钢结构整体腕臂在甘青高铁的应用

秦宗学，鲁海祥，刘 杰

钢结构整体腕臂在甘青高铁的应用

秦宗学，鲁海祥，刘 杰

甘青高铁采用在国内使用较少的钢结构整体腕臂，根据钢结构腕臂的特点及施工现场实际情况建立腕臂计算数学模型，为今后类似施工提供参考。

钢结构；整体腕臂；应用

0 引言

我国高速铁路接触网一般采用铝合金管组合腕臂，但因幅员辽阔，气候条件复杂，铝合金管组合腕臂由于风大等气候因素，存在一定的局限性。钢结构整体腕臂很好地解决了这一局限性，如广深客专、海南东环线以及兰新客专都采用了这一形式的结构。但由于钢结构整体腕臂的自身特点，对基础面与轨面的精度要求高，施工难度较大。本文结合现场施工实践，详细阐述钢结构整体腕臂在甘青高铁施工中的应用，以期为今后高铁采用钢结构整体腕臂施工提供参考。

1 钢结构整体腕臂简介

图1和图2分别为钢结构整体腕臂正定位和反定位安装图。

1.1 钢结构整体腕臂结构特点

钢结构整体腕臂结构具有如下特点：

（1）腕臂、定位管均采用钢管，定位管两端是焊接好的单耳连接，厂家根据现场测量参数计算结果，统一加工，施工现场对号安装，不需再加工。

（2）反定位结构高度及定位器角度主要由平腕臂弯管半径为1 000 mm的弯管下弯量控制。

（3）定位器是带弹簧补偿的，接触线至定位管中心要求500 mm，最大误差±15 mm。接触导线至定位管中心的距离主要由定位管的高度控制。

（4）腕臂安装高度确定后，定位管要达到设计高度，须保证正定位定位管垂直方向长度、反定位R型水平腕臂垂直方向下弯长度的加工精度。

钢结构腕臂计算、安装示意图见图1和图2。

1.2 现场基础施工特点

现场基础施工具有如下特点：

（1）站前施工单位预留基础标高的偏差大，基础面至轨面的高度误差在±50 mm的占20%以上。而支柱高度及腕臂底座预留的尺寸是统一的，因此造成腕臂安装高度是不一致的。

（2）腕臂上、下底座要求安装在支柱的预留孔内，特别是等径预应力混凝土支柱，现场不能重新开孔，安装位置固定不能调整。

结合以上特点，完成精确计算是没有问题的。但腕臂计算是根据安装的每个支柱的限界，拉出值位置处的导高及设计结构参数等计算的，每个腕臂的计算结果是不一致的。腕臂生产厂家要根据计算结果一一对应精确加工，难度太大。加工平台需不停调整，增加了加工难度，降低了生产效率，供货的速度远远满足不了现场施工安装的需要。如何解决这一难题，在加快厂家生产效率的同时，满足现场施工安装的需要，是需要解决的关键问题。

图1 正定位腕臂安装图

图2 反定位腕臂安装图

2 钢结构整体腕臂计算简析

根据钢结构整体腕臂的特点，拉出值现场控制较方便，结构高度现场控制则比较困难。因为接触线到定位管中心的垂直距离是保证导高的关键，而该关键的关键在于腕臂施工安装精度，特别是反定位。下面就以反定位为例，分析如何控制定位管的高度。

由于现场基础标高不一致，腕臂安装高度就不可能一致，不能完全符合设计的标准安装高度。可能高于标准高度，也可能低于标准高度，因此，对标准安装高度做出如下设定：（1）以标准安装高度腕臂为参考腕臂（标准高度的腕臂主要是承力索座至定位管弯头双耳的形式固定为标准值）；（2）以平腕臂弯头双耳为圆心转动腕臂至高于标准安装高度的位置。根据以上设定绘出分析图（图3）。

根据图3分析，只要控制好R型反定位水平腕臂管双耳的高度，就可以控制定位管的高度。

图3 反定位腕臂安装设定分析图

根据计算出的标准安装高度的R型腕臂长度尺寸（标准安装高度的R型腕臂计算本文不介绍），计算出高于或低于标准安装高度时的R型腕臂的平腕臂长度、斜腕臂长度即可。

非标准安装高度的定位管可参照标准安装高度计算出来的定位管相关数值。通过图3可以看出，由于平腕臂安装高度升高或降低，采用平腕臂标准安装高度计算出来的定位管，在定位器安装位置引起的误差只有±5 mm左右，符合设计要求，满足施工需要。

3 非标准安装高度时的平、斜腕臂计算

根据图3及设定的条件，画出分析图，找出几何关系，计算非标准安装高度的平腕臂、斜腕臂长度尺寸，见图4。

图4 平、斜腕臂非标准安装的分析图

已知条件：限界Cx，斜率σ，上底座安装高度H上，上下底座间距H上下，拉出值a，外轨超高Hw，接触线高度Hc，结构高度H结构，轨距L，腕臂自身结构尺寸（图2）。

待求数：各线段r2、r3、c、d、h、g长度，

∠a、∠b、∠a1、∠a2、∠b1、∠b2，线段H高差、Hc'。

其中：a.线段c长度：腕臂低头时，其值为标准高度腕臂承力索座至棒瓶单耳的长度+h；平腕臂抬头时，其值为标准高度腕臂承力索座至棒瓶单耳的长度-h。b.线段d长度为腕臂低头时，与大圆直径组成的直角三角形的短直角边长度。c.线段g长度为腕臂低头时，与小圆直径组成的直角三角形的短直角边长度。d.线段h长度：平腕臂因低头伸长，或抬头缩短的量。e.H高差= (e − d)，标准腕臂平腕臂向下弯曲的垂直距离用H垂表示，e = H垂+ H高。H高为实际安装比标准安装高度高的数值。

上述各参数确定如下：

（1）确定上底座安装高度H上：

H上= Hc'+ H结构− 承力索座至定位管中心距离。

直线区段直接代入已知数。曲线区段需计算出拉出值位置的导线高度，再代入其他数值。直线处Hc'= Hc，曲线处Hc'计算如下：

支柱位于曲线处，拉出值处的导线高度计算公式为

计算时，拉出值有正负号，曲内超高为正，曲外超高为负。

（2）根据已知参数，求出标准安装高度腕臂的平腕臂长度，斜腕臂长度，定位管长度及安装位置，定位支座的安装位置，这里就不详细介绍了。为了叙述方便先设定一些已经数据的代号。

标准腕臂承力索座至平腕臂弯管双耳孔处的水平距离为y1，标准腕臂平腕臂中心距定位管中心距离y2，标准腕臂承力索座至棒瓶单耳的距离y3，标准腕臂平腕臂弯管双耳处至平腕臂棒瓶单耳的水平距离y4。

（3）确定r2、r3的长度。

（4）确定∠a、∠b、∠a2、∠b2的度数，根据前述可知小圆处与大圆处的∠a、∠b是分别相等的。

∠a =∠b1−∠a1= arctan(e / y4) − arctan(H垂/ y4)。∠b的求法同∠a。

（5）低头平腕臂承力索座位置至棒瓶单耳孔的长度H平低的确定。

抬头平腕臂长度计算类似。

（6）低头腕臂斜腕臂长度计算。

低头腕臂斜腕臂长度：

其中，斜腕臂焊接单耳至平腕臂中心距离为100，承力索座至斜腕臂焊接单耳距离为50。

抬头斜腕臂长度计算类似。

经计算可得，限界3 000 mm，外轨超高为60 mm，拉出值为-250 mm，标准高度安装腕臂与抬高50 mm安装的腕臂相比，平腕臂差6 mm，斜腕臂差10 mm。按以上分析，厂家只需供应标准高度安装的标准腕臂，到现场后，根据每个支柱腕臂计算结果，把平腕臂、斜腕臂多余的长度割掉，做喷锌防腐处理，即可实现在不同的安装高度下，定位管高度符合设计要求。厂家加工，现场施工均非常方便。

4 结论

甘青客专的钢结构腕臂就是采用上述方法，厂家加工生产，现场施工安装的。彻底解决了钢结构整体腕臂对现场预留基础面至轨面精度要求高及在工期紧，工程量大的情况下，厂家成批加工供应，满足施工要求的难题。保证了该工程按期建成送电开通，工程质量符合设计要求。目前已进入试运行阶段，弓网受流质量良好。在以后同类工程的施工中，具有推广应用价值。

[1] 高速铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准[S].

The steel structure integral cantilevers have been adopted for Gan Qing high-speed railway which are less domestically used, the mathematical model for cantilever calculation, built up in accordance with characteristics of steel structure integral cantilever and actual situations of construction site, will provide a reference for the similar construction in the future.

Steel structure; integral cantilever; application

U225.4+2

B

1007-936X(2015)02-0015-03

2014-11-19

秦宗学.中铁电气化局集团西安电化公司，工程师，电话：15091572662；鲁海祥.中铁电气化局集团有限公司，高级工程师；刘 杰.中铁电气化局集团有限公司，教授级高级工程师。