CN102409887A - 高速铁路接触网抗风型h形钢柱及其开孔率确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速铁路接触网抗风型H形钢柱及其开孔率确定方法。高速铁路接触网H形钢柱截面形状呈H形，易发生横风向的涡激振动和驰振，长期较大振福的涡激振动会导致钢柱连接处的疲劳破坏，驰振会导致支柱的直接破坏。本发明在H形钢柱的腹板上设置开孔，通过建立接触网系统结构有限元模型及结构动力特性分析，得出未开孔H形钢柱的结构振动频率和振型；测试未开孔H形钢柱截面的斯脱罗哈数、涡激振动锁定风速、涡激振动振幅和驰振临界风速；通过动力节段模型风洞试验，确定H形钢柱的腹板开孔率，有效提高了H形钢柱的抗风稳定性。本发明适用于高速铁路接触网钢柱抗风及更高抗风稳定性的H形钢柱的设计，尤其可广泛应用于风区、风口等不利环境条件区段。

Description

高速铁路接触网抗风型H形钢柱及其开孔率确定方法

技术领域

本发明属于高速铁路电气化技术领域，具体涉及一种高速铁路接触网抗风型H形钢柱及其开孔率确定方法。

背景技术

随着高速铁路的发展，特别是在风速较高或风期较长的风区、风口等不利环境条件下，列车运行的安全可靠性受到大风的影响程度愈加突出。

H形钢柱作为支持高速铁路接触网的重要设备，截面形状呈H形，容易发生横风向的涡激振动和驰振。长期较大振福的涡激振动会导致钢柱连接处的疲劳破坏、加剧接触悬挂系统的振动；驰振会导致钢柱的直接破坏，其抗风稳定性直接影响H形钢柱的安全性、寿命及弓网动态受流质量。因此有必要测试高速铁路H形钢柱的涡激振动及驰振特性，并研究可减小涡激振动振幅和避免驰振发生的措施，设计出抗风型H形钢柱。目前国内外尚缺乏具有高抗风稳定性能的H形钢柱及其设计方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗风稳定性更好的高速铁路接触网抗风型H形钢柱及其开孔率确定方法，提高接触网系统的安全可靠性。

本发明所采用的技术方案是：

高速铁路接触网抗风型H形钢柱，包含有H形钢柱本体，由两侧相互平行的翼缘和中间与翼缘垂直的腹板组成，横截面为“H”形，其特征在于：

所述的腹板上设置有开孔。

所述的开孔的面积占腹板总面积的17％～40％。

所述的开孔的形状为矩形；

开孔在顺钢柱轴向方向上的孔尺寸与在垂直钢柱轴向方向上的孔尺寸的比值为2～2.5；

开孔在垂直钢柱轴向方向上的孔尺寸为腹板总尺寸的40％～60％；

开孔的矩形直角处所倒的圆角的半径为20～30mm；

开孔在顺钢柱轴向方向上的孔间距为380～420mm；

开孔顺钢柱轴向方向等间距设置或非等间距设置。

如所述的高速铁路接触网抗风型H形钢柱的开孔率确定方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：通过建立接触网系统结构有限元模型及结构动力特性分析，得出未开孔H形钢柱的结构振动频率和振型；

步骤二：通过动力节段模型风洞试验，利用直接测量法测试未开孔H形钢柱截面的斯脱罗哈数、涡激振动锁定风速、涡激振动振幅和驰振临界风速；

步骤三：通过动力节段模型风洞试验，得出H形钢柱的腹板开孔方案，确定H形钢柱的腹板开孔率。

所述的步骤一中，H形钢柱的结构振动频率和振型包括顺线路方向的纵弯频率和振型及垂直线路方向的横弯频率和振型。

所述的步骤二中，涡激振动及驰振包括垂直线路来风时的涡激振动、驰振以及顺线路来风时的涡激振动、驰振；

所述的风速为10min平均风速。

    本发明具有以下优点：

（1）提高了H形钢柱的抗风稳定性；

（2）在不影响H形钢柱的承受荷载能力情况下，在腹板按一定开孔率开孔，结构设计合理；

（3）抗风型H形钢柱可控性强，在腹板设置的开孔位置较为灵活，可结合H形钢柱安装预留孔的设计情况适当调整开孔位置，不会与安装预留孔位置产生冲突；

（4）由于抗风型H形钢柱在腹板设置了开孔，可减轻钢柱用钢量，降低建设成本。

（5）设计方法实用性强，可针对具体线路环境中风的风期、风速特点，设计出适用于该线路的抗风型H形钢柱。

附图说明

图1为抗风型H形钢柱的结构示意图。

图2为抗风型H形钢柱的A-A截面图。

图3为高速铁路接触网抗风型H形钢柱开孔率确定方法的操作流程图。

图4为接触网系统结构有限元模型。

图5为未开孔H形钢柱在垂直线路来风时的风致振动曲线。

图6为未开孔H形钢柱在顺线路来风时的风致振动曲线。

图7为开孔率为17%的H形钢柱在垂直线路来风时的风致振动曲线。

图8为开孔率为17%的开孔H形钢柱在顺线路来风时的风致振动曲线。

图中，1-翼缘，2-腹板，3-开孔。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

目前应用于高速铁路接触网的H形钢柱本体，由两侧相互平行的翼缘1和中间与翼缘1垂直的腹板2组成，横截面为“H”形，翼缘1和腹板2之间的连接处设置圆角。本发明为提高H形钢柱的抗风稳定性，所涉及的高速铁路接触网抗风型H形钢柱在钢柱的腹板2上设置有开孔3，开孔3的面积占腹板2总面积的17％～40％；开孔3的形状为矩形，可为长方形或正方形；开孔3在顺钢柱轴向方向上的孔尺寸与在垂直钢柱轴向方向上的孔尺寸的比值为2～2.5；开孔3在垂直钢柱轴向方向上的孔尺寸为腹板2总尺寸的40％～60％；开孔3的矩形直角处所倒的圆角的半径为20～30mm；开孔3在顺钢柱轴向方向上的孔间距为380～420mm；开孔3可等间距设置，也可非等间距设置。

见图3，本发明所涉及的高速铁路接触网抗风型H形钢柱开孔率确定的具体步骤为：

步骤一：通过建立接触网系统结构有限元模型及结构动力特性分析，得出未开孔H形钢柱的结构振动频率和振型：

计算H形钢柱GHT240的振型及频率分布：

1）建立包含H形钢柱的接触网系统结构有限元模型，以简单链形悬挂接触网系统为例，如图4所示，模型中钢柱的截面特性及材料特性与H形钢柱完全一致。

2）进行结构动力特性分析，得出H形钢柱的结构振动频率和振型，包括顺线路方向纵弯振型、频率及垂直线路方向横弯振型、频率。

步骤二：通过动力节段模型风洞试验，利用直接测量法测试未开孔H形钢柱截面的斯脱罗哈数、涡激振动锁定风速、涡激振动振幅和驰振临界风速，所述的风速为10min平均风速：

测试H形钢柱GHT240的风致振动曲线：

1）利用H形钢柱的振型及频率分布计算结果，设计动力节段模型风洞试验，该模型支柱满足动力节段模型的相似律，即模型支柱与原型H形钢柱的弹性系数、惯性系数、阻尼系数三组无量纲参数一致，模型缩尺比为1/2。

2）进行动力节段模型风洞试验，利用直接测量法测试H形钢柱的截面斯脱罗哈数，顺线路方向的涡激振动锁定风速、振动振幅和驰振临界风速以及垂直线路方向的涡激振动锁定风速、振动振幅和驰振临界风速。

3）根据动力节段模型风洞试验结果：当垂直线路来风时，未开孔H形钢柱发生驰振，驰振临界风速为57m/s，如图5所示；当顺线路来风时，未开孔H形钢柱涡激振动振幅为9.1mm，并且在小于72m/s的风速范围内不会发生驰振，如图6所示。

步骤三：在保证H形钢柱结构稳定性的基础上，基于减小涡激振动振幅、提高驰振临界风速的目的，通过动力节段模型风洞试验，气动优化研究得出H形钢柱开孔方案，确定H形钢柱的腹板开孔率：

抗风型H形钢柱GHT240的开孔方案确定：

1）根据步骤二的测试结果，对开孔率为17%的H形钢柱进行动力节段模型风洞试验。其开孔形状为矩形，在垂直支柱轴向方向上的孔尺寸为100mm，在顺支柱轴向方向上的孔尺寸为210mm，矩形直角处导圆角的半径为20mm，在顺支柱轴向方向上的孔间距为390mm。

2）动力节段模型风洞试验结果如下：

当垂直线路来风时，开孔H形钢柱涡激振动振幅为1.17mm，并且在小于72m/s的风速范围内不会发生驰振，如图7所示；当顺线路来风时，开孔H形钢柱涡激振动振幅为1.45mm，并且在72m/s的风速范围内不会发生驰振，如图8所示。

该17%的开孔率显著减小了H形钢柱的涡激振动振幅，并将驰振临界风速提高到72m/s以上，有效避免了驰振的发生。

本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.高速铁路接触网抗风型H形钢柱，包含有H形钢柱本体，由两侧相互平行的翼缘（1）和中间与翼缘（1）垂直的腹板（2）组成，横截面为“H”形，其特征在于：

所述的腹板（2）上设置有开孔（3）。

2.根据权利要求1所述的高速铁路接触网抗风型H形钢柱，其特征在于：

所述的开孔（3）的面积占腹板（2）总面积的17％～40％。

3.根据权利要求1所述的高速铁路接触网抗风型H形钢柱，其特征在于：

所述的开孔（3）的形状为矩形；

开孔（3）在顺钢柱轴向方向上的孔尺寸与在垂直钢柱轴向方向上的孔尺寸的比值为2～2.5；

开孔（3）在垂直钢柱轴向方向上的孔尺寸为腹板（2）总尺寸的40％～60％；

开孔（3）的矩形直角处所倒的圆角的半径为20～30mm；

开孔（3）在顺钢柱轴向方向上的孔间距为380～420mm；

开孔（3）顺钢柱轴向方向等间距设置或非等间距设置。

4.如权利要求1所述的高速铁路接触网抗风型H形钢柱的开孔率确定方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：通过建立接触网系统结构有限元模型及结构动力特性分析，得出未开孔H形钢柱的结构振动频率和振型；

步骤二：通过动力节段模型风洞试验，利用直接测量法测试未开孔H形钢柱截面的斯脱罗哈数、涡激振动锁定风速、涡激振动振幅和驰振临界风速；

步骤三：通过动力节段模型风洞试验，得出H形钢柱的腹板开孔方案，确定H形钢柱的腹板开孔率。

5.根据权利要求4所述的高速铁路接触网抗风型H形钢柱的开孔率确定方法，其特征在于：

所述的步骤一中，H形钢柱的结构振动频率和振型包括顺线路方向的纵弯频率和振型及垂直线路方向的横弯频率和振型。

6.根据权利要求4所述的高速铁路接触网抗风型H形钢柱的开孔率确定方法，其特征在于：

所述的步骤二中，涡激振动及驰振包括垂直线路来风时的涡激振动、驰振以及顺线路来风时的涡激振动、驰振；

所述的风速为10min平均风速。

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