接觸懸掛吊弦長度的非線性有限元分析.doc

天津大學碩士學位論文接觸懸掛吊弦長度的非線性有限元分析姓名周占學申請學位級別碩士專業(yè)結構工程指導教師畢繼紅20030601摘要本文對國家重點工程秦沈客運專線的接觸懸掛進行分析計算整體吊弦的精確下料長度和動力特性。接觸網屬于柔性懸掛結構用傳統(tǒng)的計算方法要進行精確計算是困難的。有限元法是結構分析計算的有力工具但在懸掛結構計算中應用較少本文將接觸網按照索結構原理建立計算模型用非線性有限元方法建立方程解決了吊弦長度的計算問題。本文算例表明非線性有限元方法是對接觸懸掛進行分析的有力工具只要建立接觸懸掛的剛度矩陣和質量矩陣就可以對接觸網的吊弦長度進行準確的計算這是傳統(tǒng)的計算方法難以做到的。與傳統(tǒng)的簡化方法比較起來用非線性有限元方法計算的結果更為精確可大大提高施工下料的準確性減少材料浪費對我國電氣化鐵路的高速化有重要的意義。另外本文用軟件分析了接觸懸掛的動力特性得出了其前階自然頻率和振型并且得出了一些有益的結論。最后本文提出了一種簡化計算吊弦長度的方法該方法在工程預算中有一定的意義。關鍵詞有限元非線性懸索結構接觸網吊弦長度振動自然頻率振型高速鐵路、血血獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研究成果除了文中特別加阻標注和致謝之處外論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果也不包含為獲得盤生盤鱟或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學位論文作者簽名虱占耄簽字目期如。歹年厶月日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解叁鲞盤鱟有關保留、使用學位論文的規(guī)定。特授權苤鲞盤莖可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。保密的學位論文在解密后適用本授權說明勻貿學位論文作者簽名巧占鼉導師簽名簽字日期多。了年月?日簽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為主要的受力構件這些索按照一定規(guī)律組成各種不同形式的體系并懸掛在相應的支撐結構上一般稱這樣的結構體系為懸索結構。懸索結構具有節(jié)省材料、施工快捷、適應多樣化等特點特別適用于各類大跨度建筑國外應用十分廣泛。以懸索體系作為承重結構有著悠久的歷史。古代的帳篷式住屋就是懸掛屋蓋的雛形。我國人民早在一千多年以前已經用竹索或鐵鏈建成跨越河谷的懸索橋。隨著鋼材的利用現代化的大跨懸索橋開始出現并且從本世紀初以來取得了可觀的發(fā)展。但在房屋建筑方面從世紀年代開始懸索結構才取得較大進展。這一方面是由于日益增長的建造大跨房屋的實際需要另方面也是由于建筑材料、計算方法、建造技術等方面的問題不斷獲得解決、經驗不斷積累的結果。懸索結構之所以在大跨度建筑中得到日益廣泛的應用這與它自身的顯明特點分不開的?懸索結構通過索的軸向拉伸來抵抗外荷作用可以充分利用鋼材的強度。當采用高強度材料時更可大大減輕結構自重。因而懸索結構可以較經濟地跨越很大的跨度目前已成為大跨建筑的主要結構形式之一。?懸索屋蓋的施工比較方便。由于鋼索自重很小屋面結構一般也較輕因此安裝屋蓋時不需要大型起重設備。施工時不需要腳手架也不需要模板。因而與其他結構形式比較懸掛屋蓋的旖工費用相對較低。適合在工廠制作現場安裝。鋼索及其錨具可以在工廠集中制作然后到現場裝配完全適合現代化的裝配式作業(yè)極大地加快了施工進度。?懸索結構便于建筑造型適應多種多樣的平面圖形和外形輪廓。因而能較自由地滿足各種建筑功能和表達形式的要求。這也是建筑師們樂于采用這種結構形式的重要原因之一。然而懸索結構也存在一些缺陷如相對較大的變形、振動危險、給索旌加合適的錨固力難度較大。盡管這些缺點的存在懸索結構的運用仍然變得越來越流行它在各種建筑領域及機械結構設計領域如索傳輸設備等中獲得日益廣泛的應用。本文所討論的接觸懸掛就是屬于懸索結構的一種它在世界電氣化鐵路中被廣泛采用下面簡單介紹其概念。第一章概述懸掛接觸網概念懸掛接觸網概念當今高速鐵路風靡全球經專家論證高速鐵路的最佳牽引方式是電力牽引。接觸懸掛是向電力機車供電的重要設備架空接觸網一般通過支持裝置懸掛在列車上方通過其下方高速滑動運行的電力機車受電弓將從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機車從而使電力機車牽引列車運行。接觸網沿鐵路線架設結構比較復雜技術要求高。為保證機車高速受流的質量它必須具有很高的波動傳播速度、良好的穩(wěn)定性、理想的彈性均勻性。高速接觸懸掛包括接觸線、吊弦、承力索以及連接零件。其組成如圖其實際工作狀態(tài)如圖。接觸線圖一接觸懸掛組成圖接觸懸掛照片第一章概述接觸懸掛的類型接觸懸掛的種類較多?話愀萜浣峁溝牟煌殖杉虻喲液土蔥謂喲伊醬罄唷9?簡單接觸懸掛簡稱簡單懸掛系由一根接觸線直接固定在支柱支持裝置上的懸掛形式。國內外對簡單懸掛做了不少研究和改進。我國現采用的帶補償裝置的彈性簡單懸掛系在接觸線下錨處裝設了張力補償裝置以調節(jié)張力和弛度的變化。在懸掛點上加裝長的彈性吊索通過彈性吊索懸掛接觸線這就減少了懸掛點處產生的硬點改善了機車受流條件。另外跨距適當縮小增大接觸線的張力以改善弛度對受流的影響如圖卜。跨距圖一補償彈性簡單懸掛?鏈形懸掛的接觸線是通過吊弦懸掛在承力索上。承力索懸掛于支柱的支持裝置上使接觸線在不增加支柱的情況下增加了懸掛點利用調整吊弦長度使接觸線在整個跨距內對軌面的距離保持一致。鏈形懸掛減小了接觸線在跨距中間的弛度改善了彈性增加了懸掛重量提高了穩(wěn)定性可以滿足電力機車高速運行受流的要求。鏈形懸掛的性能比簡單懸掛得較好的改善但也帶來了結構復雜、造價高、施工和維修任務量大等許多問題。鏈形懸掛分類方法較多按懸掛鏈數的多少可分為單鏈形雙鏈形和多鏈形又稱三鏈形。目前我國多采用單鏈形懸掛。第一章概述圖一鏈型懸掛鏈形懸掛根據索線的錨定方式即索線兩端下錨的方式又可分為下列幾種方式未補償鏈形懸掛、半補償鏈形懸掛、全補償鏈形懸掛。高速接觸懸掛均采用全補償簡單鏈形懸掛。接觸導線采用硬拉銅、無接頭內包式鋼鋁導線區(qū)間腕臂柱主要采用型斷面的預應力鋼筋混凝土支柱如圖所示。在車站的接觸網支持裝置基本上采用軟橫跨。在低凈空隧道內廣泛采用硅橡膠絕緣子的人字形支承也有采用弓型支承裝置。接觸網直線區(qū)段的最大允許跨距一般不超過全補償鏈型懸掛的直線錨段長度一般不大于。懸掛接觸網吊弦我國傳統(tǒng)的接觸懸掛安裝方式比較粗放接觸線的高度位置采用人工現場調整的方式完成由于承力索的柔度以及接觸懸掛導線的溫度伸長影響使接觸懸掛調整工作十分繁重且調整結果難以達到預期效果調整工作年復一年、無窮無盡。這種安裝方式雖然滿足了我國普通接觸懸掛的運行需要但就高速接觸懸掛而言這種安裝方式是不可能滿足高速接觸懸掛高精度的安裝調整需要的已難以適應高速電氣化鐵路接觸網技術的要求?？梢哉f任何現場調整吊弦長度的吊弦結構形式都是不能實現高精度的安裝要求的因此必須從改變吊弦傳統(tǒng)結構型式入手采用整體式吊弦裝置。同時改變傳統(tǒng)的施工辦法用計算機預配預制吊弦長度來控制接觸導線高度以實現離精度的高速接觸懸掛的安裝調整。年鐵道部提出“商可靠、少維修”的電氣化鐵道第一章概述發(fā)展新要求后京鄭線、廣深線全線采用了整體吊弦這對改善受流質量、保持穩(wěn)定的弓網關系起到了重要作用。整體吊弦形式如圖一。本文涉及的是我國第一條鐵路客運專線秦沈客運專線它是陪三蕁我國目前綜合技術水平最先迸的電菌氣化鐵路具有我國鐵路史上的跨世紀鐵路建設標志性工程之稱起自于河北省秦皇島市的秦皇島站氘矗途經遼寧省的興城市、葫蘆島市、二霉連瑩錦州市、臺安縣、遼中縣止于沈飛礦每陽市的沈陽北站線路全長公里為國家級雙線電氣化鐵路。圖整體吊弦結構圖設計時速在以上其中從山海關至綏中試驗區(qū)段時速可達到。該工程對整體吊弦的施工誤差要求較高其中接觸線懸掛高度施工誤差跨中弛度誤差整體吊弦型號為一次壓接到位、不可調這就要求在吊弦安裝前必須對銀銅導線進行超拉以消除導線蠕變伸長對接觸懸掛的影響。以前現場調整吊弦長度的方法己無法滿足現行施工技術的精度需要。接觸網施工簡介因為懸索吊弦長度的計算與其施工過程有很大關系故將接觸網施工過程簡述如下。其施工過程可分為如下幾個步驟?承力索、接觸線帶張力架設如圖中心錨結墨壟查二二二歹才孓二二二接觸線圖一張力架設接觸線及承力索彳占虐皆第一章概述?將彈性吊索的中心臨時固定在套管鉸環(huán)上如圖套管鉸環(huán)彈性吊索二二二歹才二二二二圖臨時固定彈性吊索?彈性吊索向中錨方向展放緊固線夾如圖線哭、二二二二歹刁二二二圖展放彈性吊索?彈性吊索向補償側展放拉緊將線夾臨時固定如圖一彈性吊索一弋二弋二二圖拉緊彈性吊索?在下錨側安裝拉力計松開線夾吊索張力拉到規(guī)定值緊固線夾卸拉力計最后布置各個吊弦如圖接觸線圖一固定彈性吊索、布置吊弦一絲二蘭塑墮另外其施工過程照片如下圖圖一安裝吊弦懸索吊弦研究現狀圖安裝懸臂懸索吊弦長度是保證高速接觸懸掛安裝精度的基礎而吊弦長度計算是項繁重且十分精細的工作我國傳統(tǒng)的接觸網的計算方法如文獻多為假設接觸線自重負載通過吊弦均勻分布于承力索之上且沿跨距負載均勻分布再根據力的平衡原理建立關于吊弦長度的計算方程然后再考慮各種實際情況如張力差、補償器傳動誤差、跨距誤差、吊弦布置位置誤差、工程經驗等加以修正。該方法精度較低僅宜應用于低速鐵路的計算?？梢哉f由于歷史和現實的原因接觸網的吊弦計算多停留在經驗公式加現場調整的方法用現代的力學知識進行計算的寥寥無幾。有限元法是結構分析計算的有力工具但在懸掛結構計算中應用較少文獻介紹了離散索系的變分原理和單維直線索段的有限元模型文獻介紹了懸索結構的解析和離散計算方法及在工程中的應用情況。文獻用有限元法對索道一載荷系統(tǒng)的振動特性進行了分析計算。文獻用有限元計算懸索吊弦的長度計算接觸懸掛的初始狀態(tài)、抬升量和彈性系數并計算接觸懸掛的頻率和振型但是只研究了簡單鏈形接觸懸掛其接觸懸掛的剛度矩陣是線性的而非線性的帶有彈性吊索的鏈形接觸懸掛則沒有考慮。本文的主要工作本課題為受中鐵電氣化研究院所委托對國家重點工程秦沈客運專線的接觸懸掛進行分析計算其懸索吊弦的精確下料長度。秦沈客運專線第一次采用鎂銅合金第章概述接觸線第一次采用防腐性能好的字型和字型等徑鋼柱接觸網下部基礎由路基施工單位隨路基旌工整體施工接觸線材架設采用額定張力架設。其接觸網結構高度為受跨線建筑物凈空限制處的結構高度可適當降低但不得低于。正線、站線吊弦均為整體吊弦采用銅合金絞線試驗段為銅合金絞線彈性吊索采用銅合金鉸線長度張力。接觸網屬于柔性懸掛結構用傳統(tǒng)的計算方法要進行精確計算是困難的。有限元法是結構分析計算的有力工具但在懸掛結構計算中應用較少本文將接觸網按照索結構原理建立計算模型用非線性有限元方法建立方程解決了吊弦長度的計算問題。另外本文程序中采用語言編制程序中采用法與荷載增量法相結合的迭代方法求解非線性方程組。本文在懸索梁比擬法的基礎上發(fā)展了一種吊弦長度的簡化計算方法該法在工程預算中有一定的意義。另外本文用軟件分析了接觸懸掛的動力特性得出了其前階頻率和振型并且得出了一些有益的結論。本文算例表明非線性有限元方法是對接觸懸掛進行分析的有力工具立接觸懸掛的剛度矩陣和質量矩陣就可以對接觸懸掛的吊弦長度進行準確的計算。與傳統(tǒng)的簡化方法比較起來用非線性有限元方法計算的結果更為精確可大大提高施工下料的準確性減少材料浪費對我國電氣化鐵路的高速化有重要的意義。筇二蕈接觸懋掙绱構的非。線性有限元分析第二章接觸懸掛結構的非線眭有限元分析如前所述對于任何構件當其一個方向的尺寸遠遠大于其余兩個方向的尺寸并且斷面抗拉剛度也大于其彎曲剛度和剪切剛度時均可以稱為索。以索作為主要承載體系的結構稱為懸索結構懸掛結構實質上就是一種懸索結構。本文的懸掛結構是非線性很強的結構要正確分析結構的受力特性必須考慮其非線性因素。非線性問題一般可劃分為三類第一類為幾何非線性第二類為物理非線性第三類為接觸非線性。本文研究的接觸懸掛屬于幾何非線性問題。懸索結構的靜力分析有許多方法采用連續(xù)化方法可針對可某種特定索或某種特定荷載導出的解析解采用薄膜比擬法等這些計算和推導都比較復雜國內外學者已提出了一些近視計算方法如等效單索法、彈性地基粱法等。隨著計算力學的發(fā)展采用離散理論的假定應用有限單元法對懸索結構進行非線性分析的方法適應面更廣便于編制計算機程序。下面采用離散理論及最小勢能原理推導本文的懸掛結構有限元分析的相關公式?；炯俣ū疚膽覓旖Y構的非線性有限元計算理論基于以下假定?荷載及其他外部作用不隨時間變化?索不能承受彎矩和剪力作用?索單元處于彈性工作狀態(tài)彈性模量為常數即符合虎克定律?索斷面積為常數?索為完全柔性僅能承受軸向拉力?將索按節(jié)點離散化為索段每一索段為直線的受拉桿稱為索元?索段之間的節(jié)點為鉸接每個節(jié)點有三個自由度即它可能在三個方向產生線位移?外荷載作用在各個節(jié)點上研究表明以上假定是比較接近結構實際情況的。有限元公式的推導塑三要些堡莖絲絲塑苧垡絲塑墮重坌塑一現任取一個典型索單元如圖并規(guī)定其局部坐標系。一。軸的正方向為從到。體系的整體坐標系為假設時刻索元盯的兩端點在整體坐標系中的坐標分別為。五和。作用在節(jié)點、上的節(jié)點力為只、圪及匕、易、匕此時索單元礦處于平衡狀態(tài)。這時有一組節(jié)點力增圖索單元量、及。、口分別作用