接触网系统抗震减震措施浅析
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摘要：接触网系统在抗震设计方面缺乏系统性的规范和标准，目前通常采用的接触网系统抗震设计方法由于在简化计算模型、输入反应谱或地震波方式、分析方法及计算结果等方面存在不确定性，无法准确预测接触网系统的破坏模式和薄弱位置。本文结合接触网系统在地震作用下的震害及抗震研究成果，从接触网系统、零部件、支柱、基础等方面对接触网系统提出系列抗震措施，以提升接触网系统的抗震性能；同时提出在补偿坠砣处增设耗能设施的减震措施，降低接触网系统的地震响应，有效提升电气化铁路防灾能力。
关键词：接触网系统；震害；抗震减震措施
0引言
牵引供电接触网系统是一种沿铁路线路架设的露天、无备用复杂架空系统，除了承受电力机车受电弓的反复冲击外，还要抵抗地震、狂风、暴雪等偶然荷载作用，因此成为牵引供电系统的相对薄弱环节。我国5·12汶川大地震中，宝成线、成渝线、达成线等线路出现接触网支柱倾斜、基础开裂、定位器偏斜、电连接松弛、接触网参数不满足列车运行要求等地震破坏，影响震后应急救援且恢复工作量较大。受日本3·11大地震影响，日本新干线多处接触网支柱出现倾斜、倒伏，接触网零部件出现断裂等破坏，造成日本新干线全线停运数日。目前，国内外现行规范、标准均未给出接触网系统抗震设计方法，而我国又是一个地震频发的国家，研究接触网系统的抗震设计方法，提高接触网系统的抗震性能尤为重要。目前接触网系统的抗震设计多采用建立单柱单（多）质点的有限元模型，输入反应谱或典型地震波的方式进行单支柱地震响应分析。由于接触网系统是一个由多根支柱、腕臂、导线、零部件等组成的复杂耦合结构，将接触网系统简化为单柱模型的准确性、反应谱或地震波输入的合理性、单柱计算结果的可靠性均需通过试验进一步验证。由于接触网系统抗震设计中计算模型、反应谱或地震波、分析方法等存在不确定性，抗震设计难以准确预测接触网系统的破坏模式和薄弱位置，因此进行接触网系统的抗震设计不能完全依赖仿真计算。
1接触网系统抗震措施
接触网沿铁路线路架设，主要由导线、接触网零部件、支柱、基础组成，其中导线作为电力机车受电弓直接摩擦接触取流的重要部件，其平顺性、稳定性、可靠性直接决定机车取流质量，而接触网零部件、支柱、基础作为支撑导线的受力结构，其强度、稳定性直接决定接触网系统的可用性、可靠性及耐久性，因此接触网系统参数选取的合理性，接触网零部件、支柱、基础设计的全面性均决定接触网系统在地震作用下的响应强度。本文根据接触网系统在地震作用下的破坏模式及抗震研究成果，针对接触网系统、零部件、支柱及基础提出一系列抗震、减震措施用于指导工程设计，从而提高接触网系统的抗震性能，降低接触网系统的地震响应。
1.1接触网系统抗震措施
接触网系统是由“导线-零部件-支柱-基础”等组成的复杂耦合结构，其系统特性、张力组合、跨距、路基设置等系统参数均会严重影响接触网系统的抗震性能。结合接触网系统抗震研究成果，在进行接触网系统抗震设计时应考虑以下措施：（1）当接触网支柱位于桥梁区段或隧道区段时，桥墩顶帽（梁面）或隧道衬砌作为接触网支柱的基础，其输出的地震响应为接触网系统的地震作用输入。为避免接触网系统与桥梁、隧道结构发生共振，造成接触网系统的地震响应增大，在进行接触网系统设计时应避免与桥梁、隧道结构自振周期接近。（2）接触网系统跨中部位在地震作用下沿着主震方向的横向位移及竖向位移较初始状态明显增大，在进行接触网系统抗震设计时，可通过合理增大接触线、承力索张力，适当降低跨距等措施，提高接触网系统的刚度、降低接触网系统外荷载，从而达到降低接触网系统地震响应的目的。（3）在地震作用下，接触网补偿坠砣具有明显的竖向振动，从而引起接触网张力变化，因此在高地震烈度区进行接触网设计时应合理地对接触网补偿装置采取减震措施，避免竖向振动过大造成接触网系统破坏。（4）在设置供电线支柱时，其路径及位置应避开在地震时易出现滑坡、地裂及断裂段区段，若无法避开断裂段则应避开可能发生地表错位的地段，若也无法避免时，则应结合场地类别对不良地基进行及时处理。
1.2接触网零部件抗震措施
接触网零部件是支撑接触网系统的关键部件，从我国汶川地震、日本3·11地震引起接触网系统震害来看，接触网零部件在地震作用下易发生腕臂和定位器偏斜、电连接松弛等破坏，在进行接触网零部件抗震设计时应采取以下措施：（1）接触网系统振动台试验及相关分析研究结果表明，接触网腕臂的最大应力均分布在节点处，尤其是在双向地震作用下腕臂系统的最大应力明显增大。因此，在进行接触网腕臂抗震设计时，应合理优化腕臂构件之间的连接，同时可采取适当增大管径、提高材质性能等措施，避免腕臂结构节点在地震作用下发生破坏。（2）目前接触网定位器多采用钩环连接，在地震作用下定位器会发生来回震荡，钩环之间可能出现间隙甚至松脱的情况，因此在高地震烈度区的定位装置应尽量避免采用钩环连接。
1.3接触网支柱抗震措施
接触网支柱作为支持电气化铁路接触网的重要设备，其在地震作用下的安全性、稳定性直接影响接触网系统的安全可靠性、弓网动态受流质量及工程投资[1～3]。（1）从我国5·12汶川地震、日本3·11地震等历次接触网系统震害来看，接触网混凝土支柱在地震作用下易发生底部弯曲破坏（如图1所示），从而导致接触网支柱发生开裂、倒伏等，而钢结构支柱则破坏较少[4]。因此，在抗震设防烈度较高地区，接触网支柱建议采用抗震性能较好的钢支柱，且采用的钢材的实测屈强比不大于0.85；为保证接触网钢支柱在地震作用下具有良好的延性，选用的钢材应有明显的屈服平台。（2）由于地震主震方向不确定，且在地震作用下接触网支柱竖向作用明显，因此在抗震设防烈度较高地区接触网支柱宜采用中心对称截面，避免采用不对称截面导致抵抗能力较弱截面发生破坏。（3）接触网支柱设计使用年限一般为50年，其抗震设防目标根据《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）[5]规定应满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准要求，根据接触网支柱的抗震设防目标及接触网系统的重要性，在进行接触网支柱抗震性能设计时，其塑性耗能区的抗震承载性能等级应满足“多遇地震不坏，设防地震满足使用功能要求，罕遇地震较小变形”的性能化设计要求，且接触网支柱的性能系数应不小于0.55。
1.4接触网基础抗震措施
接触网基础作为整个接触网系统最下部的关键部位，承担着将整个接触网系统荷载传递给地基的重任。从我国、日本等地多次地震中接触网系统以及电力设施震害来看，在地震作用下，场地液化、地基不均匀沉降等易引起接触网支柱基础移位、变形，进而造成支柱倾斜、倒塌等破坏，在进行接触网基础抗震设计时可采取以下抗震措施：（1）在开展接触网基础抗震验算时，荷载组合应采用地震作用下的标准组合，且地基的抗震承载力需考虑调整系数，该系数可取1.3。（2）若接触网基础下部存在砂土层或粉土层，在地震作用下易发生地基液化，在易发生地基液化区段需采取适当处理措施。根据《建筑抗震设计规范》[5]中4.3.6条规定，当地基存在液化土层时需根据上部结构的不同抗震设防类别选用不同的液化处理措施，因此需先确定上部接触网结构的抗震设防类别。但目前没有规范、标准明确规定接触网系统抗震设防类别，与其相似现行规范对抗震设防类别的规定如下：a.《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223—2008）[6]规定，供电、供水建筑以及城市轨道交通供电、通风设施按照重点设防类别考虑。b.《电力设施抗震设计规范》（GB50260—2013）[7]规定，国家生命线工程中的输供电建筑物按照重点设防类考虑。接触网系统作为电气化铁路的能量来源，是保证列车正常运行、震后救援的关键系统，若发生地震破坏，震后短期内很难完全恢复，因此属于铁路系统的生命线工程。结合上述现行规范相似结构抗震设防类别规定，并考虑接触网系统的重要性及服役性能，建议接触网系统抗震设防类别按照重点设防类考虑。结合接触网系统的抗震设计类别并根据《建筑抗震设计规范》要求，接触网系统在液化土地区其抗液化措施按照如下原则处理：（1）当地基液化等级较低或中等时，可对基础或上部结构进行加强处理，无需对液化土层进行消除处理，具体抗震措施建议：①接触网基础根据液化土深度选取合适的基础埋深，并适当增大接触网基础的刚度，液化土区段可采用增大基础截面提高接触网基础刚度、减少基础埋深的方式保证基础距液化土层的距离；②采用减小跨度等方式适当降低液化土区段上部接触网荷载；③在有液化土区段，接触网支柱可采用对称截面的钢支柱，增强上部结构的刚度，从而减小地基土液化产生的影响。（2）针对地基液化等级严重区段，可采用非液化土换填全部液化土的方式达到全部消除液化的效果，也可采用增厚非液化土层厚度的方式进行处理。（3）目前接触网基础一般采用直埋形式（如横腹杆）和带法兰形式（如钢柱、混凝土圆杆等）基础，为提高地震后接触网支柱的更换效率，位于路基区段的接触网支柱与基础之间宜采用法兰（地脚螺栓）连接方式，便于出现地基不均匀沉降后的基础处理及支柱更换；此时接触网基础预埋地脚螺栓的有效埋深需考虑修正系数，确保预埋螺栓在地震作用下的有效性，修正系数可取1.15。对于位于桥梁、隧道等土建构筑物上的接触网支柱基础，宜采用土建预埋形式，且土建预埋件的有限埋深也应按照路基区段进行修正。
2接触网减震措施
在地震作用下，接触网补偿坠砣具有明显的竖向振动，从而引起接触网张力进一步变化。从动力学的角度分析，整个接触网系统存在若干腕臂的刚体转动、线索舞动和坠砣振动等耦合问题，属于多体动力学的范畴。由于线索具有质量轻、阻尼小、柔性大的特点，在地震荷载激励下腕臂的刚体转动极易引发线索的大幅振动，大幅度的线索舞动又会激发补偿坠砣剧烈的上下振动，进而引起附加惯性力，增大接触网支柱、基础的地震响应，同时导致与补偿坠砣相连的线索张力发生改变，以致线索的弛度发生显著变化，从而进一步加重导线的舞动、支柱的地震响应。综上所述，“坠砣-线索-腕臂-支柱”之间存在强烈的耦合作用[8]，在地震作用的激励下，极易激发坠砣、线索、腕臂的强烈振动，从而增大接触网系统的地震响应。为降低接触网系统在地震作用下的地震响应及振动，可在补偿坠砣处增设耗能装置，为补偿坠砣提供阻尼，降低补偿坠砣的振动，改善接触网系统的耗能特性，从而达到降低接触网系统在地震作用下的动力响应。
3结语
由于接触网系统是“导线-腕臂-坠砣-支柱-基础”耦合的复杂结构，目前抗震设计方法无法准确预测接触网系统破坏模式。本文结合接触网系统在地震作用下的震害及抗震研究成果，从接触网系统、零部件、支柱、基础等方面提出接触网系统系列抗震措施，并提出在补偿坠砣处增设耗能装置的减震措施，从而达到提高接触网系统的抗震性能、降低接触网系统的地震响应的目的，最终提升电气化铁路的防灾减灾能力。
作者:陈奋飞 杨佳 葛洪林 陈可 单位:中铁二院工程集团有限责任公司