H型钢支柱在客运专线接触网系统中的应用

2010-07-13侯显洪李红梅

铁路技术创新 2010年1期

■ 侯显洪李红梅

侯显洪：中铁第四勘察设计院集团有限公司，助理工程师，湖北武汉，430063

李红梅：中铁第四勘察设计院集团有限公司，教授级高级工程师，湖北武汉，430063

摄影胡山

接触网是电气化铁道和城市轨道交通所特有的一种向电力机车或电动车组提供电能且无备用的供电设备。接触网支柱作为接触网系统的重要组成部分，其强度和可靠性直接关系到列车的运行安全。随着铁路客运专线运营速度的提高，对接触网支柱的要求也日益严格，不仅需要安全可靠，经济性也是重要考虑因素，并且随着发展可持续经济这一观念的深入，接触网的环境效果也应作为一个重要方面加以考虑。

1 国内外应用情况和选用的原则

接触网支柱的具体选用可经过技术经济比较后确定，在满足受力等基本条件和可靠的前提下，为了施工和运营维护方便以及美观起见，客运专线支柱外形应统一，支柱类型应尽量归类，且形式便于批量生产和质量控制。即，适应350 km/h高速铁路工程使用的支柱应该具备如下具体特点：采用外法兰连接且支柱下部宽度必须足够小（≤350 mm）；材料选择范围较大；校验容量大，挠度小；适应短路电流达到17～25 kA结构不破坏或强度降低；加工容易，批量生产质量稳定；美观、无维修。

可选的成熟支柱类型有H型截面钢柱、环形预应力钢筋混凝土支柱、圆钢管柱、格构式钢柱4种。这4种支柱在国内外高速铁路中均有应用。环形预应力钢筋混凝土支柱具有造价较低且无维修的优点、但加工困难，支柱容量偏小；型钢支柱可细分为支柱、钢管支柱以及格构式焊接型等，在世界高速铁路上被大面积采用。法国、日本、英国、韩国等国的高速铁路均采用截面钢柱，德国的高架桥上也采用截面钢柱。其生产应用技术已十分成熟。H型钢柱是我国国家技术政策鼓励采用和推广的形式。

2 技术性和可靠性的综合比选

在机械性能上，截面是单向荷载的最佳截面；钢柱直接采用型钢材料，加工和质量控制容易，采用法兰连接后安装方便，材料选择范围较大，最重要的是钢柱可以很好地满足客运专线实际支柱受力的较大校验容量的技术要求。

根据分析的结构设计风速，按照《建筑结构设计规范》中相关规定计算分析，正线接触网支柱承载能力极限校验容量归类见表1。

目前我国用于200 km/h的定型混凝土等径圆杆、圆钢管柱的额定弯矩一般为60～120 kN·m，其承载能力只能用作客运专线一般地区的中间柱，对于高架桥或大风地段、有附加漏泄电缆地段、关节和道岔区、中心锚结区、预留加强线的第一个供电臂区间等受力稍大的支柱暂无成熟定型产品可以直接采用，需要研制开发（客运专线工程建设统计表明，目前如果采用现有的混凝土圆杆，46%的支柱无定型产品可选）。

另外，因为在接触网支柱侧面埋设了比国外高速铁路路基宽的电缆沟，因土建的路基宽度限制，留给接触网支柱基础的宽度最大为700 mm，意味着接触网的支柱下部宽度必须足够小，即更大容量的混凝土圆杆必须在现有Φ400 mm的小容量圆杆的基础上进一步缩小的条件下开发研制，条件将更为苛刻。

客运专线的短路电流达到17～20 kA，如果发生短路击穿绝缘子，大电流将对预应力混凝土支柱的钢筋结构造成有害影响，为消除存在的危险，国外曾采用在支柱内部配筋时增加载流的非预应力钢筋截面和专用接地通道（否则需要AT供电方式也采用PW线绝缘架设和客运专线接触网采用双重绝缘，使得牵引网结构复杂）。

根据实际用户的使用经验，目前我国现有的高强度混凝土等径圆杆因为加工难度大或其他原因，大批量生产的质量不够稳定，标准的加装焊接法兰的方式也不适用外露安装，自身也需要改进和提高质量。所以，从技术适用性和工艺困难的角度分析，大容量的混凝土等径圆杆，我国尚不具备大规模工程应用的条件，需要加紧研制并改进工艺。现阶段，H型钢支柱是可选方案。

3 经济性的综合评估

表2列出了适用于客运专线的（9.5 m以上）单根支柱的材料费用。

H型钢柱同比Φ400 mm圆钢管柱（包括圆锥形钢管柱），价格较低。在目前钢材价格水平较高的情况下，H型钢柱在材料单价上显得较Φ400 mm等径混凝土圆柱贵。表2中的价格是基于现有混凝土标准支柱类型，如果考虑以上大容量、小底盘直径、大短路电流等新的技术要求将导致新混凝土圆杆成本的增大，上述经济性差异会减少。德国高速铁路较多采用的专用混凝土锥形圆杆就比其截面钢柱造价更高可以说明一定的问题（德国采用混凝土锥形圆杆主要考虑的是美观和无维修）。

需要说明的是，支柱本身对接触网工程造价影响的权重是有限的。虽然单根支柱的材料费贵60%，但对接触网工程投资比例的影响，二者投资指标之比约为1.08∶1，如果考虑H型钢的可回收的残值率，二者投资指标之比可降至1.03∶1，影响在3%以内。结合武广高速铁路特点进一步分析，该线桥隧所占比例分别为37.7%和13.6%，扣除桥隧原本不采用混凝土圆柱的比例，客运专线的钢支柱绝对成本对客运专线接触网工程造价的影响权重将进一步减小。

表1 正线接触网支柱承载能力极限校验容量

表2 不同接触网支柱类型材料单价对比

鉴于客运专线特点，从技术可靠和质量要求等因素分析，应采用热浸镀锌截面钢柱，且经济上成本的增加对接触网工程投资的影响十分有限，故本次设计客运专线推荐采用热浸镀锌H型钢柱。

4 H型钢腕臂柱荷载选用研究结论

针对武广高速铁路的荷载，区别不同的风口地带，考虑有或无合架的漏泄电缆，按照以往常规理解和表达方法，为12～25 kN·m额定弯矩等8种基本类型，归类后简化成4种基本杆型，为16～25 kN·m。正确的表达方法应是正常使用极限状态（许用极限荷载）和承载能力极限校验弯矩，应为520～260 kN·m。

日本的支柱容量，以传统的表达方式（1.5安全系数），为17～22 t·m，最小10～13 t·m。德国的支柱容量，以极限承载能力校验弯矩表示，标准的可选圆形的混凝土支柱和钢柱通常均为160～520 kN·m不等。根据国际相关标准，校核支柱的扭曲角度不应大于6º，客运专线正线采用的热浸镀锌截面钢柱的具体荷载选型建议见表3。