张晨阳，芦　燕，2

(1.天津大学建筑工程学院，天津　300072；2.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津　300072)



H型钢接触网支柱在风荷载作用下的疲劳性能分析

张晨阳1，芦燕1，2

(1.天津大学建筑工程学院，天津300072；2.天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津300072)

摘要：H型钢接触网支柱在高速铁路中得到广泛使用，直接影响铁路接触网系统安全。长期处于风荷载作用下，H型钢接触网支柱存在疲劳问题。通过建立数值计算模型，应用热点应力的表面外推法，对H型钢接触网支柱柱脚焊缝在风荷载作用下的疲劳性能进行分析。以兰新高铁H型钢接触网支柱为例，依据热点应力-寿命曲线，计算支柱焊缝的疲劳寿命。分析结果表明：其他条件不变的情况下，改变型钢规格和柱高，热点位置不发生变化；随着支柱高度增加，疲劳寿命降低21%左右；随着型钢截面的增大，疲劳寿命增加23%左右。

关键词：接触网；H型钢支柱；柱脚焊缝；风荷载；热点应力；疲劳寿命

由于截面小、安装方便、承载力高、易于标准化[1]，高铁中的H型钢接触网支柱在国内得到广泛使用，京津城际、武广高铁、京沪高铁与兰新高铁等均采用H型钢接触网支柱。柱脚刚接，柱顶自由，支柱受力可视为悬臂构件，如图1所示。然而，支柱长期处于风荷载作用下，疲劳问题日益显著。

目前，国内外学者对H型钢悬臂构件的静力及稳定性能研究较多。刘卜精[2]等研究了双轴对称工字形截面悬臂钢梁弯扭联合作用下整体稳定承载力问题，并提出简化公式；孙飞飞[3]等通过试验研究了高强H型钢悬臂梁在低周反复荷载作用下的受力性能，得到试件的滞回曲线、骨架曲线和承载能力等。韩庆华等[4]选取两种铸钢节点焊接构造，采用热点应力法对环形对接焊缝在轴力作用下的疲劳性能进行有限元分析，得到热点应力变化规律。葛娟等[5]以杭州湾跨海大桥海平台观光塔铸钢节点为例，采用热点应力法计算4种焊接细节焊缝的疲劳寿命。张昊等[6]总结国内外接触网风致舞动灾害相关文献，提出通过有限元分析研发新型防舞动装置的思路，并归纳接触网舞动研究中有待解决的问题。但是关于H型钢接触网支柱柱脚连接焊缝的疲劳性能研究较少，需要对其疲劳性能进行深入研究。本文采用国际焊接学会的热点应力表面两点线性外推法对H型钢接触网支柱柱脚连接焊缝在风荷载作用下的疲劳性能进行分析，以兰新高铁H型钢接触网支柱为例，依据热点应力-寿命曲线计算柱脚连接焊缝的疲劳寿命。

图1　H型钢接触网支柱

1热点应力法及模型建立

1.1热点应力法

热点应力是指最大结构应力或结构中危险截面上危险点的应力。热点处即为最容易发生疲劳破坏的部位。焊接结构中热点一般发生在焊趾处，此部位最容易产生疲劳裂纹。应用表面外推法时，外推点的确定非常重要，应满足以下要求：(1)必须位于缺口效应影响区之外；(2)必须距离焊缝足够近，以确保能够捕捉到结构应力集中。本文采用国际焊接学会IIW推荐的线性外推法，取x1=0.4t，x2=1.0t，进行线性插值得到热点应力，见图2。

图2　热点应力表面线性外推法示意

1.2有限元模型

接触网支柱采用宽翼缘热轧H型钢，型钢和底板通过焊缝连接，翼缘与底板连接焊缝为对接焊缝，采用熔透坡口焊；腹板与底板连接焊缝为接触面角焊缝，详细构造见图3。底板和基础采用法兰连接，根据不同型钢规格采用多个地脚螺栓固定，形成刚接柱脚。

图3　焊接构造

采用ANSYS数值分析软件，建立包括焊缝的H型钢悬臂柱分析模型，对柱脚连接焊缝进行热点应力分析。柱子和底板钢材均为Q235b，焊缝采用与母材相同的参数。对焊缝进行建模时，将焊缝简化为45°坡角形状。为获得较高的分析精度，采用20节点solid186实体单元进行离散，模型单元长度及宽度方向尺寸均取为焊趾处板厚[7]，见图4。根据荷载传递关系，使用glue命令将焊缝与型钢，焊缝与底板分别粘接，实现型钢和底板通过焊缝传递荷载，模拟真实受力情况。

图4　有限元模型

模型边界条件为约束底板螺栓垫板区域内所有节点的3个平动自由度，模拟柱脚实际约束条件，在H型钢悬臂柱一侧翼缘施加单位均布荷载模拟支柱风荷载，在支柱接触线高度处施加集中力模拟线索风荷载。

为验证有限元模型正确性，选取截面HW240×240×10×17型钢，柱高7.5 m，在侧面施加单位均布压力进行计算。选取距柱底1.0、3.0、5.0 m三处截面，计算截面最大正应力σmax和最大剪应力τmax，分别与材料力学理论解进行对比，结果见表1。均布HW240×240×10×17型钢，柱高7.5 m，在侧面施加单位均布压力进行计算。选取距柱底1.0、3.0、5.0 m三处截面，计算截面最大正应力σmax和最大剪应力τmax，分别与材料力学理论解进行对比。均布压力时，σmax出现在受拉翼缘外侧，最大误差为2.41%，τmax出现在腹板中央，误差为0，应力分布和数值均与理论相符，从而验证了有限元模型的正确性和精度。

表1　理论解与数值解对比

1.3热点位置

H型钢截面剪力主要由腹板承担，弯矩主要由上下翼缘承担，柱脚弯矩对热点应力的大小起主要控制作用。风荷载作用时，热点位置在受拉翼缘两端外侧与底板熔透坡口焊缝上边缘焊趾处，由本文计算结果可知，改变型钢规格和支柱高度，发现热点位置不发生变化，热点位置及支柱主应力分布见图5。

图5　应力云图

2疲劳寿命分析

接触网是电气化铁路所特有的向电力机车提供电能且无备用的供电设备，沿铁路上空架设。接触网支柱主要用来支撑接触网，承担接触荷载和支持装置的负荷，是供电的必备设施，关系到整个供电系统稳定性和列车运营的安全性。

兰新高铁新疆段途经烟墩、百里、三十里、达坂城四大戈壁风区，总长462 km，占新疆段铁路总长的65%，是我国乃至世界上铁路风灾最严重的地区之一，部分区段年均大于8级大风的天气达208 d。其中百里风区、三十里风区的风力最大风速60 m/s，相当于17级大风。《钢结构设计规范》(GB50017—2003)[8]规定：直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数N≥5×104次时，应进行疲劳计算。因此，需要对兰新高铁H型钢接触网支柱在风荷载作用下的疲劳性能进行分析，计算其疲劳寿命。

2.1风荷载计算

《铁路电力牵引供电设计规范》(TB10009—2005)[9]规定了2种设计风速，一是风偏设计风速，用于检验结构挠度，二是结构设计风速，用于校核结构的强度。本文采用风偏设计风速进行疲劳寿命计算。荷载包括支柱本身风荷载和线索风荷载(接触线、承力索、回流线、供电线及加强导线等)。

《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)[10]规定，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值表达式如下

(1)

式中wk——风荷载标准值，MPa；

βz——风振系数；

μs——风荷载体型系数；

μz——风压高度变化系数；

w0——基本风压。

2.2疲劳寿命计算

S-N曲线是疲劳寿命估算的关键，国际焊接学会规范[12]针对不同焊接细节定义热点应力寿命曲线(Shot-N)，Shot-N的表达式如下

(2)

式中N——疲劳寿命，次；

Δσ——应力幅，MPa。

熔透坡口焊缝m=3，N=2×106次，Δσ=125 MPa，得loga=21，通过计算热点应力即可得到焊缝的疲劳寿命。

4种常用H型钢接触网支柱规格分别为HW240×240×10×17、HW260×260×10×17.5、HW280×280×10.5×18、HW300×300×11×19，柱高7.5～11.0 m。选择上述4种规格型钢，以柱高H作为参数，进行风荷载作用下柱脚连接焊缝的疲劳寿命计算，结果见图6。

焊缝疲劳寿命的变化范围为162～263万次。随着型钢截面的增大，热点应力减小，疲劳寿命增加，增幅在23%左右，柱高不同时疲劳寿命具有相似的变化规律。随着柱高增加，荷载增加，热点应力变大，疲劳寿命减小，降幅在21%左右，型钢规格变化时疲劳寿命具有相似的变化规律。

3结论

以H型钢接触网支柱为分析模型，采用国际焊接学会的热点应力表面两点线性外推法对柱脚连接焊缝在风荷载作用下的疲劳性能进行分析，得到以下结论：

图6　N-H关系

(1)改变型钢规格和支柱高度，发现热点位置不发生变化，在受拉翼缘外侧与底板熔透坡口焊缝上边缘焊趾处；

(2)随着型钢截面的增大，疲劳寿命增加，增幅在23%左右；疲劳寿命随着支柱高度增加而降低，降幅在21%左右；

(3)接触网支柱柱脚连接焊缝疲劳寿命的变化范围为162～263万次；

(4)大风地区的H型钢支柱进行设计时，需要计算风荷载作用下的疲劳寿命，建议选择大截面型钢，并定期检查热点位置的裂纹开展情况。

参考文献：

[1]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2003.

[2]刘卜精.弯扭联合作用下双轴对称工字形悬臂梁的整体稳定研究[D].长沙：湖南大学，2008.

[3]孙飞飞，杨芳，李国强，等.高强热轧H型钢悬臂梁低周反复试验研究[J].工业建筑，2012，42(1)：46-50.

[4]韩庆华，陈志钢，芦燕.铸钢节点环形对接焊缝热点应力分析[J].建筑结构学报，2011，32(12)：250-256.

[5]葛娟，靳慧.铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命估算与细节设计[J].钢结构，2008，23(10)：26-31.

[6]张昊，谢强.电气化铁路接触网风致舞动研究现状与进展[J].铁道标准设计，2015，59(9)：145-148.

[7]周张义，李芾.基于表面外推的热点应力法平板焊趾疲劳分析研究[J].铁道学报，2009，31(5)：90-96.

[8]中华人民共和国建设部.GB 50017—2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[9]中华人民共和国铁道部.TB 10009—2005铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50009—2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[11]刘峰涛.接触网设计风速的取值[J].电气化铁道，2005，15(6)：28-31.

[12]国际焊接学会.国际焊接学会规范.国际焊接学会关于焊接构件疲劳分析中应力确定的第12份和第15份说明[S].阿宾顿，英格兰：阿宾顿出版社，1992.

收稿日期：2015-10-08； 修回日期：2015-10-19

基金项目：国家自然科学基金面上项目(51178307)

作者简介：张晨阳(1989—)，男，硕士研究生，主要从事钢结构疲劳方面的研究，E-mail：707213072@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)06-0117-04

中图分类号：U225.4+2

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.024

Fatigue Behavior Analysis of H-section Steel Pole of OCS under Wind Load

ZHANG Chen-yang1，LU Yan1

(1.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2.Key Laboratory of Coast Civil Structure and Safety of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China.)

Abstract：H-section steel pole of OCS (overhead contact system) is widely used in high-speed railway. Under long wind load，Fatigue failure of the pole may happen. A numerical model is established and analysis of hot spot stress of weld’s fatigue behavior of the pole under wind load is conducted based on surface extrapolation method. The H-section steel pole of OCS used in Lanzhou-Urumqi high-speed rail is introduced to calculate the fatigue life of pole weld under wind load. The results show that the location of hot spot stress remains unchanged and fatigue life increases by 23% with the increment of the section of the pole，but decreases by 21% with the increment of the pole height．

Key words：OCS; H-section steel pole; Pole base weld; Wind load; Hot spot stress; Fatigue life