溫福鐵路接觸網(wǎng)特型H型鋼柱的選型研究

■ 劉暢

劉暢：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，工程師，湖北武漢，430063

一般情況下，我國200 km/h及以上客貨共線鐵路接觸網(wǎng)工程采用的H型鋼柱均按照鐵道部頒布的鐵路工程建設(shè)通用參考圖《客運專線化鐵路接觸網(wǎng)H型鋼柱》（通化（2008）1301）對應(yīng)進行選型。

溫福鐵路處于我國較為極端的臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)，基本風(fēng)壓值達0.9 kN/m2。2006年“桑美”臺風(fēng)中心最大風(fēng)力達17級（風(fēng)速60 m/s），遠超出鐵道部頒布的通用參考圖所要求的最大結(jié)構(gòu)風(fēng)速50 m/s。針對這一情況，重新開展對特型H型鋼柱的設(shè)計十分迫切。

1 計算模型

1.1 計算條件

1.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)速

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄“全國基本風(fēng)壓圖”，溫福鐵路沿線基本風(fēng)壓W0取0.9 kN/m2。經(jīng)計算，結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)速為61.1 m/s。

1.1.2 主要工程參數(shù)

（1）導(dǎo)線組合：JTMH-120+CTS-150（20 kN+25 kN）；

（2）接觸線懸掛點距軌面高度Hj：6 400 mm；

（3）結(jié)構(gòu)高度：1 600 mm；

（4）曲線半徑R：4 500 m；

（5）平均跨距L：50 m。

1.2 建立計算模型

根據(jù)支柱的工作情況，確定各點受力類型和位置。中間柱的標準校驗彎矩計算模型見圖1，其余各類型支柱受力模型建立情況類似，不再贅述。

1.3 計算方法和結(jié)果

對全線支柱承載能力極限狀態(tài)標準校驗彎矩進行計算，采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)法，風(fēng)速采用結(jié)構(gòu)設(shè)計風(fēng)速，計算得到的標準校驗彎矩不包含任何分項系數(shù)，結(jié)果見表1。

圖1 支柱標準校驗彎矩計算模型圖

鐵路工程建設(shè)通用參考圖《客運專線鐵路接觸網(wǎng)H型鋼柱》（通化（2008）1301）中，支柱承載能力極限狀態(tài)支柱標準校驗彎矩最大允許選用215 kN·m，小于表1中M=348 kN·m，因此需根據(jù)溫福鐵路特點，設(shè)計超出通用圖范圍的特型H型鋼柱。

2 鋼柱選型校驗計算

2.1 特型支柱選擇

選擇德國電氣化鐵路標準DIN1025-4中規(guī)定的280型鋼（簡稱GHT280型鋼）作為目標進行校驗，鋼號選擇為Q345，GHT280型鋼截面尺寸如圖2所示：

圖2 GHT280型鋼截面尺寸

2.2 強度校驗

采用GHT280型鋼（鋼號為Q345）進行校驗，接觸網(wǎng)H型鋼柱的最大荷載情況：橋高50 m，桿高11 m轉(zhuǎn)換柱。

表1 全線支柱標準校驗彎矩統(tǒng)計表

（1）面內(nèi)穩(wěn)定。

式中：λx為X 軸長細比；NEx為長細桿臨界壓力（N）；σ為平面內(nèi)強度應(yīng)力（MPa）。

選用的H型鋼平面外強度σ=295 MPa＞138.9 MPa，因此Q345級H型鋼可通過面內(nèi)穩(wěn)定檢算。

（2）面外穩(wěn)定。

式中，ηb=0

式中：λ=3.873，b類，α2=0.965，α3=0.3

選用的H型鋼平面外強度σ=295 MPa＞168.47 MPa，因此Q345級H型鋼可通過面外穩(wěn)定檢算。

式中：Φb為整體穩(wěn)定系數(shù)；ξ為中間系數(shù)；βb為H型鋼簡支梁系數(shù)；σ為平面外強度應(yīng)力（MPa）。

驗算結(jié)果：面外穩(wěn)定控制選用Q345級GHT280型鋼柱可用。

2.3 撓度校驗

2.3.1 柱頂撓度

式中：I為貫心距；q為單位長度負荷（N/mm）；fA為計算撓度（mm）

導(dǎo)線荷載產(chǎn)生的柱頂撓度fA= pb2L（3- b），6EI L

據(jù)此公式計算結(jié)果見表2。

合計，柱頂撓度fA=18.43+68.01=86.44（mm）

最大柱頂撓度[fA]=11 000×1.5%=165 mm>86.44 mm，因此GHT280型鋼柱滿足柱頂撓度要求。

2.3.2 接觸線高度處撓度

導(dǎo)線荷載產(chǎn)生的接觸線高度處撓度

據(jù)此公式計算結(jié)果見表3。

表2 柱頂撓度計算表

表3 接觸線高度處撓度計算表

接觸線高度處撓度fc=9.29+8.68=17.97 mm<50 mm，因此GHT280型鋼柱滿足柱頂撓度要求。

GHT280型鋼在面外穩(wěn)定、面內(nèi)穩(wěn)定、柱頂撓度、接觸線高度處撓度驗算中均滿足要求。因此可應(yīng)用于溫福鐵路支柱標準校驗彎矩在215～348 kN·m范圍的工程情況。

3 結(jié)束語

GHT280型鋼柱目前已應(yīng)用于溫福鐵路工程，在抗彎、抗扭方面具有良好性能。同時，外觀保持了H型鋼的美觀小巧，解決了沿海鐵路臺風(fēng)氣候環(huán)境下接觸網(wǎng)腕臂柱的選型問題。除此之外，GHT280型鋼柱可用于我國其他大風(fēng)、雪災(zāi)嚴重的鐵路地段以及荷載要求更大的300 km/h及以上電氣化高速鐵路。

[1]GB 50009-2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006

[2]GB 50068-2001 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001

[3]中鐵電氣化局集團有限公司，中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院. TB 10009-2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2005

[4]中華人民共和國建設(shè)部. GB 50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2003

[5]鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院. 通化（2008）1301 客運專線化鐵路接觸網(wǎng)H型鋼柱[S]，2008