東海島鐵路跨海特大橋強臺風區(qū)接觸網(wǎng)支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計

王愛竟

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

接觸網(wǎng)支柱作為接觸網(wǎng)的主要受力結(jié)構(gòu)，承受著整個接觸網(wǎng)的懸掛質(zhì)量、工作張力、風雪荷載、列車振動荷載等。近幾年，大風已成為引發(fā)電氣化鐵路接觸網(wǎng)故障的重要因素之一[1]。因接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)跨距大、質(zhì)量及結(jié)構(gòu)柔性大，風荷載對其穩(wěn)定性影響很大，是接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要設(shè)計荷載[2]。廣東沿海是全國熱帶氣旋災(zāi)害最嚴重的區(qū)域[3]，新建湛江東海島鐵路途徑廣東省西部的雷州半島東岸，是臺風最為頻發(fā)的海岸段。臺風相對于穩(wěn)態(tài)風，瞬時風速更大且極具摧毀力。臺風相對于穩(wěn)態(tài)風，瞬時風速更大，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載更大，提高接觸網(wǎng)支柱抗風性能對保障接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全性尤為重要。

1 接觸網(wǎng)設(shè)計風速取值

對于強風區(qū)內(nèi)規(guī)劃的線路，合理確定設(shè)計風速是首要的問題，其選擇是否科學合理將直接影響工程造價和運行安全。設(shè)計過程中應(yīng)合理地確定設(shè)計風速，在確保線路安全運行與降低工程造價之間找到合理的平衡。

1.1 國內(nèi)外接觸網(wǎng)設(shè)計風速

就接觸網(wǎng)設(shè)計風速的取值而言，各國國情不同，對風荷載的計算方法和原則也不盡相同，幾個典型國家的接觸網(wǎng)設(shè)計風速見表1[4]。

表1 接觸網(wǎng)設(shè)計風速

注：德國的風速對應(yīng)的4個地點分別為德國的南部和中部地區(qū)、德國的北部平原地區(qū)、沿海地區(qū)、海拔1 000 m以上地區(qū)。

中國香港地區(qū)的接觸網(wǎng)風荷載按照英國的標準計算，區(qū)分了正常運行風速和臺風風速。日本為島國，臺風登陸頻繁，最大風速重現(xiàn)期按照百年考慮，近海地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計風速也提高至50 m/s(日本新干線60 m/s[5])。我國接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計風速一般取40 m/s，且風荷載尚還考慮1.4的分項系數(shù)，因此該風速對大部分區(qū)域是適應(yīng)的。但接觸網(wǎng)作為鐵路的牽引供電設(shè)備具有無備用、倒桿搶修周期長等特點，在沿海地區(qū)當臺風風速遠超出結(jié)構(gòu)設(shè)計風速時，臺風即成為不容忽視的設(shè)計因素。

1.2 基本設(shè)計風速

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)的風壓分布圖，湛江地區(qū)50年一遇基本風壓ω0=800 Pa[6]。

大氣密度為:ρ=0.001 25·e-0.000 1·Z

則湛江地區(qū)50年一遇基本風速為

同時，風壓高度變化系數(shù)按照20 m進行修正，修正后的風速已達到45 m/s，但該風速是否可以作為結(jié)構(gòu)最大設(shè)計風速尚需考慮。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計風速

結(jié)構(gòu)設(shè)計風速主要用于校核接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的強度[7]。東海島鐵路跨海特大橋位于粵西岸段的雷州半島東岸，是臺風最為頻發(fā)的海岸段。現(xiàn)行規(guī)范尚未涉及臺風作用下接觸網(wǎng)體系風荷載的具體規(guī)定。鑒于本項目特殊的風荷載環(huán)境，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計風速時在滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范的前提下，還充分考慮了以下兩種情況。

(1)風振系數(shù)

關(guān)于風振系數(shù)，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》要求：基本自振周期T1≥0.25 s的各種高聳結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風壓脈動對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順風向風振的影響。根據(jù)行業(yè)規(guī)范及傳統(tǒng)設(shè)計原則，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時風荷載不考慮風振系數(shù)[8]，這對大部分情況是適宜的，但當線路位于臺風頻發(fā)且臺風強度較大的區(qū)域時，βz取1.0是否適宜，應(yīng)綜合本地區(qū)以往的風災(zāi)情況(超強臺風的重現(xiàn)期長、短)、采用支柱的自振頻率等具體項目特點，有針對性地進行分析。

東海島鐵路跨海特大橋為T梁，支柱立于橋墩頂面高度近12.0 m，支柱采用φ400 mm的圓鋼柱[9]。以壁厚12 mm的支柱為例對其進行模態(tài)分析，得出其前6階自振頻率見表2。根據(jù)第1階自振頻率計算出支柱的基本自振周期為T1=0.32 s，自振周期已經(jīng)超過0.25 s，因此本項目建議考慮風振系數(shù)。

表2 鋼管柱自振頻率 Hz

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算東海島跨海特大橋上圓鋼柱風振系數(shù)βz=1.58，考慮風振系數(shù)時結(jié)構(gòu)最大設(shè)計風速vk=56 m/s。

接觸網(wǎng)由剛度差別較大的支柱和導(dǎo)線組成，在相同風向角和相同風速條件下比較支柱掛導(dǎo)線和不掛導(dǎo)線兩種狀態(tài)的計算結(jié)果表明，導(dǎo)線對支柱風振響應(yīng)的影響不大，因此導(dǎo)線不需要考慮風振系數(shù)。最終作用于支柱的風速按照考慮風振系數(shù)為56 m/s，作用于導(dǎo)線等其他結(jié)構(gòu)上的風速按照不考慮風振系數(shù)為45 m/s。此時，計算承載能力極限狀態(tài)時，風荷載分項系數(shù)rw=1.4。

(2)最大瞬時風強度校驗

根據(jù)調(diào)研湛江歷年臺風登陸情況，中心附近最大風力達18級，此時的風速已經(jīng)遠大于45 m/s達1.5倍，根據(jù)風荷載與風速的換算關(guān)系，風荷載已達到2.25倍。本項目按最大風力18級，對應(yīng)最大瞬時風速約68 m/s對接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)強度進行校驗。即對接觸網(wǎng)系統(tǒng)包括接觸網(wǎng)支柱、導(dǎo)線等均按照68 m/s進行強度校核，但值得注意的是因風速已經(jīng)取為極端最大瞬時風速，此時風荷載不再考慮荷載分項系數(shù)。

2 支柱結(jié)構(gòu)形式

支柱是接觸懸掛的重要支持結(jié)構(gòu)，是接觸網(wǎng)運行安全、穩(wěn)定、可靠的基本保證[10]。混凝土柱結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大，不方便運輸及橋上安裝，且用于海上環(huán)境時如不采用適當防腐措施防腐性能難以保證。因此，推薦采用鋼結(jié)構(gòu)支柱。支柱的截面形式有矩形、圓形、H形、格構(gòu)式等。不同的截面，其體型系數(shù)不相同，體型系數(shù)愈小，結(jié)構(gòu)受風性能愈好。在相同條件下，圓形截面體型系數(shù)最小，因而圓形截面所受實際風最小[11]。

東海島鐵路跨海特大橋為32 m簡支T梁橋，軌面到墩頂面3.976 m，中間柱高度11.5 m，轉(zhuǎn)換柱及錨柱則高達12.0 m。現(xiàn)對幾種形式的中間柱進行結(jié)構(gòu)技術(shù)性能及其經(jīng)濟性方面的對比分析，詳見表3，其中前面3種為通用參考圖中的支柱類型，后面2種為根據(jù)本項目進行設(shè)計的支柱。

表3 比選鋼柱結(jié)構(gòu)性能及經(jīng)濟性對比分析

從表3可以看出，H形鋼柱質(zhì)量最大，其受力具有方向性，抗扭性能及抗風穩(wěn)定性較差[12]。尤其是本項目采用的支柱高度較高，采用11 m以上高度的H形鋼柱長細比偏大，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性很不利。

目前T梁上接觸網(wǎng)一般采用焊接型角鋼格構(gòu)式鋼柱，格構(gòu)式鋼柱質(zhì)量小，但支柱外形尺寸大，受脈動風影響較大。格構(gòu)式橋鋼柱通過角鋼焊接而成，焊接部位較多。焊縫處為腐蝕薄弱點會率先發(fā)生腐蝕[13]，鋼柱腐蝕的后果不僅僅是構(gòu)件本身壽命的降低，更為嚴重的是存在影響行車及人身安全的隱患。

通用參考圖中的內(nèi)部加強型φ350 mm等徑圓鋼柱，雖然質(zhì)量比φ350 mm的型鋼輕，但是其內(nèi)部沿柱身有2塊縱向焊接鋼板，4條縱向焊縫。因鋼管內(nèi)壁需通過鍍鋅工藝孔進行鍍鋅，鋅層的厚度及均勻性都較鋼管外部要差，內(nèi)部更是腐蝕的薄弱點。尤其在海上環(huán)境腐蝕現(xiàn)象尤為突出，因此不推薦采用內(nèi)部帶有焊縫的加強型φ350 mm等徑圓鋼柱。鑒于項目特殊的海上氣候條件，結(jié)合支柱結(jié)構(gòu)受力性能及經(jīng)濟性，橋上接觸網(wǎng)腕臂柱推薦采用柱身無焊縫的圓鋼管柱。

3 支柱強度及剛度設(shè)計計算

3.1 支柱容量計算

支柱設(shè)計不但需要滿足接觸網(wǎng)系統(tǒng)在風偏風速作用下的可靠運行，同時還要保證接觸網(wǎng)支柱結(jié)構(gòu)在最大瞬時臺風作用下不會造成無法恢復(fù)的變形及破壞。針對φ400 mm等徑圓鋼管支柱，分別對支柱設(shè)計風速56 m/s、導(dǎo)線風速45 m/s，瞬時最大風速68 m/s兩種情況進行支柱容量計算，以下分別簡稱工況1、工況2。計算時采用線材及張力組合：JTMH95+CTS120(15 kN+15 kN)，支柱側(cè)面限界3.8 m，最小曲線半徑800 m，計算腕臂柱的標稱容量(彎矩標準值)如表4所示。

表4 腕臂柱標稱容量 kN·m

3.2 支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

支柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)采用以概率理論為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計法，用可靠度指標度量結(jié)構(gòu)的可靠度，采用分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行設(shè)計。正常使用極限狀態(tài)經(jīng)計算滿足相關(guān)要求，此處不再贅述，重點考慮承載能力極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)需采用荷載設(shè)計值，進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接節(jié)點的承載力(強度和穩(wěn)定性)計算，荷載設(shè)計值為在工況1、工況2荷載標準值的基礎(chǔ)上乘以荷載分項系數(shù)。

承載能力極限狀態(tài)1：支柱荷載組合由風荷載即可變荷載效應(yīng)控制，風荷載分項系數(shù)γQ取值為1.4，支持結(jié)構(gòu)自重及導(dǎo)線張力等永久荷載分項系數(shù)取值為1.2。

承載能力極限狀態(tài)2：采用臺風持續(xù)3 s以上最大瞬時風速校核支柱強度，臺風為極端最大瞬時風速，此時風荷載荷載分項系數(shù)取為1.0。

通過表5計算結(jié)果對比分析可以看出，因本項目海上臺風等級很大，瞬時風速已達68 m/s，該工況已成為東海島鐵路跨海特大橋上接觸網(wǎng)支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制工況。

表5 腕臂柱柱底彎矩設(shè)計值 kN·m

3.3 腕臂柱

采用ANSYS軟件分別對φ350 mm及φ400 mm的腕臂柱進行有限元結(jié)構(gòu)建模分析，分別計算上述2種工況下腕臂柱的強度和變形，支柱材質(zhì)選為Q345，計算結(jié)果見表6及表7。

表6 φ400 mm等徑圓鋼柱強度及撓度(剛度)計算

表7 φ350 mm等徑圓鋼柱強度及撓度(剛度)計算

由表6、表7可以看出，以中間柱為例在支柱強度和剛度接近的情況下，若采用直徑400 mm的支柱，則其規(guī)格為φ400×10 mm，而采用直徑350 mm的支柱，則其規(guī)格為φ350×16 mm。說明加大支柱的直徑相對加大壁厚而言可以更加明顯地增加剛度，同時，每根φ350×16 mm圓鋼管柱較φ400×10圓鋼管柱質(zhì)量多出約400 kg，投資每根增加約3 800元，因此從技術(shù)及經(jīng)濟兩方面比較，本項目推薦采用φ400 mm的圓鋼管柱。

3.4 不打拉線下錨柱

本項目橋上下錨采用不打拉線下錨柱，下錨柱為雙根φ400×12 mm鋼管柱中間設(shè)橫向連接腹桿(間距1.0 m)，支柱高度12.0 m。根據(jù)本線的線材張力組合計算不同風速時下錨柱的容量，分別按照順線路最大風、垂直線路最大風兩種工況進行計算。同時，垂直線路方向容量考慮下錨轉(zhuǎn)角力引起的附加彎矩。錨柱內(nèi)力云圖見圖1，相應(yīng)不同風速下的具體內(nèi)力值(標準值)見表8。

圖1 錨柱內(nèi)力云圖(軸力、垂直線路彎矩、順線路彎矩)

風速/(m/s)68軸力/kN彎矩MY/(kN·m)彎矩MZ/(kN·m)備注160.6126.731.3垂直線路風207.570.452.9順線路風

以風速68 m/s為例，風向順線路時下錨方向柱頂位移最大為20.6 mm，風向垂直線路時懸掛方向柱頂位移最大為95.9 mm。柱身最大應(yīng)力設(shè)計值為96.7 MPa，見圖2。35、47 m/s風速時錨柱強度及變形均滿足要求，此處不再贅述。

圖2 風速68 m/s錨柱變形云圖

4 鋼柱結(jié)構(gòu)性能檢驗(圖3、圖4)

4.1 試驗?zāi)康募胺椒?/h3>

φ400 mm等徑圓柱為非通用參考圖中的支柱型式，通過ANSYS有限元計算軟件對腕臂柱及錨柱進行了受力分析。為了對計算結(jié)果進行驗證，更是為了考核鋼管支柱的結(jié)構(gòu)性能及可靠性，保證其質(zhì)量，根據(jù)相關(guān)要求在工廠進行了支柱結(jié)構(gòu)性能試驗。

圖3 腕臂柱結(jié)構(gòu)性能試驗

圖4 不打拉線錨柱結(jié)構(gòu)性能試驗

試驗?zāi)Ｐ筒捎脤嶋H尺寸鋼支柱，結(jié)構(gòu)性能檢驗采用立式試驗方法，鋼管支柱受力方向為水平。在柱頂及導(dǎo)高處分別設(shè)置了讀數(shù)卡尺用于分別記錄兩個位置處的撓度值。

4.2 試驗依據(jù)

產(chǎn)品試驗的依據(jù)是《電氣化鐵路接觸網(wǎng)鋼支柱 第3部分：環(huán)形鋼管支柱》(GB/T25020.3—2010)。

4.3 試驗結(jié)論

(1)通過上述結(jié)構(gòu)性能試驗，鋼柱的外觀質(zhì)量，尺寸偏差，鋅層，以及按照標準檢驗彎矩 、撓度檢驗彎矩、承載力檢驗彎矩進行檢驗的各項指標均符合GB/T25020.3—2010的相關(guān)規(guī)定。

(2)仿真計算結(jié)果與試驗實測結(jié)果吻合很好，誤差在5%范圍以內(nèi)。說明通過仿真計算可以達到預(yù)期的效果且仿真結(jié)果可靠度高。

5 結(jié)語

(1)接觸網(wǎng)設(shè)備屬于露天布置的無備用供電系統(tǒng)，受大風等自然災(zāi)害影響較大[14]。我國地域遼闊，自然環(huán)境復(fù)雜多樣。接觸網(wǎng)設(shè)計風速應(yīng)結(jié)合具體項目特點或特殊工點進行差異化設(shè)計，這樣才能滿足工程實際的需要。

(2)臺風環(huán)境下接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行瞬時臺風作用下的安全校驗十分必要。

(3)本文從強臺風環(huán)境下接觸網(wǎng)設(shè)計風速取值、T梁橋鋼柱支柱型式的確定、T梁橋接觸網(wǎng)鋼管柱設(shè)計計算、橋鋼柱結(jié)構(gòu)性能試驗等方面對臺風環(huán)境下接觸網(wǎng)支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了完整的論述。研究成果已應(yīng)用于東海島鐵路跨海特大橋。