东海岛铁路跨海特大桥强台风区接触网支柱结构设计

王爱竟

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

接触网支柱作为接触网的主要受力结构，承受着整个接触网的悬挂质量、工作张力、风雪荷载、列车振动荷载等。近几年，大风已成为引发电气化铁路接触网故障的重要因素之一[1]。因接触网结构跨距大、质量及结构柔性大，风荷载对其稳定性影响很大，是接触网结构设计中的主要设计荷载[2]。广东沿海是全国热带气旋灾害最严重的区域[3]，新建湛江东海岛铁路途径广东省西部的雷州半岛东岸，是台风最为频发的海岸段。台风相对于稳态风，瞬时风速更大且极具摧毁力。台风相对于稳态风，瞬时风速更大，对结构产生的荷载更大，提高接触网支柱抗风性能对保障接触网系统的安全性尤为重要。

1 接触网设计风速取值

对于强风区内规划的线路，合理确定设计风速是首要的问题，其选择是否科学合理将直接影响工程造价和运行安全。设计过程中应合理地确定设计风速，在确保线路安全运行与降低工程造价之间找到合理的平衡。

1.1 国内外接触网设计风速

就接触网设计风速的取值而言，各国国情不同，对风荷载的计算方法和原则也不尽相同，几个典型国家的接触网设计风速见表1[4]。

表1 接触网设计风速

注：德国的风速对应的4个地点分别为德国的南部和中部地区、德国的北部平原地区、沿海地区、海拔1 000 m以上地区。

中国香港地区的接触网风荷载按照英国的标准计算，区分了正常运行风速和台风风速。日本为岛国，台风登陆频繁，最大风速重现期按照百年考虑，近海地区结构设计风速也提高至50 m/s(日本新干线60 m/s[5])。我国接触网结构设计风速一般取40 m/s，且风荷载尚还考虑1.4的分项系数，因此该风速对大部分区域是适应的。但接触网作为铁路的牵引供电设备具有无备用、倒杆抢修周期长等特点，在沿海地区当台风风速远超出结构设计风速时，台风即成为不容忽视的设计因素。

1.2 基本设计风速

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)的风压分布图，湛江地区50年一遇基本风压ω0=800 Pa[6]。

大气密度为:ρ=0.001 25·e-0.000 1·Z

则湛江地区50年一遇基本风速为

同时，风压高度变化系数按照20 m进行修正，修正后的风速已达到45 m/s，但该风速是否可以作为结构最大设计风速尚需考虑。

1.3 结构设计风速

结构设计风速主要用于校核接触网结构及基础的强度[7]。东海岛铁路跨海特大桥位于粤西岸段的雷州半岛东岸，是台风最为频发的海岸段。现行规范尚未涉及台风作用下接触网体系风荷载的具体规定。鉴于本项目特殊的风荷载环境，确定结构设计风速时在满足相关设计规范的前提下，还充分考虑了以下两种情况。

(1)风振系数

关于风振系数，《建筑结构荷载规范》要求：基本自振周期T1≥0.25 s的各种高耸结构，应考虑风压脉动对结构产生顺风向风振的影响。根据行业规范及传统设计原则，接触网结构设计时风荷载不考虑风振系数[8]，这对大部分情况是适宜的，但当线路位于台风频发且台风强度较大的区域时，βz取1.0是否适宜，应综合本地区以往的风灾情况(超强台风的重现期长、短)、采用支柱的自振频率等具体项目特点，有针对性地进行分析。

东海岛铁路跨海特大桥为T梁，支柱立于桥墩顶面高度近12.0 m，支柱采用φ400 mm的圆钢柱[9]。以壁厚12 mm的支柱为例对其进行模态分析，得出其前6阶自振频率见表2。根据第1阶自振频率计算出支柱的基本自振周期为T1=0.32 s，自振周期已经超过0.25 s，因此本项目建议考虑风振系数。

表2 钢管柱自振频率 Hz

根据《建筑结构荷载规范》计算东海岛跨海特大桥上圆钢柱风振系数βz=1.58，考虑风振系数时结构最大设计风速vk=56 m/s。

接触网由刚度差别较大的支柱和导线组成，在相同风向角和相同风速条件下比较支柱挂导线和不挂导线两种状态的计算结果表明，导线对支柱风振响应的影响不大，因此导线不需要考虑风振系数。最终作用于支柱的风速按照考虑风振系数为56 m/s，作用于导线等其他结构上的风速按照不考虑风振系数为45 m/s。此时，计算承载能力极限状态时，风荷载分项系数rw=1.4。

(2)最大瞬时风强度校验

根据调研湛江历年台风登陆情况，中心附近最大风力达18级，此时的风速已经远大于45 m/s达1.5倍，根据风荷载与风速的换算关系，风荷载已达到2.25倍。本项目按最大风力18级，对应最大瞬时风速约68 m/s对接触网结构强度进行校验。即对接触网系统包括接触网支柱、导线等均按照68 m/s进行强度校核，但值得注意的是因风速已经取为极端最大瞬时风速，此时风荷载不再考虑荷载分项系数。

2 支柱结构形式

支柱是接触悬挂的重要支持结构，是接触网运行安全、稳定、可靠的基本保证[10]。混凝土柱结构质量较大，不方便运输及桥上安装，且用于海上环境时如不采用适当防腐措施防腐性能难以保证。因此，推荐采用钢结构支柱。支柱的截面形式有矩形、圆形、H形、格构式等。不同的截面，其体型系数不相同，体型系数愈小，结构受风性能愈好。在相同条件下，圆形截面体型系数最小，因而圆形截面所受实际风最小[11]。

东海岛铁路跨海特大桥为32 m简支T梁桥，轨面到墩顶面3.976 m，中间柱高度11.5 m，转换柱及锚柱则高达12.0 m。现对几种形式的中间柱进行结构技术性能及其经济性方面的对比分析，详见表3，其中前面3种为通用参考图中的支柱类型，后面2种为根据本项目进行设计的支柱。

表3 比选钢柱结构性能及经济性对比分析

从表3可以看出，H形钢柱质量最大，其受力具有方向性，抗扭性能及抗风稳定性较差[12]。尤其是本项目采用的支柱高度较高，采用11 m以上高度的H形钢柱长细比偏大，对结构的稳定性很不利。

目前T梁上接触网一般采用焊接型角钢格构式钢柱，格构式钢柱质量小，但支柱外形尺寸大，受脉动风影响较大。格构式桥钢柱通过角钢焊接而成，焊接部位较多。焊缝处为腐蚀薄弱点会率先发生腐蚀[13]，钢柱腐蚀的后果不仅仅是构件本身寿命的降低，更为严重的是存在影响行车及人身安全的隐患。

通用参考图中的内部加强型φ350 mm等径圆钢柱，虽然质量比φ350 mm的型钢轻，但是其内部沿柱身有2块纵向焊接钢板，4条纵向焊缝。因钢管内壁需通过镀锌工艺孔进行镀锌，锌层的厚度及均匀性都较钢管外部要差，内部更是腐蚀的薄弱点。尤其在海上环境腐蚀现象尤为突出，因此不推荐采用内部带有焊缝的加强型φ350 mm等径圆钢柱。鉴于项目特殊的海上气候条件，结合支柱结构受力性能及经济性，桥上接触网腕臂柱推荐采用柱身无焊缝的圆钢管柱。

3 支柱强度及刚度设计计算

3.1 支柱容量计算

支柱设计不但需要满足接触网系统在风偏风速作用下的可靠运行，同时还要保证接触网支柱结构在最大瞬时台风作用下不会造成无法恢复的变形及破坏。针对φ400 mm等径圆钢管支柱，分别对支柱设计风速56 m/s、导线风速45 m/s，瞬时最大风速68 m/s两种情况进行支柱容量计算，以下分别简称工况1、工况2。计算时采用线材及张力组合：JTMH95+CTS120(15 kN+15 kN)，支柱侧面限界3.8 m，最小曲线半径800 m，计算腕臂柱的标称容量(弯矩标准值)如表4所示。

表4 腕臂柱标称容量 kN·m

3.2 支柱结构设计原则

支柱结构的设计应采用以概率理论为基础的结构极限状态设计法，用可靠度指标度量结构的可靠度，采用分项系数的设计表达式进行设计。正常使用极限状态经计算满足相关要求，此处不再赘述，重点考虑承载能力极限状态。承载能力极限状态需采用荷载设计值，进行结构构件及其连接节点的承载力(强度和稳定性)计算，荷载设计值为在工况1、工况2荷载标准值的基础上乘以荷载分项系数。

承载能力极限状态1：支柱荷载组合由风荷载即可变荷载效应控制，风荷载分项系数γQ取值为1.4，支持结构自重及导线张力等永久荷载分项系数取值为1.2。

承载能力极限状态2：采用台风持续3 s以上最大瞬时风速校核支柱强度，台风为极端最大瞬时风速，此时风荷载荷载分项系数取为1.0。

通过表5计算结果对比分析可以看出，因本项目海上台风等级很大，瞬时风速已达68 m/s，该工况已成为东海岛铁路跨海特大桥上接触网支柱结构设计的控制工况。

表5 腕臂柱柱底弯矩设计值 kN·m

3.3 腕臂柱

采用ANSYS软件分别对φ350 mm及φ400 mm的腕臂柱进行有限元结构建模分析，分别计算上述2种工况下腕臂柱的强度和变形，支柱材质选为Q345，计算结果见表6及表7。

表6 φ400 mm等径圆钢柱强度及挠度(刚度)计算

表7 φ350 mm等径圆钢柱强度及挠度(刚度)计算

由表6、表7可以看出，以中间柱为例在支柱强度和刚度接近的情况下，若采用直径400 mm的支柱，则其规格为φ400×10 mm，而采用直径350 mm的支柱，则其规格为φ350×16 mm。说明加大支柱的直径相对加大壁厚而言可以更加明显地增加刚度，同时，每根φ350×16 mm圆钢管柱较φ400×10圆钢管柱质量多出约400 kg，投资每根增加约3 800元，因此从技术及经济两方面比较，本项目推荐采用φ400 mm的圆钢管柱。

3.4 不打拉线下锚柱

本项目桥上下锚采用不打拉线下锚柱，下锚柱为双根φ400×12 mm钢管柱中间设横向连接腹杆(间距1.0 m)，支柱高度12.0 m。根据本线的线材张力组合计算不同风速时下锚柱的容量，分别按照顺线路最大风、垂直线路最大风两种工况进行计算。同时，垂直线路方向容量考虑下锚转角力引起的附加弯矩。锚柱内力云图见图1，相应不同风速下的具体内力值(标准值)见表8。

图1 锚柱内力云图(轴力、垂直线路弯矩、顺线路弯矩)

风速/(m/s)68轴力/kN弯矩MY/(kN·m)弯矩MZ/(kN·m)备注160.6126.731.3垂直线路风207.570.452.9顺线路风

以风速68 m/s为例，风向顺线路时下锚方向柱顶位移最大为20.6 mm，风向垂直线路时悬挂方向柱顶位移最大为95.9 mm。柱身最大应力设计值为96.7 MPa，见图2。35、47 m/s风速时锚柱强度及变形均满足要求，此处不再赘述。

图2 风速68 m/s锚柱变形云图

4 钢柱结构性能检验(图3、图4)

4.1 试验目的及方法

φ400 mm等径圆柱为非通用参考图中的支柱型式，通过ANSYS有限元计算软件对腕臂柱及锚柱进行了受力分析。为了对计算结果进行验证，更是为了考核钢管支柱的结构性能及可靠性，保证其质量，根据相关要求在工厂进行了支柱结构性能试验。

图3 腕臂柱结构性能试验

图4 不打拉线锚柱结构性能试验

试验模型采用实际尺寸钢支柱，结构性能检验采用立式试验方法，钢管支柱受力方向为水平。在柱顶及导高处分别设置了读数卡尺用于分别记录两个位置处的挠度值。

4.2 试验依据

产品试验的依据是《电气化铁路接触网钢支柱 第3部分：环形钢管支柱》(GB/T25020.3—2010)。

4.3 试验结论

(1)通过上述结构性能试验，钢柱的外观质量，尺寸偏差，锌层，以及按照标准检验弯矩 、挠度检验弯矩、承载力检验弯矩进行检验的各项指标均符合GB/T25020.3—2010的相关规定。

(2)仿真计算结果与试验实测结果吻合很好，误差在5%范围以内。说明通过仿真计算可以达到预期的效果且仿真结果可靠度高。

5 结语

(1)接触网设备属于露天布置的无备用供电系统，受大风等自然灾害影响较大[14]。我国地域辽阔，自然环境复杂多样。接触网设计风速应结合具体项目特点或特殊工点进行差异化设计，这样才能满足工程实际的需要。

(2)台风环境下接触网结构进行瞬时台风作用下的安全校验十分必要。

(3)本文从强台风环境下接触网设计风速取值、T梁桥钢柱支柱型式的确定、T梁桥接触网钢管柱设计计算、桥钢柱结构性能试验等方面对台风环境下接触网支柱结构设计进行了完整的论述。研究成果已应用于东海岛铁路跨海特大桥。