粤东城际铁路接触网H型钢柱选型

武 帅 杨 康

（中铁工程设计咨询集团有限公司电通院，北京 100055）

0 引言

粤东城际铁路是广东省境内连接汕头、揭阳、潮州的城际铁路。广东省粤东地区属于亚热带海洋季风性气候，雷电频繁且常年遭受台风的危害。目前粤东城际铁路正在进行前期设计研究工作，接触网H型钢柱的选型，与项目投资及接触网结构安全密切相关。该文结合项目实际气象条件及工况，合理确定支柱高度、选取结构设计风速，最终确定接触网H型钢柱的选型。

1 H型钢柱高度的确定

1.1 避雷线悬挂形式

根据调查，汕头、揭阳、潮州地区年均雷暴日一般为60 d左右，地闪密度达到8.29 次/km2·a～8.91次/km2·a[1]。根据《铁路电力牵引供电设计规范》（ TB 10009—2005）中的规定，粤东城际铁路需设置独立架空避雷线。

目前我国铁路项目大部分通过在接触网支柱的顶部增设1个增高支架来悬挂避雷线，如图1所示。该方案主要存在2个风险：1） 增高的支架部分人工无法进行攀登，避雷线存在失检失修的风险，影响了运营期间的安全性。2） 支架本体的抗风性能较差，支架在强风地区易损坏。综合考虑避雷线架设的可靠性和可维护性，可以将H型钢柱通体增高来悬挂避雷线，如图2所示。

1.2 避雷线安装高度

粤东城际铁路接触网采用直供加回流供电方式，避雷线对地高度较T线（承力索）一般高出1.5 m～2.0 m。如果避雷线高度选大了，就会增加支柱高度，使成本增加。因此，需要合理地确定避雷线的安装高度，使其既能起到防雷的作用，又能节约投资。具体高差是否满足要求，一般可以先确定合适的避雷线安装高度，再用此高度去验证承力索是否在避雷线的保护范围内。该设计选取避雷线较承力索高为1.7 m，来验算承力索是否在避雷线的保护范围内。

1.3 验算避雷线保护范围

在我国建筑物的防雷设计中，推荐采用滚球法确定接闪器保护范围。

滚球法是以保护半径hr为半径的1个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器和地面，而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到了接闪器的保护。

按照《建筑物防雷设计规范》，采用滚球法验算确定避雷线保护范围时，城际铁路接触网可以按照一类建筑选取，保护半径为30 m。粤东城际铁路上下行接触网支柱分别架设避雷线，如图3所示。

双避雷线保护范围计算示意图如图4所示[3]。

在AOB确定的轴线上距中心任一距离X处，其保护范围上边线的保护高度，如公式（1）所示[3]。

式中：hx为距O点距离为X处的被保护物高度；hr为保护半径；h为避雷线安装高度；D为两避雷线间距。

粤东城际铁路接触网设计参数见表1。

表1 接触网设计参数

根据公式（1），经过计算可知，承力索在X=2 m处，双避雷线保护范围hx=8.1 m。承力索对地高度为6.87 m，因此承力索可以被避雷线保护。

图1 支架悬挂避雷线方案

图2 支柱通体增高悬挂避雷线方案

1.4 支柱高度的确定

如图3所示，在综合考虑避雷线肩架厚度及接触网支柱基础高度并取整后，接触网支柱本体可以采用8.6 m的H型钢柱。

2 结构设计风速的确定

粤东地区常年受到台风的影响，合理确定接触网结构设计风速直接影响铁路的安全运行。

2.1 阵风系数的计取

根据《铁路电力牵引供电设计规范》中的要求，接触网风荷载需要考虑地区基本风压ω0、风压高度变化系数μz。经查阅《建筑结构荷载设计规范》，粤东地区50年一遇的基本风压ω0较大，达到0.8 kN/m2，同时粤东城际铁路处于台风频繁登陆的地区，最大瞬时风速约为55 m/s。

由于接触网H型钢柱高度较低，该次设计H型钢柱为8.6 m，属于刚性较大且自振周期小于0.25 s的结构物，在结构效应中可以不考虑共振分量，因此可以不考虑风振系数[2-3]。

按照《建筑结构荷载设计规范》的要求，对刚度较大的结构物，应在平均风压的基础上，近似考虑脉动风瞬间的增大因素，此时可以通过乘以阵风系数βgz来计算结构设计风荷载。因此接触网结构设计风荷载标准值可按ωk=βgzμzω0确定，结构设计风速Vk=（1600ωk）1/2。其中βgz为阵风系数，μz为风压高度变化系数，ω0为50年一遇基本风压。台风造成接触网垮塌图如图5所示。

2.2 结构设计风速的计算

铁路项目一般为几十公里至几百公里不等，且沿线工况条件极其复杂，具体工点所处的地理环境位置不同，桥梁、路基高度也不一致。为了合理地确定接触网的投资及技术方案，应根据不同里程范围的地理位置、地形条件等进行区分，差异化计算结构设计风速，见表2。

表2 结构设计风速差异化计算值

图3 双线接触网悬挂避雷线方案

图4 双线架设避雷线计算示意图模型

图5 台风造成接触网垮塌图

3 H型钢柱容量的确定

根据计算确定的结构设计风速，确定H型钢柱容量。接触网支柱主要分为中间柱、转换柱、下锚柱，需对其容量分别进行计算。

将表2的结构设计风速计算值与台风最大风速进行比较，可知汕头段DK0+000至DK16+000区段宜选取58 m/s作为结构设计风速。其他区段计算的结构设计风速小于等于台风的最大风速，为了确保结构安全，应选取55 m/s作为结构设计风速。

综上所述，粤东城际铁路A类地区选取58 m/s作为结构设计风速，B类地区选取55 m/s作为结构设计风速。

3.1 中间柱

选取H型钢柱时，需要按照《客运专线铁路接触网H型钢柱》的要求对H型钢柱X轴及Y轴2个主轴方向标准检验弯矩进行校验，如图6所示。

经计算A类及B类区段，接触网中间柱弯矩值见表3。

表3 中间柱弯矩值

通过以上计算，H钢柱在X轴方向弯矩应≥47.3 kN，Y轴方向应≥145.8 kN，可供选择的有GH 260、GH 280、GH 300、和GHT 240型支柱。同时考虑投资的合理性，最终确定粤东城际铁路中间柱均选用GH260/8.6支柱即可满足要求，法兰盘可选用A型法兰盘。

3.2 转换柱及锚柱

根据接触网结构特点，转换柱及锚柱承受较大的扭矩，需要采用抗扭性能好的GHT240型H型钢柱。此时应根据结构设计风速校验GHT240型支柱是否满足选用要求

经计算A类及B类区段，接触网转换柱及锚柱的弯矩值见表4。

表4 转换柱、锚柱弯矩值

GHT240型支柱x轴及y轴标准检验弯矩分别为90 kN·m以及240 kN·m，因此满足表4中A类及B类地区转换柱及锚柱最大弯矩计算值。根据支柱弯矩计算计算值可知弯矩值，转换柱及锚柱均应选用C型法兰盘。

图6 H型钢柱X轴及Y轴示意图

4 结语

该文结合粤东城际铁路实际环境因素，通过确定避雷线的安装形式来确定接触网H型钢柱的高度。通过计取阵风系数，考虑了脉动风的瞬时增大因素，计算得出结构设计风速。最终根据该项目不同设计区段的环境条件等因素，确定了接触网H型钢柱的选型。该文能够为其他类似铁路项目的接触网支柱选型提供一定的参考，主要包括以下4点：1）雷暴高发地区，接触网可取消避雷线增高支架的传统设计方式，H型钢柱采用通体增高的方式，提高避雷线安装的可靠性。2） 接触网结构设计风速一般不考虑风振系数。但对于自身刚性较强且自振周期≤2.5 s的接触网H型钢柱，应在平均风压的基础上，通过考虑阵风系数，近似考虑脉动风瞬间的增大因素。3） 在台风登陆地区，建议将实际计算得出的风速与台风最大风速进行对比。当计算风速大于台风最大风速时，应选取计算风速作为结构设计风速；当计算风速小于台风最大风速时，应选取台风最大风速作为结构计算风速。4）铁路工程沿线工况复杂，应结合具体项目的具体工况合理确定风压高度变化系数、阵风系数，在满足结构安全的前提条件下，使接触网支柱选型更加合理。