電氣化鐵路接觸網(wǎng)支柱選型研究

雷偕

摘要：接觸網(wǎng)支柱是電氣化鐵路非常重要的受力構(gòu)件，是一種無備用的戶外供電支持裝置。接觸網(wǎng)支柱經(jīng)常受冰、風(fēng)、雨、雪等惡劣氣象條件的影響，一旦發(fā)生故障或事故將直接影響列車的運行，因此其選型設(shè)計首先要考慮其結(jié)構(gòu)受力的安全可靠性，同時還要考慮結(jié)構(gòu)的簡單輕巧、材料利用、關(guān)聯(lián)工程投資的經(jīng)濟性，最后還要兼顧施工、方便運營維護(hù)及特殊環(huán)境的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)支柱;選型設(shè)計;可靠性;經(jīng)濟性;特殊性

一 前言

目前，鐵路已經(jīng)是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊豁棧绕涫歉哞F已經(jīng)成為中國經(jīng)濟高速發(fā)展、國力強盛的一張高含金量的名片，其運營里程已經(jīng)超過全世界其他國家的總和。高含金量體現(xiàn)在什么地方？靠我們以前60km/h的柴油牽引顯然沒有說服力，其高含金量主要是指在高速行進(jìn)中的輪軌系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。作為火車能量來源的牽引供電系統(tǒng)是其中的重要一環(huán)，其中接觸網(wǎng)支柱是牽引供電系統(tǒng)的基石，是保證鐵路安全、穩(wěn)定運行的前提，因此選用一種適合鐵路項目實際情況的支柱是非常重要的。

國外鐵路設(shè)計工作者對接觸網(wǎng)支柱選型設(shè)計做了大量的研究工作，包括很多理論研究和試驗，但他們沒有對某一等級的鐵路規(guī)定相對應(yīng)的支柱型號。國內(nèi)對支柱選型也做了一些工作，我國鐵路行業(yè)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)原文規(guī)定如下：“設(shè)計速度200km/h及以下線路，路基段腕臂柱宜采用橫幅桿式預(yù)應(yīng)力混凝土支柱，橋梁上腕臂柱宜采用格構(gòu)式或?qū)嵏故戒撝?設(shè)計速度250km/h的線路，路基段腕臂柱宜采用環(huán)形等徑預(yù)應(yīng)力混凝土支柱，橋梁上腕臂柱及車站線間立柱可采用鋼管支柱或H形鋼支柱;設(shè)計速度300km/h及以上線路，腕臂柱宜采用H形鋼支柱?！?/p>

二 接觸網(wǎng)支柱類型

目前常用的鐵路接觸網(wǎng)支柱類型主要有預(yù)應(yīng)力混凝土支柱和鋼結(jié)構(gòu)支柱兩大類：預(yù)應(yīng)力混凝土支柱主要有橫腹桿式預(yù)應(yīng)力混凝土支柱、環(huán)形等徑預(yù)應(yīng)力混凝土支柱;鋼結(jié)構(gòu)支柱主要有格構(gòu)式鋼柱、鋼管支柱、雙槽鋼鋼柱、H型鋼柱。

2.1? 橫腹桿式預(yù)應(yīng)力混凝土支柱

橫腹桿式預(yù)應(yīng)力混凝土支柱即我們常說的“方桿”，它是我國電氣化鐵路的第一種接觸網(wǎng)支柱。該支柱結(jié)構(gòu)型式簡單，容量一般為38～170 kN·m，造價較低。缺點是自身重、垂直于線路方向尺寸較大，需要占用較大的路基寬度，運輸安裝不便、外觀不太美觀且順線路方向承載力較小，使用范圍受到限制。

2.2? 環(huán)形等徑預(yù)應(yīng)力混凝土支柱

環(huán)形等徑預(yù)應(yīng)力混凝土支柱即我們常說的“圓桿”，該支柱受力無方向性，容量一般為60～140 kN·m，適用于做腕臂柱，其缺點是自身重、運輸安裝不便、縱裂問題目前尚未得到較好的解決、運輸安裝過程中易受振動或碰撞折損。

2.3? 格構(gòu)式鋼柱

格構(gòu)式鋼柱的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良，材料布置合理，可根據(jù)具體使用場合設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)型式，方便靈活。支柱底部設(shè)法蘭盤，通過地腳螺栓與基礎(chǔ)連接，安裝方便。格構(gòu)式鋼柱的容量跨度范圍很大，在路基、橋等場合均可使用。但外形尺寸一般為600 mm×400 mm～1200 mm×800 mm（垂直線路方向尺寸×順線路方向尺寸），占用較大空間，目前常用的容量范圍為80～600 kN·m。

該結(jié)構(gòu)桿塔由于組合桿件多，所以下料、放樣、焊接、防腐等制造工藝比較復(fù)雜。若采用整體焊接，則受鍍鋅槽的限制，需分段鍍鋅后再焊接噴鋅，會形成防腐薄弱點;若采用法蘭分段連接，撓度較大。

2.4? 環(huán)形截面鋼管柱

環(huán)形截面鋼管柱結(jié)構(gòu)型式可采用等徑或錐形（錐形鋼管柱在地鐵項目中應(yīng)用較多），外形美觀，截面尺寸小。單腕臂柱直徑一般可控制在300 ～ 350 mm 范圍，質(zhì)量較輕。可采用無縫鋼管或壓力機或卷板機加工鋼板成型，埋弧自動焊接，制造簡單，機械化程度高，質(zhì)量容易控制。但設(shè)備和模具一次性投資較大。若采用市場上的管材（無縫鋼管）加工，則設(shè)計上受管材長度規(guī)格的限制。

該支柱抗彎及抗扭強度和剛度較大，環(huán)形截面的扭轉(zhuǎn)慣性矩為其抗彎慣性矩的2 倍，一般不需檢驗其抗扭強度，作錨柱時可不打拉線。其采用杯型基礎(chǔ)時，可直接埋入基礎(chǔ)中;采用預(yù)置地腳螺栓基礎(chǔ)時，支柱底設(shè)法蘭盤，法蘭盤為圓形或方形，螺栓對稱布置，安裝方便。

2.5? 雙槽鋼鋼柱

雙槽鋼支柱外形簡潔，截面尺寸小，質(zhì)量較輕，目前在國內(nèi)鐵路項目中未運用，但在西班牙、德國、俄羅斯鐵路項目中應(yīng)用較多。目前使用的容量范圍為80～200 kN·m。

雙槽鋼鋼柱綜合了格構(gòu)式鋼柱與型鋼柱的部分優(yōu)點，自重輕、尺寸較小、易于加工和運輸。

2.6? H型鋼柱

該支柱截面尺寸一般為240 mm×240 mm ～300 mm×300 mm（垂直線路方向尺寸×順線路方向尺寸）。由于采用型鋼制造簡單，只需將型鋼做焊接底板及防腐處理即可。

立柱與環(huán)形截面鋼管柱類似，基礎(chǔ)可采用杯型基礎(chǔ)或預(yù)置地腳螺栓基礎(chǔ)，安裝方便，支柱上下截面一致，裝配簡單，外形美觀。

該柱抗彎強度和剛度較大，但抗扭強度與剛度較小，其扭轉(zhuǎn)慣性矩約為抗彎慣性矩的1/（100～250），設(shè)計時應(yīng)對其抗扭性能進(jìn)行核算，用作轉(zhuǎn)換柱及錨柱時尤應(yīng)注意，支柱高度較大時穩(wěn)定性相對較差，一般用作腕臂柱。

三 接觸網(wǎng)支柱選型設(shè)計

接觸網(wǎng)支柱類型很多，如何對一個鐵路項目進(jìn)行合理的支柱選型設(shè)計是一個嚴(yán)肅的極其重要的問題。我國對接觸網(wǎng)支柱也做了些研究工作，但都不夠深入，大部分設(shè)計者都是照搬相關(guān)規(guī)范;有些對支柱選型的論文也沒有跳出規(guī)范的束縛。個人覺得單純從鐵路項目速度等級來對接觸網(wǎng)支柱選型太片面，而應(yīng)考慮項目速度等級、項目所處地區(qū)及支柱所處區(qū)段等因素從可靠性、經(jīng)濟型、特殊性等綜合研究。

3.1? 可靠性

接觸網(wǎng)支柱可靠性最基本要求即為支柱的容量須滿足本工程要求。

接觸網(wǎng)懸掛基本容量計算（以直供方式的中間柱懸掛為例）如下：

水平力方向：實線為曲線外側(cè)中間柱;虛線為曲線內(nèi)側(cè)中間柱。

根據(jù)選用的腕臂、絕緣子型號確定。

c.附加導(dǎo)線重量

根據(jù)選用的肩架、絕緣子型號確定。

3）直線中間柱彎矩計算

式中：H1——接觸線距基礎(chǔ)面高度;

H2——承力索距基礎(chǔ)面高度;

HF——附加導(dǎo)線距基礎(chǔ)面高度;

基礎(chǔ)面——對混凝土柱為地面;對鋼柱為基礎(chǔ)面。

H4——支柱高度之半;

Z =C X +B——懸掛中心與支柱中心的距離;

C X——側(cè)面限界;

B——支柱寬度（軌面處）之半;

C——受電弓中心與線路中心的偏移;

a——曲線拉出值;

Z F——附加導(dǎo)線與支柱中心的距離。

4）曲線外側(cè)中間柱彎矩計算

式中：Z X =C X +B+C-a——懸掛中心與支柱中心的距離;

5）曲線內(nèi)側(cè)中間柱彎矩計算

式中：Z X =C X +B-C+a——懸掛中心與支柱中心的距離;

3.2? 經(jīng)濟性

由于接觸網(wǎng)支柱類型較多，支柱自身的成本是設(shè)計需要考慮的重要因素之一：混凝土柱價格便宜，但容量相對較小，且混凝土柱生產(chǎn)廠家技術(shù)水平參差不齊，容易造成運行事故;格構(gòu)式鋼柱價格適中，容量大，但截面尺寸較大，對路基面的寬度要求較大，適用于路基寬度較大的線路;H型鋼柱與鋼管柱容量相對較大，截面較小，但價格昂貴?？梢钥闯龈鞣N類型的支柱有利也有弊，導(dǎo)致在選用過程中受限制因素太多。比如，在設(shè)計中，需要用的容量較大，但路基寬度很小，應(yīng)用不了目前國內(nèi)用得較多的角鋼格構(gòu)式支柱，就只能選用H型鋼柱或等徑鋼管柱，但單根價格又太貴，造成全線造價大幅度增加。所以討論經(jīng)濟性應(yīng)從支柱材料及加工的自身投資、運費及對相關(guān)工程的附加投資等綜合考慮。

以一段400km鐵路工程為例（其中200km路基、100km T梁橋、100km隧道），作一個簡單的比較分析：

1.單根接觸網(wǎng)支柱價格比較（鋼材單價參考《鐵路工程建設(shè)主要材料價格信息【二0一四年第二季度】》）

2.工程綜合比較

方案一：路基區(qū)段接觸網(wǎng)支柱采用橫腹桿H78，最大跨距60m。

T梁橋區(qū)段接觸網(wǎng)支柱采用格構(gòu)式鋼柱G120/12，下錨柱采用G120-450/12.5，跨距32.5m。

方案二：路基區(qū)段接觸網(wǎng)支柱采用普通雙槽鋼鋼柱Gc80/9，最大跨距60m。T梁橋區(qū)段接觸網(wǎng)支柱采用普通雙槽鋼鋼柱Gc120/12，下錨柱采用G120-450/12.5，跨距32.5m。

方案三：路基區(qū)段接觸網(wǎng)中間柱采用特型雙槽鋼鋼柱Gcr80/9，最大跨距60m。T梁橋區(qū)段接觸網(wǎng)采用特型雙槽鋼鋼柱Gcr120/12，下錨柱采用G120-450/12.5，跨距32.5m。

三種方案詳細(xì)比較如下（其中路基、橋梁增加投資是相對方案三增加的部分;支柱價格已包含安裝費）：

從上表可以看出，方案三比方案一節(jié)省工程總投資1.172億元;方案三比方案二節(jié)省工程總投資0.791億元，方案三為經(jīng)濟性最優(yōu)方案。

3.3? 特殊性

1.溫差變化很大的地區(qū)不宜選用預(yù)應(yīng)力混凝土等徑支柱

由于預(yù)應(yīng)力混凝土其自身構(gòu)造特點容易產(chǎn)生縱向裂縫，溫度應(yīng)力也是其中一個的重要原因。支柱在后期環(huán)境溫度變化時，會在表面引起較大的拉應(yīng)力進(jìn)而引起支柱逐漸產(chǎn)生縱裂。

2.高腐蝕環(huán)境地區(qū)不宜選用碳素鋼材質(zhì)的封閉式鋼管柱

部分沿海、過江隧道等高溫、高濕、高鹽等強腐蝕熱帶溫潤型環(huán)境地區(qū)，受氣流沖刷的影響，大氣中強腐蝕介質(zhì)（Cl-等）通過鋼柱鍍鋅工藝孔內(nèi)壁并附著聚集，引起支柱發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。

由于腐蝕從封閉式鋼管柱內(nèi)部開始，由內(nèi)而外急劇發(fā)展，前期階段不易發(fā)現(xiàn)，一般待發(fā)現(xiàn)時已銹穿管壁，給鐵路運行造成嚴(yán)重事故。

3.受扭矩工況作用不宜選擇開口型支柱

相同荷載情況下，支柱抗扭性能與支柱型式及截面有很大關(guān)系。閉口型支柱（即鋼管柱）抗扭性能遠(yuǎn)優(yōu)于開口型支柱。

4.嚴(yán)寒環(huán)境下不宜選用焊點多的格構(gòu)式鋼柱

5.高地震烈度區(qū)不宜選用自重大的混凝土支柱

6.山區(qū)供電線支柱不宜選用自重大的支柱

四 結(jié)論及發(fā)展建議

《孫子兵法》曰：“水因地而制流，兵因敵而制勝。故兵無常勢，水無常形，能因敵而制勝，謂之神?！?接觸網(wǎng)支柱選型研究是一個復(fù)雜的課題，需要根據(jù)各項因素綜合考慮，其可靠性、經(jīng)濟性及特殊適用性都是優(yōu)選的結(jié)果才是一個優(yōu)秀的接觸網(wǎng)支柱選型設(shè)計。當(dāng)然，接觸網(wǎng)支柱本身也需要緊緊追隨時代的進(jìn)步、科技的發(fā)展，如自身比重輕且防腐性能優(yōu)異的玄武巖纖維材料支柱、內(nèi)嵌信息傳導(dǎo)功能的智能化支柱等都是現(xiàn)今接觸網(wǎng)支柱的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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滇南鐵路建設(shè)指揮部