H型鋼支柱在客運專線接觸網系統中的應用

■ 侯顯洪 李紅梅

侯顯洪：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，助理工程師，湖北武漢，430063

李紅梅：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，教授級高級工程師，湖北 武漢，430063

攝影 胡山

接觸網是電氣化鐵道和城市軌道交通所特有的一種向電力機車或電動車組提供電能且無備用的供電設備。接觸網支柱作為接觸網系統的重要組成部分，其強度和可靠性直接關系到列車的運行安全。隨著鐵路客運專線運營速度的提高，對接觸網支柱的要求也日益嚴格，不僅需要安全可靠，經濟性也是重要考慮因素，并且隨著發展可持續經濟這一觀念的深入，接觸網的環境效果也應作為一個重要方面加以考慮。

1 國內外應用情況和選用的原則

接觸網支柱的具體選用可經過技術經濟比較后確定，在滿足受力等基本條件和可靠的前提下，為了施工和運營維護方便以及美觀起見，客運專線支柱外形應統一，支柱類型應盡量歸類，且形式便于批量生產和質量控制。即，適應350 km/h高速鐵路工程使用的支柱應該具備如下具體特點：采用外法蘭連接且支柱下部寬度必須足夠小（≤350 mm）；材料選擇范圍較大；校驗容量大，撓度小；適應短路電流達到17～25 kA結構不破壞或強度降低；加工容易，批量生產質量穩定；美觀、無維修。

可選的成熟支柱類型有H型截面鋼柱、環形預應力鋼筋混凝土支柱、圓鋼管柱、格構式鋼柱4種。這4種支柱在國內外高速鐵路中均有應用。環形預應力鋼筋混凝土支柱具有造價較低且無維修的優點、但加工困難，支柱容量偏小；型鋼支柱可細分為支柱、鋼管支柱以及格構式焊接型等，在世界高速鐵路上被大面積采用。法國、日本、英國、韓國等國的高速鐵路均采用截面鋼柱，德國的高架橋上也采用截面鋼柱。其生產應用技術已十分成熟。H型鋼柱是我國國家技術政策鼓勵采用和推廣的形式。

2 技術性和可靠性的綜合比選

在機械性能上，截面是單向荷載的最佳截面；鋼柱直接采用型鋼材料，加工和質量控制容易，采用法蘭連接后安裝方便，材料選擇范圍較大，最重要的是鋼柱可以很好地滿足客運專線實際支柱受力的較大校驗容量的技術要求。

根據分析的結構設計風速，按照《建筑結構設計規范》中相關規定計算分析，正線接觸網支柱承載能力極限校驗容量歸類見表1。

目前我國用于200 km/h的定型混凝土等徑圓桿、圓鋼管柱的額定彎矩一般為60～120 kN·m，其承載能力只能用作客運專線一般地區的中間柱，對于高架橋或大風地段、有附加漏泄電纜地段、關節和道岔區、中心錨結區、預留加強線的第一個供電臂區間等受力稍大的支柱暫無成熟定型產品可以直接采用，需要研制開發（客運專線工程建設統計表明，目前如果采用現有的混凝土圓桿，46%的支柱無定型產品可選）。

另外，因為在接觸網支柱側面埋設了比國外高速鐵路路基寬的電纜溝，因土建的路基寬度限制，留給接觸網支柱基礎的寬度最大為700 mm，意味著接觸網的支柱下部寬度必須足夠小，即更大容量的混凝土圓桿必須在現有Φ400 mm的小容量圓桿的基礎上進一步縮小的條件下開發研制，條件將更為苛刻。

客運專線的短路電流達到17～20 kA，如果發生短路擊穿絕緣子，大電流將對預應力混凝土支柱的鋼筋結構造成有害影響，為消除存在的危險，國外曾采用在支柱內部配筋時增加載流的非預應力鋼筋截面和專用接地通道（否則需要AT供電方式也采用PW線絕緣架設和客運專線接觸網采用雙重絕緣，使得牽引網結構復雜）。

根據實際用戶的使用經驗，目前我國現有的高強度混凝土等徑圓桿因為加工難度大或其他原因，大批量生產的質量不夠穩定，標準的加裝焊接法蘭的方式也不適用外露安裝，自身也需要改進和提高質量。所以，從技術適用性和工藝困難的角度分析，大容量的混凝土等徑圓桿，我國尚不具備大規模工程應用的條件，需要加緊研制并改進工藝。現階段，H型鋼支柱是可選方案。

3 經濟性的綜合評估

表2列出了適用于客運專線的（9.5 m以上）單根支柱的材料費用。

H型鋼柱同比Φ400 mm圓鋼管柱（包括圓錐形鋼管柱），價格較低。在目前鋼材價格水平較高的情況下，H型鋼柱在材料單價上顯得較Φ400 mm等徑混凝土圓柱貴。表2中的價格是基于現有混凝土標準支柱類型，如果考慮以上大容量、小底盤直徑、大短路電流等新的技術要求將導致新混凝土圓桿成本的增大，上述經濟性差異會減少。德國高速鐵路較多采用的專用混凝土錐形圓桿就比其截面鋼柱造價更高可以說明一定的問題（德國采用混凝土錐形圓桿主要考慮的是美觀和無維修）。

需要說明的是，支柱本身對接觸網工程造價影響的權重是有限的。雖然單根支柱的材料費貴60%，但對接觸網工程投資比例的影響，二者投資指標之比約為1.08∶1，如果考慮H型鋼的可回收的殘值率，二者投資指標之比可降至1.03∶1，影響在3%以內。結合武廣高速鐵路特點進一步分析，該線橋隧所占比例分別為37.7%和13.6%，扣除橋隧原本不采用混凝土圓柱的比例，客運專線的鋼支柱絕對成本對客運專線接觸網工程造價的影響權重將進一步減小。

表1 正線接觸網支柱承載能力極限校驗容量

表2 不同接觸網支柱類型材料單價對比

鑒于客運專線特點，從技術可靠和質量要求等因素分析，應采用熱浸鍍鋅截面鋼柱，且經濟上成本的增加對接觸網工程投資的影響十分有限，故本次設計客運專線推薦采用熱浸鍍鋅H型鋼柱。

4 H型鋼腕臂柱荷載選用研究結論

針對武廣高速鐵路的荷載，區別不同的風口地帶，考慮有或無合架的漏泄電纜，按照以往常規理解和表達方法，為12～25 kN·m額定彎矩等8種基本類型，歸類后簡化成4種基本桿型，為16～25 kN·m。正確的表達方法應是正常使用極限狀態（許用極限荷載）和承載能力極限校驗彎矩，應為520～260 kN·m。

日本的支柱容量，以傳統的表達方式（1.5安全系數），為17～22 t·m，最小10～13 t·m。德國的支柱容量，以極限承載能力校驗彎矩表示，標準的可選圓形的混凝土支柱和鋼柱通常均為160～520 kN·m不等。根據國際相關標準，校核支柱的扭曲角度不應大于6o，客運專線正線采用的熱浸鍍鋅截面鋼柱的具體荷載選型建議見表3。

表3 H型截面柱支柱選用表

支柱結構設計還應根據上述校驗荷載進行支柱的支柱強度校驗、平面穩定校驗及支柱撓度校驗。客運專線的接觸網為適應350 km/h的超高速運行速度，除必須保證良好可靠的受流性能外，在支柱極限荷載校驗的同時，還應考慮在最大運行風速時接觸線懸掛點高度處的支柱撓度不得大于25 mm的要求。

5 結束語

近年來，我國鐵路建設大規模展開。客運專線建設作為國家鐵路建設中一個重要環節，很多技術問題亟需解決。客運專線接觸網支柱的選型在綜合考慮安全、可靠、經濟和美觀等方面因素后，結合國內外支柱應用情況，可在客運專線推廣應用接觸網支柱，并加快支柱研發生產步伐，盡快適應客運專線快速的建設周期。

[1]GB 50009-2001 建筑荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2006

[2]GB 50068-2001 建筑結構可靠度設計統一標準[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2001

[3]KieBling. 電氣化鐵道接觸網[M]. 中鐵電氣化局集團有限公司，譯. 北京：中國電力出版社，2004

[4]鐵道部. 鐵建設[2003]76號 新建客貨共線鐵路設計暫行規定[S]，2003

[5]TB10009-98 鐵路電力牽引供電設計規范[S]. 北京：中國鐵道出版社，1998