三腕臂支柱悬挂的设计和维护研究

区 桂 华

(中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津　300250)



三腕臂支柱悬挂的设计和维护研究

区 桂 华

(中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津300250)

介绍了三腕臂支柱悬挂设计的方法，阐述了三腕臂悬挂方式的绝缘子更换检修时常见的问题，并通过力学性能及接触网支柱破坏原因的分析，得出了三腕臂接触网更换绝缘子的正确方法。

接触网支柱，三腕臂支柱，绝缘子，力学性能

0　引言

随着我国经济的飞速发展，铁路行业也不断发展。现在的主流铁路——高速铁路，成为当代社会的主流，其具有高速度、高稳定性、低噪声、高舒适性等的优点，其他国家也逐渐开始使用高速铁路。在铺设高速铁路时难免会遇到高速铁路和普通铁路交叉的线路，随着科技的不断发展，交叉铁路之间的接触网布置也越来越复杂，同样交叉线路对接触网的电缆线坡度变化要求也不断增加，如在道岔处需将线路平稳增加一跨后再进行下锚，从而使得在道岔处需采用三腕臂接触网进行架设。而在车站处，为增加车站的美观和整体协调性，在对既有线路进行改造时一般均采用单根腕臂柱上悬挂三支接触网的形式进行架设。我国近年来建成的客货共线铁路中，采用横腹杆预应力混凝土支柱的形式较多，这种支柱的优点是耐腐蚀性高、造价低，因此被广泛推广使用[1-4]。

接触网支柱安装完成后，为确保铁路达到正常运营状态，相关部门需定期或不定期对支柱上的零件或部件进行紧固和更换，但由于单支柱同时悬挂三腕臂接触网的特殊性，导致在进行维修时采用的维修方法不当[5]，接触网支柱出现扭曲和破损等危险现象。因此本文以某横腹杆式预制混凝土单支柱同时悬挂三腕臂接触网更换腕臂绝缘子为例，通过对其设计和力学性能进行分析，得到正确的维修手段，为以后类似工程的改造和维修提供一定参考。

1　设计分析

在横腹杆式预制混凝土单支柱同时悬挂三腕臂接触网平面设计中，一般包括两种设计方案：

1)一个工作支+两个非工作支；

2)一个道岔柱+一个非工作支。

接触网支柱的承载能力一般是根据悬挂接触网和所附加的导线的自重及外加荷载进行计算，之后再根据相关标准、规范对支柱的参数和类型进行选择。本文即以某线路为案例，对其平面布置设计和支柱悬挂情况进行受力分析。

1.1支柱中接触网悬挂情况

本接触网采用全补偿简单链型悬挂系统，正线采用JTMH-95(15 kN)+CTSH-120(15 kN)，站线采用JTMH-70(15 kN)+CTSH-85(10 kN)，回流线采用LBGLJ-185(10 kN)。接触网支柱示意图如图1所示，其中6号站线为三腕臂悬挂接触网支柱，Ⅱ道为工作支，其他两支为非工作支，分别为4道和渡线。

1.2支柱弯矩允许值计算

不同荷载下接触网支柱的弯矩容许值计算结果如表1所示。

表1　支柱弯矩允许值计算表 kN·m

1.3接触网支柱类型的选择

接触网支柱的类型选择依据TB/T 2286—2003电气化铁道横腹杆式预应力混凝土支柱[6]的相关规定进行选择。根据表1中的结果，选择第一种荷载组合情况，此时支柱荷载最大，接触网支柱的容量定为49.06 kN·m，支座类型选为H78型。

2　绝缘子检修

在进行检修时为确保下方铁路运输不受影响，采用传统的更换方式可对普通的腕臂绝缘子进行更换，但对既有线路中三腕臂悬挂方式的绝缘子进行更换的案例还较少，因此对三腕臂悬挂方式的绝缘子的更换方法进行研究极为必要。

在实际施工时，为达到简单、快捷、经济的效果，传统的更换方法是采用手扳葫芦进行更换，具体施工步骤如下：

1)首先将手扳葫芦的绳套固定于支柱上缘50 mm～100 mm位置处，手扳葫芦的另一端固定于腕臂承力索座附近；

2)将斜腕臂完全卸载；

3)卸载后将其从绝缘子钢帽中拔出，再将其绝缘子卸除，重新安装复位；

4)卸除手扳葫芦，结束。

在对悬挂三腕臂单腹杆支进行更换时，若采用上述常规方法，容易导致支柱产生扭曲、破损甚至断裂，从而导致支柱失效不能继续使用，或导致更严重的事故，因此应研究出一种新型可靠的施工方法对其绝缘子进行更换。

3　单支柱三腕臂悬挂方式的绝缘子新式更换方法

尽管目前对三腕臂悬挂方式的绝缘子更换案例较少，但根据仅有的更换方法进行总结，常规的方法包括如下两种：

1)先将腕臂端部用杉木杆支撑以使其卸载，再将定位器进行卸载，两者卸载完成后卸除绝缘子，用大绳将绝缘子吊下，安装新绝缘子，再紧固定位器，再使用杉木杆将绝缘子套入腕臂内，再紧固其他零件，最后拆除所有安装工具；

2)采用专业的接触网安装液压平台进行更换和安装。

上述更换方法为对腕臂进行支护的方法，其他具体施工方法同上节所述。

在进行更换时由于不能影响列车运营，因此更换和安装时间紧迫，检修时仅能采用临时的抢修措施进行更换和安装，这些因素均不能在接触网最初设计时进行考虑，因此导致检修后接触网易出现各类事故。因此在对三腕臂悬挂方式的绝缘子进行检修时，检修人员应根据相关设计图纸和运营部门及时沟通联系，尽量避免检修后接触网出现事故。

4　三腕臂悬挂方式的绝缘子力学分析

4.1力学性能分析

结合施工现场情况，单支柱三腕臂悬挂方式的绝缘子更换施工示意图如图2所示，具体施工方法同2，3节所述。对单支柱三腕臂悬挂方式的绝缘子更换施工示意图进行力学模型简化后，得到力学简化模型图，如图3所示。

1)支柱平面受力。

支柱的平面受力分析图如图4所示，其中，AC=0.9 m，BC=2.9 m，AB=3.04 m,α=17.24°。

2)支柱立面受力。

支柱的立面受力分析图如图5所示，其中，AB=3.04 m，AD=0.5 m，β=9.4°。

3)支柱受力分析。

采用手扳葫芦卸荷时需在手扳葫芦的拉线上布置平衡荷载Q，平衡荷载与手扳葫芦自身荷载对支柱产生附加拉力T=T′。其中Q=导线自重+零件自重+其他附件自重=2.2 kN，附加拉力按照检修人员为1人时计算，并且手扳葫芦的自重荷载通常为0.8 kN，因此总计为2.2 kN。

附加拉力T=T′=Q/sinβ=13.5 kN，图5中的D点处产生的水平分力Tz=T×cosβ=13.3 kN，将力分解后得到Tx=Tz×sinα=4 kN，Ty=Tz×cosα=12.9 kN。

4)附加弯矩计算。

通过上述计算得到，采用这种原始的施工方法，增加了支柱的水平力，从而导致支柱的弯矩和扭矩也增加。支柱的两方向附加弯矩分别为：Mx=Ty×LAD=6.45 kN·m；My=Tx×LDO=34.4 kN·m，支柱增加的扭矩Mz=Ty×LAC=11.6 kN·m。

4.2维修后破坏原因分析

根据 TB/T 2286—2003电气化铁道横腹杆式预应力混凝土支柱中的H78支柱承受双向荷载情况规定：

1)当接触网支柱的线路垂直方向弯矩达到73 kN·m时，其水平方向弯矩仅能达到8 kN·m；

2)当接触网支柱仅承受水平方向弯矩时，其承受的最大弯矩为18 kN·m。

根据上述计算结果和传统手扳葫芦维修方法，接触网支柱所承受弯矩和扭矩分别为：

1)在接触网支柱的线路垂直方向产生了55.66 kN·m附加弯矩；2)在接触网支柱的线路水平方向产生了34.9 kN·m附加弯矩，已经超过了规范中规定的8 kN·m和18 kN·m，并且也使支柱增加了11.88 kN·m的扭矩，也已经超过了规范中所规定的数值。

因此，根据上文分析得到，在对单支柱三腕臂悬挂方式的绝缘子进行更换时采用常规的维修方法使支柱的附加弯矩和扭矩均增加，最终可导致接触网支柱破坏、扭曲，甚至断裂。而采用新式更换方法可对支柱进行一定程度的支撑，将所产生的弯矩和扭矩转移至施工平台或其他操作工具中，从而可直接减小弯矩和扭矩对接触网支柱的影响。

5　结语

根据上述分析得到，在对单支柱三腕臂悬挂方式的绝缘子进行维修或更换时，采用常规的更换方法会导致接触网支柱产生附加弯矩和扭矩，增大了接触网支柱的损坏几率。在进行施工时，人为的增加接触网支柱的荷载，当其荷载超过规范限值时，会导致支柱内产生裂纹、钢筋断裂或支柱倒塌等事故，影响列车运营。因此在进行设计和维护时应遵循以下原则：

1)在接触网初步设计时尽量避免出现单支柱三腕臂，避免出现这种受荷最不利状态。若设计时必须采用这种设计，应对这种单支柱进行充分力学性能分析，将单支柱的各方向承载力和扭矩均进行计算并满足相应规范要求，优化布置接触网的平面布置，尽量使接触网支柱的各方向受力均衡；

2)在对接触网支柱上的配件等进行检修或更换时，应首先对支柱受力情况进行计算并分析，若计算后得到的计算结果高于相应规范要求时，应采取相应的加固措施进行加固处理，以避免接触网支柱产生裂缝、扭曲或倒塌事故，影响列车的运营。

[1]何勇.接触网支柱折断故障抢修引起的几点思考[J].上海铁道科技,2015(1):57-59.

[2]朱挺.基于接触网支柱号在线智能识别定位技术研究[J].上海铁道科技,2015(1):24-25.

[3]黄鑫.高速电气化铁路接触网支柱选型研究[J].中国西部科技,2014(1):42，46.

[4]刘爱宾,张禄.接触网支柱的选用[J].科技视界,2014(28):171.

[5]张晨阳,芦燕.H型钢接触网支柱在风荷载作用下的疲劳性能分析[J].铁道标准设计,2016(6):117-120.

[6]TB/T 2286—2003,电气化铁道横腹杆式预应力混凝土支柱[S].Research of three pillar suspension bracket design and maintenance

Qu Guihua

(ChinaRailwayElectrificationSurveyDesignandResearchInstituteCo.,Ltd,Tianjin300250,China)

The paper introduces the methods of the three pillar suspension bracket design, illustrates the common problems in the replacement of the insulators of the three pillar suspension, and concludes the correct methods for the displacement of the insulators of the three pillar contact network according to the analysis of the damages of the dynamic performance and damages at the contact network columns.

contact network column, three pillar bracket, insulator, dynamic performance

1009-6825(2016)23-0144-03

2016-06-10

区桂华(1965- )，女，高级工程师

U225

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