粵東城際鐵路接觸網H型鋼柱選型

武 帥 楊 康

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司電通院，北京 100055）

0 引言

粵東城際鐵路是廣東省境內連接汕頭、揭陽、潮州的城際鐵路。廣東省粵東地區屬于亞熱帶海洋季風性氣候，雷電頻繁且常年遭受臺風的危害。目前粵東城際鐵路正在進行前期設計研究工作，接觸網H型鋼柱的選型，與項目投資及接觸網結構安全密切相關。該文結合項目實際氣象條件及工況，合理確定支柱高度、選取結構設計風速，最終確定接觸網H型鋼柱的選型。

1 H型鋼柱高度的確定

1.1 避雷線懸掛形式

根據調查，汕頭、揭陽、潮州地區年均雷暴日一般為60 d左右，地閃密度達到8.29 次/km2·a～8.91次/km2·a[1]。根據《鐵路電力牽引供電設計規范》（ TB 10009—2005）中的規定，粵東城際鐵路需設置獨立架空避雷線。

目前我國鐵路項目大部分通過在接觸網支柱的頂部增設1個增高支架來懸掛避雷線，如圖1所示。該方案主要存在2個風險：1） 增高的支架部分人工無法進行攀登，避雷線存在失檢失修的風險，影響了運營期間的安全性。2） 支架本體的抗風性能較差，支架在強風地區易損壞。綜合考慮避雷線架設的可靠性和可維護性，可以將H型鋼柱通體增高來懸掛避雷線，如圖2所示。

1.2 避雷線安裝高度

粵東城際鐵路接觸網采用直供加回流供電方式，避雷線對地高度較T線（承力索）一般高出1.5 m～2.0 m。如果避雷線高度選大了，就會增加支柱高度，使成本增加。因此，需要合理地確定避雷線的安裝高度，使其既能起到防雷的作用，又能節約投資。具體高差是否滿足要求，一般可以先確定合適的避雷線安裝高度，再用此高度去驗證承力索是否在避雷線的保護范圍內。該設計選取避雷線較承力索高為1.7 m，來驗算承力索是否在避雷線的保護范圍內。

1.3 驗算避雷線保護范圍

在我國建筑物的防雷設計中，推薦采用滾球法確定接閃器保護范圍。

滾球法是以保護半徑hr為半徑的1個球體，沿需要防直擊雷的部位滾動，當球體只觸及接閃器和地面，而不觸及需要保護的部位時，則該部分就得到了接閃器的保護。

按照《建筑物防雷設計規范》，采用滾球法驗算確定避雷線保護范圍時，城際鐵路接觸網可以按照一類建筑選取，保護半徑為30 m?；洊|城際鐵路上下行接觸網支柱分別架設避雷線，如圖3所示。

雙避雷線保護范圍計算示意圖如圖4所示[3]。

在AOB確定的軸線上距中心任一距離X處，其保護范圍上邊線的保護高度，如公式（1）所示[3]。

式中：hx為距O點距離為X處的被保護物高度；hr為保護半徑；h為避雷線安裝高度；D為兩避雷線間距。

粵東城際鐵路接觸網設計參數見表1。

表1 接觸網設計參數

根據公式（1），經過計算可知，承力索在X=2 m處，雙避雷線保護范圍hx=8.1 m。承力索對地高度為6.87 m，因此承力索可以被避雷線保護。

圖1 支架懸掛避雷線方案

圖2 支柱通體增高懸掛避雷線方案

1.4 支柱高度的確定

如圖3所示，在綜合考慮避雷線肩架厚度及接觸網支柱基礎高度并取整后，接觸網支柱本體可以采用8.6 m的H型鋼柱。

2 結構設計風速的確定

粵東地區常年受到臺風的影響，合理確定接觸網結構設計風速直接影響鐵路的安全運行。

2.1 陣風系數的計取

根據《鐵路電力牽引供電設計規范》中的要求，接觸網風荷載需要考慮地區基本風壓ω0、風壓高度變化系數μz。經查閱《建筑結構荷載設計規范》，粵東地區50年一遇的基本風壓ω0較大，達到0.8 kN/m2，同時粵東城際鐵路處于臺風頻繁登陸的地區，最大瞬時風速約為55 m/s。

由于接觸網H型鋼柱高度較低，該次設計H型鋼柱為8.6 m，屬于剛性較大且自振周期小于0.25 s的結構物，在結構效應中可以不考慮共振分量，因此可以不考慮風振系數[2-3]。

按照《建筑結構荷載設計規范》的要求，對剛度較大的結構物，應在平均風壓的基礎上，近似考慮脈動風瞬間的增大因素，此時可以通過乘以陣風系數βgz來計算結構設計風荷載。因此接觸網結構設計風荷載標準值可按ωk=βgzμzω0確定，結構設計風速Vk=（1600ωk）1/2。其中βgz為陣風系數，μz為風壓高度變化系數，ω0為50年一遇基本風壓。臺風造成接觸網垮塌圖如圖5所示。

2.2 結構設計風速的計算

鐵路項目一般為幾十公里至幾百公里不等，且沿線工況條件極其復雜，具體工點所處的地理環境位置不同，橋梁、路基高度也不一致。為了合理地確定接觸網的投資及技術方案，應根據不同里程范圍的地理位置、地形條件等進行區分，差異化計算結構設計風速，見表2。

表2 結構設計風速差異化計算值

圖3 雙線接觸網懸掛避雷線方案

圖4 雙線架設避雷線計算示意圖模型

圖5 臺風造成接觸網垮塌圖

3 H型鋼柱容量的確定

根據計算確定的結構設計風速，確定H型鋼柱容量。接觸網支柱主要分為中間柱、轉換柱、下錨柱，需對其容量分別進行計算。

將表2的結構設計風速計算值與臺風最大風速進行比較，可知汕頭段DK0+000至DK16+000區段宜選取58 m/s作為結構設計風速。其他區段計算的結構設計風速小于等于臺風的最大風速，為了確保結構安全，應選取55 m/s作為結構設計風速。

綜上所述，粵東城際鐵路A類地區選取58 m/s作為結構設計風速，B類地區選取55 m/s作為結構設計風速。

3.1 中間柱

選取H型鋼柱時，需要按照《客運專線鐵路接觸網H型鋼柱》的要求對H型鋼柱X軸及Y軸2個主軸方向標準檢驗彎矩進行校驗，如圖6所示。

經計算A類及B類區段，接觸網中間柱彎矩值見表3。

表3 中間柱彎矩值

通過以上計算，H鋼柱在X軸方向彎矩應≥47.3 kN，Y軸方向應≥145.8 kN，可供選擇的有GH 260、GH 280、GH 300、和GHT 240型支柱。同時考慮投資的合理性，最終確定粵東城際鐵路中間柱均選用GH260/8.6支柱即可滿足要求，法蘭盤可選用A型法蘭盤。

3.2 轉換柱及錨柱

根據接觸網結構特點，轉換柱及錨柱承受較大的扭矩，需要采用抗扭性能好的GHT240型H型鋼柱。此時應根據結構設計風速校驗GHT240型支柱是否滿足選用要求

經計算A類及B類區段，接觸網轉換柱及錨柱的彎矩值見表4。

表4 轉換柱、錨柱彎矩值

GHT240型支柱x軸及y軸標準檢驗彎矩分別為90 kN·m以及240 kN·m，因此滿足表4中A類及B類地區轉換柱及錨柱最大彎矩計算值。根據支柱彎矩計算計算值可知彎矩值，轉換柱及錨柱均應選用C型法蘭盤。

圖6 H型鋼柱X軸及Y軸示意圖

4 結語

該文結合粵東城際鐵路實際環境因素，通過確定避雷線的安裝形式來確定接觸網H型鋼柱的高度。通過計取陣風系數，考慮了脈動風的瞬時增大因素，計算得出結構設計風速。最終根據該項目不同設計區段的環境條件等因素，確定了接觸網H型鋼柱的選型。該文能夠為其他類似鐵路項目的接觸網支柱選型提供一定的參考，主要包括以下4點：1）雷暴高發地區，接觸網可取消避雷線增高支架的傳統設計方式，H型鋼柱采用通體增高的方式，提高避雷線安裝的可靠性。2） 接觸網結構設計風速一般不考慮風振系數。但對于自身剛性較強且自振周期≤2.5 s的接觸網H型鋼柱，應在平均風壓的基礎上，通過考慮陣風系數，近似考慮脈動風瞬間的增大因素。3） 在臺風登陸地區，建議將實際計算得出的風速與臺風最大風速進行對比。當計算風速大于臺風最大風速時，應選取計算風速作為結構設計風速；當計算風速小于臺風最大風速時，應選取臺風最大風速作為結構計算風速。4）鐵路工程沿線工況復雜，應結合具體項目的具體工況合理確定風壓高度變化系數、陣風系數，在滿足結構安全的前提條件下，使接觸網支柱選型更加合理。