬挂安装方式比较粗放接触线的高度位置采用人工现场调整的方式完成由于承力索的柔度以及接触悬挂导线的温度伸长影响使接触悬挂调整工作十分繁重且调整结果难以达到预期效果调整工作年复一年、无穷无尽。这种安装方式虽然满足了我国普通接触悬挂的运行需要但就高速接触悬挂而言这种安装方式是不可能满足高速接触悬挂高精度的安装调整需要的已难以适应高速电气化铁路接触网技术的要求。可以说任何现场调整吊弦长度的吊弦结构形式都是不能实现高精度的安装要求的因此必须从改变吊弦传统结构型式入手采用整体式吊弦装置。同时改变传统的施工办法用计算机预配预制吊弦长度来控制接触导线高度以实现离精度的高速接触悬挂的安装调整。年铁道部提出“商可靠、少维修”的电气化铁道第一章概述发展新要求后京郑线、广深线全线采用了整体吊弦这对改善受流质量、保持稳定的弓网关系起到了重要作用。整体吊弦形式如图一。本文涉及的是我国第一条铁路客运专线秦沈客运专线它是陪三荨我国目前综合技术水平最先迸的电菌气化铁路具有我国铁路史上的跨世纪铁路建设标志性工程之称起自于河北省秦皇岛市的秦皇岛站氘矗途经辽宁省的兴城市、葫芦岛市、二霉连莹锦州市、台安县、辽中县止于沈飞矿每阳市的沈阳北站线路全长公里为国家级双线电气化铁路。图整体吊弦结构图设计时速在以上其中从山海关至绥中试验区段时速可达到。该工程对整体吊弦的施工误差要求较高其中接触线悬挂高度施工误差跨中弛度误差整体吊弦型号为一次压接到位、不可调这就要求在吊弦安装前必须对银铜导线进行超拉以消除导线蠕变伸长对接触悬挂的影响。以前现场调整吊弦长度的方法己无法满足现行施工技术的精度需要。接触网施工简介因为悬索吊弦长度的计算与其施工过程有很大关系故将接触网施工过程简述如下。其施工过程可分为如下几个步骤?承力索、接触线带张力架设如图中心锚结墨垄查二二二歹才孓二二二接触线图一张力架设接触线及承力索彳占虐皆第一章概述?将弹性吊索的中心临时固定在套管铰环上如图套管铰环弹性吊索二二二歹才二二二二图临时固定弹性吊索?弹性吊索向中锚方向展放紧固线夹如图线哭、二二二二歹刁二二二图展放弹性吊索?弹性吊索向补偿侧展放拉紧将线夹临时固定如图一弹性吊索一弋二弋二二图拉紧弹性吊索?在下锚侧安装拉力计松开线夹吊索张力拉到规定值紧固线夹卸拉力计最后布置各个吊弦如图接触线图一固定弹性吊索、布置吊弦一丝二兰塑堕另外其施工过程照片如下图图一安装吊弦悬索吊弦研究现状图安装悬臂悬索吊弦长度是保证高速接触悬挂安装精度的基础而吊弦长度计算是项繁重且十分精细的工作我国传统的接触网的计算方法如文献多为假设接触线自重负载通过吊弦均匀分布于承力索之上且沿跨距负载均匀分布再根据力的平衡原理建立关于吊弦长度的计算方程然后再考虑各种实际情况如张力差、补偿器传动误差、跨距误差、吊弦布置位置误差、工程经验等加以修正。该方法精度较低仅宜应用于低速铁路的计算。可以说由于历史和现实的原因接触网的吊弦计算多停留在经验公式加现场调整的方法用现代的力学知识进行计算的寥寥无几。有限元法是结构分析计算的有力工具但在悬挂结构计算中应用较少文献介绍了离散索系的变分原理和单维直线索段的有限元模型文献介绍了悬索结构的解析和离散计算方法及在工程中的应用情况。文献用有限元法对索道一载荷系统的振动特性进行了分析计算。文献用有限元计算悬索吊弦的长度计算接触悬挂的初始状态、抬升量和弹性系数并计算接触悬挂的频率和振型但是只研究了简单链形接触悬挂其接触悬挂的刚度矩阵是线性的而非线性的带有弹性吊索的链形接触悬挂则没有考虑。本文的主要工作本课题为受中铁电气化研究院所委托对国家重点工程秦沈客运专线的接触悬挂进行分析计算其悬索吊弦的精确下料长度。秦沈客运专线第一次采用镁铜合金第章概述接触线第一次采用防腐性能好的字型和字型等径钢柱接触网下部基础由路基施工单位随路基旌工整体施工接触线材架设采用额定张力架设。其接触网结构高度为受跨线建筑物净空限制处的结构高度可适当降低但不得低于。正线、站线吊弦均为整体吊弦采用铜合金绞线试验段为铜合金绞线弹性吊索采用铜合金铰线长度张力。接触网属于柔性悬挂结构用传统的计算方法要进行精确计算是困难的。有限元法是结构分析计算的有力工具但在悬挂结构计算中应用较少本文将接触网按照索结构原理建立计算模型用非线性有限元方法建立方程解决了吊弦长度的计算问题。另外本文程序中采用语言编制程序中采用法与荷载增量法相结合的迭代方法求解非线性方程组。本文在悬索梁比拟法的基础上发展了一种吊弦长度的简化计算方法该法在工程预算中有一定的意义。另外本文用软件分析了接触悬挂的动力特性得出了其前阶频率和振型并且得出了一些有益的结论。本文算例表明非线性有限元方法是对接触悬挂进行分析的有力工具立接触悬挂的刚度矩阵和质量矩阵就可以对接触悬挂的吊弦长度进行准确的计算。与传统的简化方法比较起来用非线性有限元方法计算的结果更为精确可大大提高施工下料的准确性减少材料浪费对我国电气化铁路的高速化有重要的意义。筇二蕈接触懋挣绱构的非。线性有限元分析第二章接触悬挂结构的非线眭有限元分析如前所述对于任何构件当其一个方向的尺寸远远大于其余两个方向的尺寸并且断面抗拉刚度也大于其弯曲刚度和剪切刚度时均可以称为索。以索作为主要承载体系的结构称为悬索结构悬挂结构实质上就是一种悬索结构。本文的悬挂结构是非线性很强的结构要正确分析结构的受力特性必须考虑其非线性因素。非线性问题一般可划分为三类第一类为几何非线性第二类为物理非线性第三类为接触非线性。本文研究的接触悬挂属于几何非线性问题。悬索结构的静力分析有许多方法采用连续化方法可针对可某种特定索或某种特定荷载导出的解析解采用薄膜比拟法等这些计算和推导都比较复杂国内外学者已提出了一些近视计算方法如等效单索法、弹性地基粱法等。随着计算力学的发展采用离散理论的假定应用有限单元法对悬索结构进行非线性分析的方法适应面更广便于编制计算机程序。下面采用离散理论及最小势能原理推导本文的悬挂结构有限元分析的相关公式。基本假定本文悬挂结构的非线性有限元计算理论基于以下假定?荷载及其他外部作用不随时间变化?索不能承受弯矩和剪力作用?索单元处于弹性工作状态弹性模量为常数即符合虎克定律?索断面积为常数?索为完全柔性仅能承受轴向拉力?将索按节点离散化为索段每一索段为直线的受拉杆称为索元?索段之间的节点为铰接每个节点有三个自由度即它可能在三个方向产生线位移?外荷载作用在各个节点上研究表明以上假定是比较接近结构实际情况的。有限元公式的推导塑三要些堡茎丝丝塑苎垡丝塑堕重坌塑一现任取一个典型索单元如图并规定其局部坐标系。一。轴的正方向为从到。体系的整体坐标系为假设时刻索元盯的两端点在整体坐标系中的坐标分别为。五和。作用在节点、上的节点力为只、圪及匕、易、匕此时索单元矿处于平衡状态。这时有一组节点力增图索单元量、及。、口分别作用