电气化铁路接触网支柱选型研究

雷偕

摘要：接触网支柱是电气化铁路非常重要的受力构件，是一种无备用的户外供电支持装置。接触网支柱经常受冰、风、雨、雪等恶劣气象条件的影响，一旦发生故障或事故将直接影响列车的运行，因此其选型设计首先要考虑其结构受力的安全可靠性，同时还要考虑结构的简单轻巧、材料利用、关联工程投资的经济性，最后还要兼顾施工、方便运营维护及特殊环境的适应性。

关键词：接触网支柱;选型设计;可靠性;经济性;特殊性

一 前言

目前，铁路已經是人们日常生活中不可或缺的一项，尤其是高铁已经成为中国经济高速发展、国力强盛的一张高含金量的名片，其运营里程已经超过全世界其他国家的总和。高含金量体现在什么地方？靠我们以前60km/h的柴油牵引显然没有说服力，其高含金量主要是指在高速行进中的轮轨系统、牵引供电系统、信号系统的可靠性及稳定性。作为火车能量来源的牵引供电系统是其中的重要一环，其中接触网支柱是牵引供电系统的基石，是保证铁路安全、稳定运行的前提，因此选用一种适合铁路项目实际情况的支柱是非常重要的。

国外铁路设计工作者对接触网支柱选型设计做了大量的研究工作，包括很多理论研究和试验，但他们没有对某一等级的铁路规定相对应的支柱型号。国内对支柱选型也做了一些工作，我国铁路行业有规范标准原文规定如下：“设计速度200km/h及以下线路，路基段腕臂柱宜采用横幅杆式预应力混凝土支柱，桥梁上腕臂柱宜采用格构式或实腹式钢柱;设计速度250km/h的线路，路基段腕臂柱宜采用环形等径预应力混凝土支柱，桥梁上腕臂柱及车站线间立柱可采用钢管支柱或H形钢支柱;设计速度300km/h及以上线路，腕臂柱宜采用H形钢支柱。”

二 接触网支柱类型

目前常用的铁路接触网支柱类型主要有预应力混凝土支柱和钢结构支柱两大类：预应力混凝土支柱主要有横腹杆式预应力混凝土支柱、环形等径预应力混凝土支柱;钢结构支柱主要有格构式钢柱、钢管支柱、双槽钢钢柱、H型钢柱。

2.1  横腹杆式预应力混凝土支柱

横腹杆式预应力混凝土支柱即我们常说的“方杆”，它是我国电气化铁路的第一种接触网支柱。该支柱结构型式简单，容量一般为38～170 kN·m，造价较低。缺点是自身重、垂直于线路方向尺寸较大，需要占用较大的路基宽度，运输安装不便、外观不太美观且顺线路方向承载力较小，使用范围受到限制。

2.2  环形等径预应力混凝土支柱

环形等径预应力混凝土支柱即我们常说的“圆杆”，该支柱受力无方向性，容量一般为60～140 kN·m，适用于做腕臂柱，其缺点是自身重、运输安装不便、纵裂问题目前尚未得到较好的解决、运输安装过程中易受振动或碰撞折损。

2.3  格构式钢柱

格构式钢柱的结构性能优良，材料布置合理，可根据具体使用场合设计成不同的结构型式，方便灵活。支柱底部设法兰盘，通过地脚螺栓与基础连接，安装方便。格构式钢柱的容量跨度范围很大，在路基、桥等场合均可使用。但外形尺寸一般为600 mm×400 mm～1200 mm×800 mm（垂直线路方向尺寸×顺线路方向尺寸），占用较大空间，目前常用的容量范围为80～600 kN·m。

该结构杆塔由于组合杆件多，所以下料、放样、焊接、防腐等制造工艺比较复杂。若采用整体焊接，则受镀锌槽的限制，需分段镀锌后再焊接喷锌，会形成防腐薄弱点;若采用法兰分段连接，挠度较大。

2.4  环形截面钢管柱

环形截面钢管柱结构型式可采用等径或锥形（锥形钢管柱在地铁项目中应用较多），外形美观，截面尺寸小。单腕臂柱直径一般可控制在300 ～ 350 mm 范围，质量较轻。可采用无缝钢管或压力机或卷板机加工钢板成型，埋弧自动焊接，制造简单，机械化程度高，质量容易控制。但设备和模具一次性投资较大。若采用市场上的管材（无缝钢管）加工，则设计上受管材长度规格的限制。

该支柱抗弯及抗扭强度和刚度较大，环形截面的扭转惯性矩为其抗弯惯性矩的2 倍，一般不需检验其抗扭强度，作锚柱时可不打拉线。其采用杯型基础时，可直接埋入基础中;采用预置地脚螺栓基础时，支柱底设法兰盘，法兰盘为圆形或方形，螺栓对称布置，安装方便。

2.5  双槽钢钢柱

双槽钢支柱外形简洁，截面尺寸小，质量较轻，目前在国内铁路项目中未运用，但在西班牙、德国、俄罗斯铁路项目中应用较多。目前使用的容量范围为80～200 kN·m。

双槽钢钢柱综合了格构式钢柱与型钢柱的部分优点，自重轻、尺寸较小、易于加工和运输。

2.6  H型钢柱

该支柱截面尺寸一般为240 mm×240 mm ～300 mm×300 mm（垂直线路方向尺寸×顺线路方向尺寸）。由于采用型钢制造简单，只需将型钢做焊接底板及防腐处理即可。

立柱与环形截面钢管柱类似，基础可采用杯型基础或预置地脚螺栓基础，安装方便，支柱上下截面一致，装配简单，外形美观。

该柱抗弯强度和刚度较大，但抗扭强度与刚度较小，其扭转惯性矩约为抗弯惯性矩的1/（100～250），设计时应对其抗扭性能进行核算，用作转换柱及锚柱时尤应注意，支柱高度较大时稳定性相对较差，一般用作腕臂柱。

三 接触网支柱选型设计

接触网支柱类型很多，如何对一个铁路项目进行合理的支柱选型设计是一个严肃的极其重要的问题。我国对接触网支柱也做了些研究工作，但都不够深入，大部分设计者都是照搬相关规范;有些对支柱选型的论文也没有跳出规范的束缚。个人觉得单纯从铁路项目速度等级来对接触网支柱选型太片面，而应考虑项目速度等级、项目所处地区及支柱所处区段等因素从可靠性、经济型、特殊性等综合研究。

3.1  可靠性

接触网支柱可靠性最基本要求即为支柱的容量须满足本工程要求。

接触网悬挂基本容量计算（以直供方式的中间柱悬挂为例）如下：

水平力方向：实线为曲线外侧中间柱;虚线为曲线内侧中间柱。

根据选用的腕臂、绝缘子型号确定。

c.附加导线重量

根据选用的肩架、绝缘子型号确定。

3）直线中间柱弯矩计算

式中：H1——接触线距基礎面高度;

H2——承力索距基础面高度;

HF——附加导线距基础面高度;

基础面——对混凝土柱为地面;对钢柱为基础面。

H4——支柱高度之半;

Z =C X +B——悬挂中心与支柱中心的距离;

C X——侧面限界;

B——支柱宽度（轨面处）之半;

C——受电弓中心与线路中心的偏移;

a——曲线拉出值;

Z F——附加导线与支柱中心的距离。

4）曲线外侧中间柱弯矩计算

式中：Z X =C X +B+C-a——悬挂中心与支柱中心的距离;

5）曲线内侧中间柱弯矩计算

式中：Z X =C X +B-C+a——悬挂中心与支柱中心的距离;

3.2  经济性

由于接触网支柱类型较多，支柱自身的成本是设计需要考虑的重要因素之一：混凝土柱价格便宜，但容量相对较小，且混凝土柱生产厂家技术水平参差不齐，容易造成运行事故;格构式钢柱价格适中，容量大，但截面尺寸较大，对路基面的宽度要求较大，适用于路基宽度较大的线路;H型钢柱与钢管柱容量相对较大，截面较小，但价格昂贵。可以看出各种类型的支柱有利也有弊，导致在选用过程中受限制因素太多。比如，在设计中，需要用的容量较大，但路基宽度很小，应用不了目前国内用得较多的角钢格构式支柱，就只能选用H型钢柱或等径钢管柱，但单根价格又太贵，造成全线造价大幅度增加。所以讨论经济性应从支柱材料及加工的自身投资、运费及对相关工程的附加投资等综合考虑。

以一段400km铁路工程为例（其中200km路基、100km T梁桥、100km隧道），作一个简单的比较分析：

1.单根接触网支柱价格比较（钢材单价参考《铁路工程建设主要材料价格信息【二0一四年第二季度】》）

2.工程综合比较

方案一：路基区段接触网支柱采用横腹杆H78，最大跨距60m。

T梁桥区段接触网支柱采用格构式钢柱G120/12，下锚柱采用G120-450/12.5，跨距32.5m。

方案二：路基区段接触网支柱采用普通双槽钢钢柱Gc80/9，最大跨距60m。T梁桥区段接触网支柱采用普通双槽钢钢柱Gc120/12，下锚柱采用G120-450/12.5，跨距32.5m。

方案三：路基区段接触网中间柱采用特型双槽钢钢柱Gcr80/9，最大跨距60m。T梁桥区段接触网采用特型双槽钢钢柱Gcr120/12，下锚柱采用G120-450/12.5，跨距32.5m。

三种方案详细比较如下（其中路基、桥梁增加投资是相对方案三增加的部分;支柱价格已包含安装费）：

从上表可以看出，方案三比方案一节省工程总投资1.172亿元;方案三比方案二节省工程总投资0.791亿元，方案三为经济性最优方案。

3.3  特殊性

1.温差变化很大的地区不宜选用预应力混凝土等径支柱

由于预应力混凝土其自身构造特点容易产生纵向裂缝，温度应力也是其中一个的重要原因。支柱在后期环境温度变化时，会在表面引起较大的拉应力进而引起支柱逐渐产生纵裂。

2.高腐蚀环境地区不宜选用碳素钢材质的封闭式钢管柱

部分沿海、过江隧道等高温、高湿、高盐等强腐蚀热带温润型环境地区，受气流冲刷的影响，大气中强腐蚀介质（Cl-等）通过钢柱镀锌工艺孔内壁并附着聚集，引起支柱发生严重腐蚀。

由于腐蚀从封闭式钢管柱内部开始，由内而外急剧发展，前期阶段不易发现，一般待发现时已锈穿管壁，给铁路运行造成严重事故。

3.受扭矩工况作用不宜选择开口型支柱

相同荷载情况下，支柱抗扭性能与支柱型式及截面有很大关系。闭口型支柱（即钢管柱）抗扭性能远优于开口型支柱。

4.严寒环境下不宜选用焊点多的格构式钢柱

5.高地震烈度区不宜选用自重大的混凝土支柱

6.山区供电线支柱不宜选用自重大的支柱

四 结论及发展建议

《孙子兵法》曰：“水因地而制流，兵因敌而制胜。故兵无常势，水无常形，能因敌而制胜，谓之神。” 接触网支柱选型研究是一个复杂的课题，需要根据各项因素综合考虑，其可靠性、经济性及特殊适用性都是优选的结果才是一个优秀的接触网支柱选型设计。当然，接触网支柱本身也需要紧紧追随时代的进步、科技的发展，如自身比重轻且防腐性能优异的玄武岩纤维材料支柱、内嵌信息传导功能的智能化支柱等都是现今接触网支柱的发展方向。

参考文献

[1].TB 10009-2016 铁路电力牵引供电设计规范

[2].张健，沈阳至铁岭轻轨接触网支柱选型和容量计算

滇南铁路建设指挥部