電氣化鐵路接觸網(wǎng)受寒冷氣候影響及相應(yīng)設(shè)計(jì)研究

黃鑫

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

隨著我國高速鐵路的飛速發(fā)展，電氣化鐵路覆蓋范圍越來越廣。接觸網(wǎng)系統(tǒng)作為電氣化鐵路的輸送電能的主要架構(gòu)，其戶外無備用的特殊性使其必須時(shí)刻處于良好的工作狀態(tài)。但接觸網(wǎng)直接裸露于空氣中，極容易受到氣候、地形等因素的影響。寒冷地區(qū)冬季嚴(yán)寒干燥，多寒潮侵襲，降溫急劇，接觸網(wǎng)覆冰現(xiàn)象頻發(fā)，凍土災(zāi)害極容易造成接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的裂縫，惡劣的冬季氣候條件嚴(yán)重影響了高速鐵路的安全運(yùn)行。

本文結(jié)合新建高速鐵路濟(jì)南至萊蕪的沿線氣候及地質(zhì)情況，從寒冷地區(qū)特殊的氣候條件下，研究影響電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的變化，并結(jié)合其變化特性對接觸網(wǎng)的相關(guān)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討。

1 濟(jì)萊線氣象概況

新建高速鐵路濟(jì)萊至萊蕪北全線約117 公里，設(shè)計(jì)行車速度為350 公里/小時(shí)，是山東省“四橫六縱”高鐵路網(wǎng)中的重要一縱，項(xiàng)目建成后，通過濟(jì)南東客站連接濟(jì)濱、濟(jì)青高速鐵路，南延至臨沂連接魯南高鐵，將成為山東省魯中南地區(qū)又一條快速鐵路通道。

濟(jì)萊高鐵全線根據(jù)《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50178-1993）地處寒冷地區(qū)，冬季較長且寒冷干燥，季節(jié)性凍土的最大深度為0.5m，冬季極端氣溫達(dá)-27℃，易產(chǎn)生覆冰災(zāi)害。

2 接觸網(wǎng)系統(tǒng)受寒冷氣候影響的方面

（1）接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)。季節(jié)性凍土具有凍脹和融沉等特性。我國部分寒冷地區(qū)季節(jié)性凍土深度可達(dá)3.9m，而國內(nèi)接觸網(wǎng)普通支柱基礎(chǔ)的埋深一般為3m 或3.5m，無法達(dá)到凍土層以下的深度。且接觸網(wǎng)基礎(chǔ)混凝土在寒冷地區(qū)冬季施工容易發(fā)生凍害，產(chǎn)生裂縫，造成運(yùn)營安全隱患。

（2）接觸網(wǎng)鋼柱材質(zhì)。濟(jì)萊高鐵全線接觸網(wǎng)支柱及硬橫跨均為鋼材，如圖1 所示，隨著溫度的降低，鋼材的沖擊功逐漸降低，沖擊韌性下降非?？欤瑯O容易發(fā)生韌性斷裂。

圖1 16Mn 鋼焊縫低溫沖擊值示意圖

濟(jì)萊高鐵全線最低氣溫僅在-27℃，如果接觸網(wǎng)鋼柱及硬橫梁采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，在極端低溫下，會發(fā)生韌性斷裂。嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)高速鐵路除了需要考慮接觸網(wǎng)零部件在極端溫度下會產(chǎn)生沖擊荷載和交變荷載，還需要考慮其主要受力件及架構(gòu)聯(lián)結(jié)應(yīng)滿足弓網(wǎng)特性。如果采用普通焊接連接零部件，應(yīng)充分考慮在低溫環(huán)境下施工操作帶來的不利影響。

（3）接觸網(wǎng)覆冰。覆冰是寒冷地區(qū)冬季產(chǎn)生的自然現(xiàn)象，某些地處寒冷地區(qū)的客運(yùn)專線，采用夜間停電綜合維修方式，會有較長的時(shí)間沒有列車運(yùn)行，夜間氣溫較低時(shí)接觸網(wǎng)系統(tǒng)導(dǎo)線上大面積覆冰，不但降低了接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠性，還將直接導(dǎo)致列車運(yùn)營時(shí)無法正常取流運(yùn)行，造成大面積停運(yùn)。覆冰自然災(zāi)害發(fā)生后再使用普通機(jī)械除冰方法，會耗費(fèi)大量的人力物力，且效率較低，會對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的導(dǎo)線造成一定程度的機(jī)械損傷。

3 優(yōu)化寒冷地區(qū)接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)。接觸網(wǎng)的基礎(chǔ)形式應(yīng)考慮土壤的凍結(jié)深度、凍拔、溶陷等特性，故不采用直埋基礎(chǔ)形式，季節(jié)性凍土區(qū)段宜采用擴(kuò)大基礎(chǔ)或鉆孔灌注基礎(chǔ)并擴(kuò)大底部，宜采用通過地腳螺栓和法蘭連接接觸網(wǎng)鋼支柱和基礎(chǔ)。當(dāng)鐵路路基填料的抗凍脹性不滿足接觸網(wǎng)基礎(chǔ)穩(wěn)定性要求時(shí)，接觸網(wǎng)支柱的基礎(chǔ)型式應(yīng)結(jié)合石氣冷、通風(fēng)管、熱棒和片石護(hù)坡、護(hù)道等不同路基形式，根據(jù)凍土的工程地質(zhì)特征，考慮基礎(chǔ)凍拔力等要求，進(jìn)行抗傾覆、基底應(yīng)力、穩(wěn)定性檢算，采取相應(yīng)的防融沉、防凍脹措施。接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)埋深應(yīng)大于土壤的最大凍結(jié)深度，不應(yīng)小于最大凍結(jié)深度以下0.6m。濟(jì)萊高鐵全線土壤最大凍結(jié)深度為0.5m，故接觸網(wǎng)基礎(chǔ)埋置深度應(yīng)大于設(shè)計(jì)凍深0.6m。

（2）接觸網(wǎng)鋼柱及零部件材質(zhì)。鋼材的材質(zhì)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、連接方式和結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度進(jìn)行合理選擇，受沖擊荷載影響時(shí)應(yīng)具有良好的最低溫度沖擊韌性。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003 規(guī)定：對于需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)具有低溫沖擊韌性的合格保證，即接觸網(wǎng)鋼柱的材質(zhì)應(yīng)具有0°沖擊韌性合格保證。接觸網(wǎng)鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)一般為Q235 或者Q345，通過圖2 及圖3 的分析對比可知，Q235、Q345 沖擊功均隨著溫度降低而降低，但是Q345 結(jié)構(gòu)鋼材沖擊功大于Q235 材質(zhì)。因此，在極端的低溫環(huán)境下，Q345 材質(zhì)韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Q235。

圖2 Q345 結(jié)構(gòu)鋼材沖擊功隨溫度變化圖

濟(jì)萊高鐵全線最低氣溫僅在-27℃，故全線接觸網(wǎng)鋼支柱材質(zhì)均采用Q345B 低合金結(jié)構(gòu)鋼，在冬季極端低溫氣候條件下，不易發(fā)生韌性斷裂。接觸網(wǎng)零部件在寒冷地區(qū)應(yīng)保證具有耐沖擊，耐疲勞性能。銅合金及鋁合金材質(zhì)均具有良好的低溫韌性，能在低溫下保持良好的力學(xué)性能，故嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)零部件應(yīng)盡量減少使用鋼材質(zhì)，多采用銅合金或鋁合金材質(zhì)，如表1所示。高速鐵路接觸網(wǎng)零部件聯(lián)結(jié)宜采用螺栓、銷釘?shù)冗B接方式。如表1 所示。

圖3 Q235 結(jié)構(gòu)鋼材沖擊功隨溫度變化圖

表1 寒冷地區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)線材及零部件材質(zhì)表

（3）接觸網(wǎng)覆冰。寒冷地區(qū)的電氣化鐵路應(yīng)在設(shè)計(jì)前期考慮在變電所內(nèi)加裝融冰裝置，一般為固定式直流融冰裝置。基本原理是通過整流變壓器及晶閘管組成的換流閥將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，利用直流電流在線路電阻中產(chǎn)生熱量，使接觸網(wǎng)導(dǎo)線升溫，從而達(dá)到融化線路覆冰的效果。另接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮跨線建筑物排水孔、結(jié)構(gòu)變形縫、隧道口等處落水、結(jié)冰的影響。在跨線建筑物、隧道口等易發(fā)生落水處接觸網(wǎng)應(yīng)做絕緣、防護(hù)措施。

4 建議

（1）目前電氣化鐵路覆蓋越來越廣，目前尚無寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，移動(dòng)式融冰裝置、輸電線路覆冰檢測系統(tǒng)等針對接觸網(wǎng)覆冰災(zāi)害的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)尚不成熟，應(yīng)在鐵路沿線的戶外極端低溫氣候條件下進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)來采集數(shù)據(jù)或開展專題研究。

（2）為俄羅斯等地設(shè)計(jì)的高速鐵路應(yīng)充分考慮Q345 材質(zhì)的鋼材或已不能滿足嚴(yán)寒地區(qū)的極端氣候條件，應(yīng)加快對高等級鋼材在接觸網(wǎng)鋼柱及零部件上的應(yīng)用特性研究。