接觸網硬橫跨支柱基礎受力計算淺析

王紅青

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

1 接觸網的初步受力分析

接觸網是置于鐵路沿線的供電裝置，它要經受一定自然條件的影響，主要有：風吹、日曬（氣溫）、雨淋和覆冰等。

風對接觸網來說，不僅增加線索和支柱的機械負荷，而且在各種風速和不同方向風的作用下，會使接觸線產生擺動、振動或舞動。速度大且強勁的風會使接觸線出現巨大擺動。當風向與線路垂直時就會交替地產生這種向上（或向下）的力，從而對接觸網產生周期性的沖擊作用。在低風速（通常在6～18m/s）作用下接觸線還會產生低頻率、較大振幅的擺動。

在冬季，接觸線或承力索上有時會出現結冰或積雪，稱為覆冰。覆冰會增加接觸線和承力索的機械負荷，以致影響電力機車的正常運行。

溫度變化會使接觸線和承力索的弛度發生變化。低溫時，線索被拉緊，有時還會使接觸線出現負弛度，使運行情況變壞。在高溫時，會出現線索伸長、弛度增大等，這些都是應在設計中考慮的因素。

接觸網是沿鐵路線上空架設的向電力機車供電的特殊形式的輸電線路。其由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎幾部分組成。接觸懸掛將其負載傳遞到橫跨上，橫跨再將其傳遞到支柱上，最后由混凝土基礎來承受，所受負載主要有接觸線及承力索自身載荷、風負載以及覆冰載荷[1]。

自重負載的表達式為：g＝SγgH×10-9（1）

式中：g——線索單位長度重力負載（kN/m）；

S——線索的橫截面面積（mm2）；

γ——所求線索的密度（kg/m3）；

gH——自由落體重力加速度9.81（m/s2）。

已知每根接觸線負載為15kN，承力索負載為10kN。

冰負載表達式為：

gb0＝0.25×10-9γbgHπ[（d+2b）2-d2]＝πγbb（b+d）gH×10-9（2）＝π×600×10×[10+（16.5+19.5）/2）]×10-9＝5.2779×10-4kN/m。

式中：b——覆冰厚度（mm）；

d——線索直徑，相對于接觸線取平均直徑（mm）；

γb——覆冰密度（kg/m3）；

風負載表達式：

對于接觸網懸掛線索P＝0.615akdlv2sinθ （3）

式中：P——線索所受的實際風負載（kN）；

a——風速不均勻系數；

k——風載荷體型系數；

d——線索的直徑（mm）；

l——接觸懸掛跨距（m）；

v——設計計算風速（m/s）；

θ——風向與線路方向的夾角。

取θ為45度，所以承力索處的風負載為Pc＝0.615×0.75×1.4×30×8×352

sin45°＝134.24kN；接觸線處的風負載為 Pj＝0.615×0.75×1.4×18×8×352sin45°＝80.55kN。

對于支柱所受的風載荷 P0＝0.615KFv2×10-3（4）

式中：P0——支柱負載（kN）；

K——風負載體型系數；

F——塔身迎風面的構件投影面積（m2）；

v——設計計算風速（m/s）。

支柱風負載 P0＝0.615×1.4×5.874×302×10-3＝462.58kN。

2 支柱基礎的校驗

建造于天然地基上的基礎必須具有足夠的強度、良好的穩定性和足夠的承載力。基礎應依據土壤的特性、基礎的受力要求等來進行設計。鋼柱基礎有很多種形式，按外形分有：工字型、錐形、單階梯形、多階梯（空心）形等。鋼柱基礎一般為現場澆注的混凝土整體基礎，基礎內預埋地腳螺栓，安裝時將鋼柱凝固于地腳螺栓上。鋼柱安裝后，在基礎頂部做一個混凝土帽，為基礎帽，以保護連接螺栓、螺母不致銹蝕。基礎帽只起防水作用，不用打得很結實，只要求表面細密防水，以便需要搬遷鋼柱時容易敲開。

鋼柱基礎形狀多從受力考慮并盡可能節省材料，按需要是應做成空心且是多階梯形的，但往往在施工時因制作模型板困難而難以做到。為了施工的方便一般做成單階或雙階的基礎。本次采用鋼支柱容量為500kN.m，故首先考慮設計成雙階的基礎。

支柱基礎必須滿足結構與力學性能方面的要求，根據受力分析計算來校驗是否符合設計要求，并作以改進。本文計算公式參考《電氣化鐵道設計手冊-接觸網》[2]。

2.1 基礎受力計算

在支柱外載荷作用下，基礎必須滿足以下三種穩定條件：

①基礎在外力作用下不會傾覆；

②基礎在水平外力作用下不會沿基底滑移；

③地基不會產生破壞。

首先計算傾覆力矩：基礎結構如圖1所示。

2.1.1 傾覆力矩的計算

硬橫跨支柱采用GY500/9，土壤特性資料：取土的容重γ＝1.7t/m3，2m 深處土壤的允許承載力[δ]2＝20t/m2，鋼柱傳給基礎的垂直力 G0＝2.5t[3]。

基礎埋深為 h＝hФ-A＝4.25-0.2＝4.05m。

以下計算公式及查表數值均參考《電氣化鐵道設計手冊接觸網》中第七章：腕臂、支柱及基礎中相關公式及表格。

系數α值和U值的確定：根據比值ρA＝a1/h1＝4.53/4.05＝1.118 和鋼柱高 H＝8.9m，查表 7-45 得到 α＝1.04，UA＝0.0373。

按公式（7-65）計算傾覆力矩M0：

基礎重量GФ計算：

按（7-42）公式計算基礎臺階上覆土重量Gr：

按公式（7-41）計算基礎承受的總垂直力G：

圖1 基礎結構圖

基礎土壤承載力[σ]h計算（取 k＝2.0）：

因為 h＝4.05m＞2.0m，故按公式（7-43）計算[σ]h：

按公式（附 7-1）計算 M1：

按公式（7-49）計算 σ0：

按公式（7-59）計算 M2：

按公式（7-63）計算 M3：

已知 φ=25°，查表 7-57 得到 f＝0.4663，所以 M3＝γfh2a1（4b1+3a1）/14＝1.7×0.4663×4.052×4.33 （4×3.52+3×4.33）/14＝108.861t.m。

按公式（7-55）計算ΣM：

按公式（7-53）計算傾覆安全系數K，并進行校核：

所用基礎滿足傾覆力矩的要求。

2.1.2 基礎抵抗滑移的能力

基礎的所有抵抗滑移的能力，必須大于產生滑移的外力，其穩定條件為

式中：Q——支柱和懸掛的重力負載（kN）；

N——基礎和臺階上土的總重力負載（kN），其值為N＝abhγ混，其中，γ混為土和混凝土的混合容重，一般取20kN/m3。

f——基底與土的摩擦系數；

EP——基礎側面的被動土壓力（kN）；

PH——支柱傳給基礎頂面的水平負載（kN）；

KC——抗滑安全系數，一般取1.3。

地基為可塑黏土，容重取16 kN/m3。內摩擦角取15°，粘聚力取18kPa，土抗系數m取27.2，基底與土的摩擦系數取0.3。

故[（Q+N）f+EP]/PH＝[（35+1234.57）×0.3+157.104]/56.18＝9.576＞1.3，所以基礎在水平外力作用下不會沿基底面滑移。

2.1.3 基礎地面最大壓應力

基礎地面產生的最大壓應力Smax必須小于地基的承載能力[R]，即：

所以地基不會產生破壞。

所有計算至此完畢，所設計基礎滿足強度、穩定性和承載力的要求。

2.2 混凝土基礎的固定及地腳螺栓的選用與強度及受力計算

2.2.1 基礎連接件的選擇

基礎用一組地腳螺栓固定到地面上。螺栓尺寸如圖2所示。

圖2 地腳螺栓尺寸圖

2.2.2 地腳螺栓的布置及強度計算

地腳螺栓設計為16個，對稱布置，具體安裝位置如圖3所示。

圖3 地腳螺栓安裝位置圖

螺栓組所受載荷為軸向載荷，其承受載荷較大，螺栓性能等級選用8.8。

螺栓總拉力F2＝F0+CbF/（Cb+Cm），取Cb/（Cb+Cm）為0.3；

螺紋連接件的許用應力[σ]＝σs/S＝640/1.4＝457.1MPa；

碳素鋼螺栓取預緊力 F0＝0.3σsA1＝0.3×640×106×π×（20×10-3）2/4＝60.319kN；

工作拉力 F＝F∑/z＝（163.369+1.55478+0.8369）×10/16＝103.617kN；

所以，總拉力 F2＝60.319+0.3×103.617＝91.4041kN；

螺栓危險截面的拉伸強度：

計算至此完畢，所用地腳螺栓滿足強度要求

以上式中：F0——螺栓的預緊力（kN）；

F——工作壓力（kN）；

Cb——螺栓剛度；

Cm——被連接件的剛度；

F∑——軸向總載荷（kN）；

z——螺栓數目；

3 結論

本文通過新建鐵路觸網硬橫跨無補償下錨設計的完成，對接觸網特殊安裝設計過程有了較為清晰的認識，經過嚴密的分析和詳細的計算，能較好地符合各方面的要求。