粵東城際鐵路接觸網(wǎng)H型鋼柱選型

武 帥 楊 康

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)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(nèi)連接汕頭、揭陽(yáng)、潮州的城際鐵路。廣東省粵東地區(qū)屬于亞熱帶海洋季風(fēng)性氣候，雷電頻繁且常年遭受臺(tái)風(fēng)的危害。目前粵東城際鐵路正在進(jìn)行前期設(shè)計(jì)研究工作，接觸網(wǎng)H型鋼柱的選型，與項(xiàng)目投資及接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全密切相關(guān)。該文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際氣象條件及工況，合理確定支柱高度、選取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速，最終確定接觸網(wǎng)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(jù)調(diào)查，汕頭、揭陽(yáng)、潮州地區(qū)年均雷暴日一般為60 d左右，地閃密度達(dá)到8.29 次/km2·a～8.91次/km2·a[1]。根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（ TB 10009—2005）中的規(guī)定，粵東城際鐵路需設(shè)置獨(dú)立架空避雷線。

目前我國(guó)鐵路項(xiàng)目大部分通過(guò)在接觸網(wǎng)支柱的頂部增設(shè)1個(gè)增高支架來(lái)懸掛避雷線，如圖1所示。該方案主要存在2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)：1） 增高的支架部分人工無(wú)法進(jìn)行攀登，避雷線存在失檢失修的風(fēng)險(xiǎn)，影響了運(yùn)營(yíng)期間的安全性。2） 支架本體的抗風(fēng)性能較差，支架在強(qiáng)風(fēng)地區(qū)易損壞。綜合考慮避雷線架設(shè)的可靠性和可維護(hù)性，可以將H型鋼柱通體增高來(lái)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(wǎng)采用直供加回流供電方式，避雷線對(duì)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(huì)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(jié)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(yàn)證承力索是否在避雷線的保護(hù)范圍內(nèi)。該設(shè)計(jì)選取避雷線較承力索高為1.7 m，來(lái)驗(yàn)算承力索是否在避雷線的保護(hù)范圍內(nèi)。

1.3 驗(yàn)算避雷線保護(hù)范圍

在我國(guó)建筑物的防雷設(shè)計(jì)中，推薦采用滾球法確定接閃器保護(hù)范圍。

滾球法是以保護(hù)半徑hr為半徑的1個(gè)球體，沿需要防直擊雷的部位滾動(dòng)，當(dāng)球體只觸及接閃器和地面，而不觸及需要保護(hù)的部位時(shí)，則該部分就得到了接閃器的保護(hù)。

按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用滾球法驗(yàn)算確定避雷線保護(hù)范圍時(shí)，城際鐵路接觸網(wǎng)可以按照一類(lèi)建筑選取，保護(hù)半徑為30 m。粵東城際鐵路上下行接觸網(wǎng)支柱分別架設(shè)避雷線，如圖3所示。

雙避雷線保護(hù)范圍計(jì)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(hù)范圍上邊線的保護(hù)高度，如公式（1）所示[3]。

式中：hx為距O點(diǎn)距離為X處的被保護(hù)物高度；hr為保護(hù)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(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)公式（1），經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，承力索在X=2 m處，雙避雷線保護(hù)范圍hx=8.1 m。承力索對(duì)地高度為6.87 m，因此承力索可以被避雷線保護(hù)。

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(wǎng)支柱基礎(chǔ)高度并取整后，接觸網(wǎng)支柱本體可以采用8.6 m的H型鋼柱。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速的確定

粵東地區(qū)常年受到臺(tái)風(fēng)的影響，合理確定接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速直接影響鐵路的安全運(yùn)行。

2.1 陣風(fēng)系數(shù)的計(jì)取

根據(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求，接觸網(wǎng)風(fēng)荷載需要考慮地區(qū)基本風(fēng)壓ω0、風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz。經(jīng)查閱《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》，粵東地區(qū)50年一遇的基本風(fēng)壓ω0較大，達(dá)到0.8 kN/m2，同時(shí)粵東城際鐵路處于臺(tái)風(fēng)頻繁登陸的地區(qū)，最大瞬時(shí)風(fēng)速約為55 m/s。

由于接觸網(wǎng)H型鋼柱高度較低，該次設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)物，在結(jié)構(gòu)效應(yīng)中可以不考慮共振分量，因此可以不考慮風(fēng)振系數(shù)[2-3]。

按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，對(duì)剛度較大的結(jié)構(gòu)物，應(yīng)在平均風(fēng)壓的基礎(chǔ)上，近似考慮脈動(dòng)風(fēng)瞬間的增大因素，此時(shí)可以通過(guò)乘以陣風(fēng)系數(shù)βgz來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載。因此接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按ωk=βgzμzω0確定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速Vk=（1600ωk）1/2。其中βgz為陣風(fēng)系數(shù)，μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，ω0為50年一遇基本風(fēng)壓。臺(tái)風(fēng)造成接觸網(wǎng)垮塌圖如圖5所示。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速的計(jì)算

鐵路項(xiàng)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(fù)雜，具體工點(diǎn)所處的地理環(huán)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(wǎng)的投資及技術(shù)方案，應(yīng)根據(jù)不同里程范圍的地理位置、地形條件等進(jìn)行區(qū)分，差異化計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速，見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速差異化計(jì)算值

圖3 雙線接觸網(wǎng)懸掛避雷線方案

圖4 雙線架設(shè)避雷線計(jì)算示意圖模型

圖5 臺(tái)風(fēng)造成接觸網(wǎng)垮塌圖

3 H型鋼柱容量的確定

根據(jù)計(jì)算確定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速，確定H型鋼柱容量。接觸網(wǎng)支柱主要分為中間柱、轉(zhuǎn)換柱、下錨柱，需對(duì)其容量分別進(jìn)行計(jì)算。

將表2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速計(jì)算值與臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速進(jìn)行比較，可知汕頭段DK0+000至DK16+000區(qū)段宜選取58 m/s作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速。其他區(qū)段計(jì)算的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速小于等于臺(tái)風(fēng)的最大風(fēng)速，為了確保結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)選取55 m/s作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速。

綜上所述，粵東城際鐵路A類(lèi)地區(qū)選取58 m/s作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速，B類(lèi)地區(qū)選取55 m/s作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速。

3.1 中間柱

選取H型鋼柱時(shí)，需要按照《客運(yùn)專(zhuān)線鐵路接觸網(wǎng)H型鋼柱》的要求對(duì)H型鋼柱X軸及Y軸2個(gè)主軸方向標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)彎矩進(jìn)行校驗(yàn)，如圖6所示。

經(jīng)計(jì)算A類(lèi)及B類(lèi)區(qū)段，接觸網(wǎng)中間柱彎矩值見(jiàn)表3。

表3 中間柱彎矩值

通過(guò)以上計(jì)算，H鋼柱在X軸方向彎矩應(yīng)≥47.3 kN，Y軸方向應(yīng)≥145.8 kN，可供選擇的有GH 260、GH 280、GH 300、和GHT 240型支柱。同時(shí)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(pán)可選用A型法蘭盤(pán)。

3.2 轉(zhuǎn)換柱及錨柱

根據(jù)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，轉(zhuǎn)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(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速校驗(yàn)GHT240型支柱是否滿足選用要求

經(jīng)計(jì)算A類(lèi)及B類(lèi)區(qū)段，接觸網(wǎng)轉(zhuǎn)換柱及錨柱的彎矩值見(jiàn)表4。

表4 轉(zhuǎn)換柱、錨柱彎矩值

GHT240型支柱x軸及y軸標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)彎矩分別為90 kN·m以及240 kN·m，因此滿足表4中A類(lèi)及B類(lèi)地區(qū)轉(zhuǎn)換柱及錨柱最大彎矩計(jì)算值。根據(jù)支柱彎矩計(jì)算計(jì)算值可知彎矩值，轉(zhuǎn)換柱及錨柱均應(yīng)選用C型法蘭盤(pán)。

圖6 H型鋼柱X軸及Y軸示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

該文結(jié)合粵東城際鐵路實(shí)際環(huán)境因素，通過(guò)確定避雷線的安裝形式來(lái)確定接觸網(wǎng)H型鋼柱的高度。通過(guò)計(jì)取陣風(fēng)系數(shù)，考慮了脈動(dòng)風(fēng)的瞬時(shí)增大因素，計(jì)算得出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速。最終根據(jù)該項(xiàng)目不同設(shè)計(jì)區(qū)段的環(huán)境條件等因素，確定了接觸網(wǎng)H型鋼柱的選型。該文能夠?yàn)槠渌?lèi)似鐵路項(xiàng)目的接觸網(wǎng)支柱選型提供一定的參考，主要包括以下4點(diǎn)：1）雷暴高發(fā)地區(qū)，接觸網(wǎng)可取消避雷線增高支架的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速一般不考慮風(fēng)振系數(shù)。但對(duì)于自身剛性較強(qiáng)且自振周期≤2.5 s的接觸網(wǎng)H型鋼柱，應(yīng)在平均風(fēng)壓的基礎(chǔ)上，通過(guò)考慮陣風(fēng)系數(shù)，近似考慮脈動(dòng)風(fēng)瞬間的增大因素。3） 在臺(tái)風(fēng)登陸地區(qū)，建議將實(shí)際計(jì)算得出的風(fēng)速與臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)計(jì)算風(fēng)速大于臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速時(shí)，應(yīng)選取計(jì)算風(fēng)速作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速；當(dāng)計(jì)算風(fēng)速小于臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速時(shí)，應(yīng)選取臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速作為結(jié)構(gòu)計(jì)算風(fēng)速。4）鐵路工程沿線工況復(fù)雜，應(yīng)結(jié)合具體項(xiàng)目的具體工況合理確定風(fēng)壓高度變化系數(shù)、陣風(fēng)系數(shù)，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提條件下，使接觸網(wǎng)支柱選型更加合理。