電氣化鐵路接觸網支柱選型研究

雷偕

摘要：接觸網支柱是電氣化鐵路非常重要的受力構件，是一種無備用的戶外供電支持裝置。接觸網支柱經常受冰、風、雨、雪等惡劣氣象條件的影響，一旦發生故障或事故將直接影響列車的運行，因此其選型設計首先要考慮其結構受力的安全可靠性，同時還要考慮結構的簡單輕巧、材料利用、關聯工程投資的經濟性，最后還要兼顧施工、方便運營維護及特殊環境的適應性。

關鍵詞：接觸網支柱;選型設計;可靠性;經濟性;特殊性

一 前言

目前，鐵路已經是人們日常生活中不可或缺的一項，尤其是高鐵已經成為中國經濟高速發展、國力強盛的一張高含金量的名片，其運營里程已經超過全世界其他國家的總和。高含金量體現在什么地方？靠我們以前60km/h的柴油牽引顯然沒有說服力，其高含金量主要是指在高速行進中的輪軌系統、牽引供電系統、信號系統的可靠性及穩定性。作為火車能量來源的牽引供電系統是其中的重要一環，其中接觸網支柱是牽引供電系統的基石，是保證鐵路安全、穩定運行的前提，因此選用一種適合鐵路項目實際情況的支柱是非常重要的。

國外鐵路設計工作者對接觸網支柱選型設計做了大量的研究工作，包括很多理論研究和試驗，但他們沒有對某一等級的鐵路規定相對應的支柱型號。國內對支柱選型也做了一些工作，我國鐵路行業有規范標準原文規定如下：“設計速度200km/h及以下線路，路基段腕臂柱宜采用橫幅桿式預應力混凝土支柱，橋梁上腕臂柱宜采用格構式或實腹式鋼柱;設計速度250km/h的線路，路基段腕臂柱宜采用環形等徑預應力混凝土支柱，橋梁上腕臂柱及車站線間立柱可采用鋼管支柱或H形鋼支柱;設計速度300km/h及以上線路，腕臂柱宜采用H形鋼支柱。”

二 接觸網支柱類型

目前常用的鐵路接觸網支柱類型主要有預應力混凝土支柱和鋼結構支柱兩大類：預應力混凝土支柱主要有橫腹桿式預應力混凝土支柱、環形等徑預應力混凝土支柱;鋼結構支柱主要有格構式鋼柱、鋼管支柱、雙槽鋼鋼柱、H型鋼柱。

2.1? 橫腹桿式預應力混凝土支柱

橫腹桿式預應力混凝土支柱即我們常說的“方桿”，它是我國電氣化鐵路的第一種接觸網支柱。該支柱結構型式簡單，容量一般為38～170 kN·m，造價較低。缺點是自身重、垂直于線路方向尺寸較大，需要占用較大的路基寬度，運輸安裝不便、外觀不太美觀且順線路方向承載力較小，使用范圍受到限制。

2.2? 環形等徑預應力混凝土支柱

環形等徑預應力混凝土支柱即我們常說的“圓桿”，該支柱受力無方向性，容量一般為60～140 kN·m，適用于做腕臂柱，其缺點是自身重、運輸安裝不便、縱裂問題目前尚未得到較好的解決、運輸安裝過程中易受振動或碰撞折損。

2.3? 格構式鋼柱

格構式鋼柱的結構性能優良，材料布置合理，可根據具體使用場合設計成不同的結構型式，方便靈活。支柱底部設法蘭盤，通過地腳螺栓與基礎連接，安裝方便。格構式鋼柱的容量跨度范圍很大，在路基、橋等場合均可使用。但外形尺寸一般為600 mm×400 mm～1200 mm×800 mm（垂直線路方向尺寸×順線路方向尺寸），占用較大空間，目前常用的容量范圍為80～600 kN·m。

該結構桿塔由于組合桿件多，所以下料、放樣、焊接、防腐等制造工藝比較復雜。若采用整體焊接，則受鍍鋅槽的限制，需分段鍍鋅后再焊接噴鋅，會形成防腐薄弱點;若采用法蘭分段連接，撓度較大。

2.4? 環形截面鋼管柱

環形截面鋼管柱結構型式可采用等徑或錐形（錐形鋼管柱在地鐵項目中應用較多），外形美觀，截面尺寸小。單腕臂柱直徑一般可控制在300 ～ 350 mm 范圍，質量較輕。可采用無縫鋼管或壓力機或卷板機加工鋼板成型，埋弧自動焊接，制造簡單，機械化程度高，質量容易控制。但設備和模具一次性投資較大。若采用市場上的管材（無縫鋼管）加工，則設計上受管材長度規格的限制。

該支柱抗彎及抗扭強度和剛度較大，環形截面的扭轉慣性矩為其抗彎慣性矩的2 倍，一般不需檢驗其抗扭強度，作錨柱時可不打拉線。其采用杯型基礎時，可直接埋入基礎中;采用預置地腳螺栓基礎時，支柱底設法蘭盤，法蘭盤為圓形或方形，螺栓對稱布置，安裝方便。

2.5? 雙槽鋼鋼柱

雙槽鋼支柱外形簡潔，截面尺寸小，質量較輕，目前在國內鐵路項目中未運用，但在西班牙、德國、俄羅斯鐵路項目中應用較多。目前使用的容量范圍為80～200 kN·m。

雙槽鋼鋼柱綜合了格構式鋼柱與型鋼柱的部分優點，自重輕、尺寸較小、易于加工和運輸。

2.6? H型鋼柱

該支柱截面尺寸一般為240 mm×240 mm ～300 mm×300 mm（垂直線路方向尺寸×順線路方向尺寸）。由于采用型鋼制造簡單，只需將型鋼做焊接底板及防腐處理即可。

立柱與環形截面鋼管柱類似，基礎可采用杯型基礎或預置地腳螺栓基礎，安裝方便，支柱上下截面一致，裝配簡單，外形美觀。

該柱抗彎強度和剛度較大，但抗扭強度與剛度較小，其扭轉慣性矩約為抗彎慣性矩的1/（100～250），設計時應對其抗扭性能進行核算，用作轉換柱及錨柱時尤應注意，支柱高度較大時穩定性相對較差，一般用作腕臂柱。

三 接觸網支柱選型設計

接觸網支柱類型很多，如何對一個鐵路項目進行合理的支柱選型設計是一個嚴肅的極其重要的問題。我國對接觸網支柱也做了些研究工作，但都不夠深入，大部分設計者都是照搬相關規范;有些對支柱選型的論文也沒有跳出規范的束縛。個人覺得單純從鐵路項目速度等級來對接觸網支柱選型太片面，而應考慮項目速度等級、項目所處地區及支柱所處區段等因素從可靠性、經濟型、特殊性等綜合研究。

3.1? 可靠性

接觸網支柱可靠性最基本要求即為支柱的容量須滿足本工程要求。

接觸網懸掛基本容量計算（以直供方式的中間柱懸掛為例）如下：

水平力方向：實線為曲線外側中間柱;虛線為曲線內側中間柱。

根據選用的腕臂、絕緣子型號確定。

c.附加導線重量

根據選用的肩架、絕緣子型號確定。

3）直線中間柱彎矩計算

式中：H1——接觸線距基礎面高度;

H2——承力索距基礎面高度;

HF——附加導線距基礎面高度;

基礎面——對混凝土柱為地面;對鋼柱為基礎面。

H4——支柱高度之半;

Z =C X +B——懸掛中心與支柱中心的距離;

C X——側面限界;

B——支柱寬度（軌面處）之半;

C——受電弓中心與線路中心的偏移;

a——曲線拉出值;

Z F——附加導線與支柱中心的距離。

4）曲線外側中間柱彎矩計算

式中：Z X =C X +B+C-a——懸掛中心與支柱中心的距離;

5）曲線內側中間柱彎矩計算

式中：Z X =C X +B-C+a——懸掛中心與支柱中心的距離;

3.2? 經濟性

由于接觸網支柱類型較多，支柱自身的成本是設計需要考慮的重要因素之一：混凝土柱價格便宜，但容量相對較小，且混凝土柱生產廠家技術水平參差不齊，容易造成運行事故;格構式鋼柱價格適中，容量大，但截面尺寸較大，對路基面的寬度要求較大，適用于路基寬度較大的線路;H型鋼柱與鋼管柱容量相對較大，截面較小，但價格昂貴。可以看出各種類型的支柱有利也有弊，導致在選用過程中受限制因素太多。比如，在設計中，需要用的容量較大，但路基寬度很小，應用不了目前國內用得較多的角鋼格構式支柱，就只能選用H型鋼柱或等徑鋼管柱，但單根價格又太貴，造成全線造價大幅度增加。所以討論經濟性應從支柱材料及加工的自身投資、運費及對相關工程的附加投資等綜合考慮。

以一段400km鐵路工程為例（其中200km路基、100km T梁橋、100km隧道），作一個簡單的比較分析：

1.單根接觸網支柱價格比較（鋼材單價參考《鐵路工程建設主要材料價格信息【二0一四年第二季度】》）

2.工程綜合比較

方案一：路基區段接觸網支柱采用橫腹桿H78，最大跨距60m。

T梁橋區段接觸網支柱采用格構式鋼柱G120/12，下錨柱采用G120-450/12.5，跨距32.5m。

方案二：路基區段接觸網支柱采用普通雙槽鋼鋼柱Gc80/9，最大跨距60m。T梁橋區段接觸網支柱采用普通雙槽鋼鋼柱Gc120/12，下錨柱采用G120-450/12.5，跨距32.5m。

方案三：路基區段接觸網中間柱采用特型雙槽鋼鋼柱Gcr80/9，最大跨距60m。T梁橋區段接觸網采用特型雙槽鋼鋼柱Gcr120/12，下錨柱采用G120-450/12.5，跨距32.5m。

三種方案詳細比較如下（其中路基、橋梁增加投資是相對方案三增加的部分;支柱價格已包含安裝費）：

從上表可以看出，方案三比方案一節省工程總投資1.172億元;方案三比方案二節省工程總投資0.791億元，方案三為經濟性最優方案。

3.3? 特殊性

1.溫差變化很大的地區不宜選用預應力混凝土等徑支柱

由于預應力混凝土其自身構造特點容易產生縱向裂縫，溫度應力也是其中一個的重要原因。支柱在后期環境溫度變化時，會在表面引起較大的拉應力進而引起支柱逐漸產生縱裂。

2.高腐蝕環境地區不宜選用碳素鋼材質的封閉式鋼管柱

部分沿海、過江隧道等高溫、高濕、高鹽等強腐蝕熱帶溫潤型環境地區，受氣流沖刷的影響，大氣中強腐蝕介質（Cl-等）通過鋼柱鍍鋅工藝孔內壁并附著聚集，引起支柱發生嚴重腐蝕。

由于腐蝕從封閉式鋼管柱內部開始，由內而外急劇發展，前期階段不易發現，一般待發現時已銹穿管壁，給鐵路運行造成嚴重事故。

3.受扭矩工況作用不宜選擇開口型支柱

相同荷載情況下，支柱抗扭性能與支柱型式及截面有很大關系。閉口型支柱（即鋼管柱）抗扭性能遠優于開口型支柱。

4.嚴寒環境下不宜選用焊點多的格構式鋼柱

5.高地震烈度區不宜選用自重大的混凝土支柱

6.山區供電線支柱不宜選用自重大的支柱

四 結論及發展建議

《孫子兵法》曰：“水因地而制流，兵因敵而制勝。故兵無常勢，水無常形，能因敵而制勝，謂之神。” 接觸網支柱選型研究是一個復雜的課題，需要根據各項因素綜合考慮，其可靠性、經濟性及特殊適用性都是優選的結果才是一個優秀的接觸網支柱選型設計。當然，接觸網支柱本身也需要緊緊追隨時代的進步、科技的發展，如自身比重輕且防腐性能優異的玄武巖纖維材料支柱、內嵌信息傳導功能的智能化支柱等都是現今接觸網支柱的發展方向。

參考文獻

[1].TB 10009-2016 鐵路電力牽引供電設計規范

[2].張健，沈陽至鐵嶺輕軌接觸網支柱選型和容量計算

滇南鐵路建設指揮部