接觸網(wǎng)硬橫跨支柱基礎(chǔ)受力計(jì)算淺析

王紅青

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 接觸網(wǎng)的初步受力分析

接觸網(wǎng)是置于鐵路沿線的供電裝置，它要經(jīng)受一定自然條件的影響，主要有：風(fēng)吹、日曬（氣溫）、雨淋和覆冰等。

風(fēng)對(duì)接觸網(wǎng)來(lái)說(shuō)，不僅增加線索和支柱的機(jī)械負(fù)荷，而且在各種風(fēng)速和不同方向風(fēng)的作用下，會(huì)使接觸線產(chǎn)生擺動(dòng)、振動(dòng)或舞動(dòng)。速度大且強(qiáng)勁的風(fēng)會(huì)使接觸線出現(xiàn)巨大擺動(dòng)。當(dāng)風(fēng)向與線路垂直時(shí)就會(huì)交替地產(chǎn)生這種向上（或向下）的力，從而對(duì)接觸網(wǎng)產(chǎn)生周期性的沖擊作用。在低風(fēng)速（通常在6～18m/s）作用下接觸線還會(huì)產(chǎn)生低頻率、較大振幅的擺動(dòng)。

在冬季，接觸線或承力索上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰或積雪，稱(chēng)為覆冰。覆冰會(huì)增加接觸線和承力索的機(jī)械負(fù)荷，以致影響電力機(jī)車(chē)的正常運(yùn)行。

溫度變化會(huì)使接觸線和承力索的弛度發(fā)生變化。低溫時(shí)，線索被拉緊，有時(shí)還會(huì)使接觸線出現(xiàn)負(fù)弛度，使運(yùn)行情況變壞。在高溫時(shí)，會(huì)出現(xiàn)線索伸長(zhǎng)、弛度增大等，這些都是應(yīng)在設(shè)計(jì)中考慮的因素。

接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)的向電力機(jī)車(chē)供電的特殊形式的輸電線路。其由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎(chǔ)幾部分組成。接觸懸掛將其負(fù)載傳遞到橫跨上，橫跨再將其傳遞到支柱上，最后由混凝土基礎(chǔ)來(lái)承受，所受負(fù)載主要有接觸線及承力索自身載荷、風(fēng)負(fù)載以及覆冰載荷[1]。

自重負(fù)載的表達(dá)式為：g＝SγgH×10-9（1）

式中：g——線索單位長(zhǎng)度重力負(fù)載（kN/m）；

S——線索的橫截面面積（mm2）；

γ——所求線索的密度（kg/m3）；

gH——自由落體重力加速度9.81（m/s2）。

已知每根接觸線負(fù)載為15kN，承力索負(fù)載為10kN。

冰負(fù)載表達(dá)式為：

gb0＝0.25×10-9γbgHπ[（d+2b）2-d2]＝πγbb（b+d）gH×10-9（2）＝π×600×10×[10+（16.5+19.5）/2）]×10-9＝5.2779×10-4kN/m。

式中：b——覆冰厚度（mm）；

d——線索直徑，相對(duì)于接觸線取平均直徑（mm）；

γb——覆冰密度（kg/m3）；

風(fēng)負(fù)載表達(dá)式：

對(duì)于接觸網(wǎng)懸掛線索P＝0.615akdlv2sinθ （3）

式中：P——線索所受的實(shí)際風(fēng)負(fù)載（kN）；

a——風(fēng)速不均勻系數(shù)；

k——風(fēng)載荷體型系數(shù)；

d——線索的直徑（mm）；

l——接觸懸掛跨距（m）；

v——設(shè)計(jì)計(jì)算風(fēng)速（m/s）；

θ——風(fēng)向與線路方向的夾角。

取θ為45度，所以承力索處的風(fēng)負(fù)載為Pc＝0.615×0.75×1.4×30×8×352

sin45°＝134.24kN；接觸線處的風(fēng)負(fù)載為 Pj＝0.615×0.75×1.4×18×8×352sin45°＝80.55kN。

對(duì)于支柱所受的風(fēng)載荷 P0＝0.615KFv2×10-3（4）

式中：P0——支柱負(fù)載（kN）；

K——風(fēng)負(fù)載體型系數(shù)；

F——塔身迎風(fēng)面的構(gòu)件投影面積（m2）；

v——設(shè)計(jì)計(jì)算風(fēng)速（m/s）。

支柱風(fēng)負(fù)載 P0＝0.615×1.4×5.874×302×10-3＝462.58kN。

2 支柱基礎(chǔ)的校驗(yàn)

建造于天然地基上的基礎(chǔ)必須具有足夠的強(qiáng)度、良好的穩(wěn)定性和足夠的承載力?；A(chǔ)應(yīng)依據(jù)土壤的特性、基礎(chǔ)的受力要求等來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。鋼柱基礎(chǔ)有很多種形式，按外形分有：工字型、錐形、單階梯形、多階梯（空心）形等。鋼柱基礎(chǔ)一般為現(xiàn)場(chǎng)澆注的混凝土整體基礎(chǔ)，基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋地腳螺栓，安裝時(shí)將鋼柱凝固于地腳螺栓上。鋼柱安裝后，在基礎(chǔ)頂部做一個(gè)混凝土帽，為基礎(chǔ)帽，以保護(hù)連接螺栓、螺母不致銹蝕?；A(chǔ)帽只起防水作用，不用打得很結(jié)實(shí)，只要求表面細(xì)密防水，以便需要搬遷鋼柱時(shí)容易敲開(kāi)。

鋼柱基礎(chǔ)形狀多從受力考慮并盡可能節(jié)省材料，按需要是應(yīng)做成空心且是多階梯形的，但往往在施工時(shí)因制作模型板困難而難以做到。為了施工的方便一般做成單階或雙階的基礎(chǔ)。本次采用鋼支柱容量為500kN.m，故首先考慮設(shè)計(jì)成雙階的基礎(chǔ)。

支柱基礎(chǔ)必須滿足結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能方面的要求，根據(jù)受力分析計(jì)算來(lái)校驗(yàn)是否符合設(shè)計(jì)要求，并作以改進(jìn)。本文計(jì)算公式參考《電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊(cè)-接觸網(wǎng)》[2]。

2.1 基礎(chǔ)受力計(jì)算

在支柱外載荷作用下，基礎(chǔ)必須滿足以下三種穩(wěn)定條件：

①基礎(chǔ)在外力作用下不會(huì)傾覆；

②基礎(chǔ)在水平外力作用下不會(huì)沿基底滑移；

③地基不會(huì)產(chǎn)生破壞。

首先計(jì)算傾覆力矩：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.1 傾覆力矩的計(jì)算

硬橫跨支柱采用GY500/9，土壤特性資料：取土的容重γ＝1.7t/m3，2m 深處土壤的允許承載力[δ]2＝20t/m2，鋼柱傳給基礎(chǔ)的垂直力 G0＝2.5t[3]。

基礎(chǔ)埋深為 h＝hФ-A＝4.25-0.2＝4.05m。

以下計(jì)算公式及查表數(shù)值均參考《電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊(cè)接觸網(wǎng)》中第七章：腕臂、支柱及基礎(chǔ)中相關(guān)公式及表格。

系數(shù)α值和U值的確定：根據(jù)比值ρA＝a1/h1＝4.53/4.05＝1.118 和鋼柱高 H＝8.9m，查表 7-45 得到 α＝1.04，UA＝0.0373。

按公式（7-65）計(jì)算傾覆力矩M0：

基礎(chǔ)重量GФ計(jì)算：

按（7-42）公式計(jì)算基礎(chǔ)臺(tái)階上覆土重量Gr：

按公式（7-41）計(jì)算基礎(chǔ)承受的總垂直力G：

圖1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

基礎(chǔ)土壤承載力[σ]h計(jì)算（取 k＝2.0）：

因?yàn)?h＝4.05m＞2.0m，故按公式（7-43）計(jì)算[σ]h：

按公式（附 7-1）計(jì)算 M1：

按公式（7-49）計(jì)算 σ0：

按公式（7-59）計(jì)算 M2：

按公式（7-63）計(jì)算 M3：

已知 φ=25°，查表 7-57 得到 f＝0.4663，所以 M3＝γfh2a1（4b1+3a1）/14＝1.7×0.4663×4.052×4.33 （4×3.52+3×4.33）/14＝108.861t.m。

按公式（7-55）計(jì)算ΣM：

按公式（7-53）計(jì)算傾覆安全系數(shù)K，并進(jìn)行校核：

所用基礎(chǔ)滿足傾覆力矩的要求。

2.1.2 基礎(chǔ)抵抗滑移的能力

基礎(chǔ)的所有抵抗滑移的能力，必須大于產(chǎn)生滑移的外力，其穩(wěn)定條件為

式中：Q——支柱和懸掛的重力負(fù)載（kN）；

N——基礎(chǔ)和臺(tái)階上土的總重力負(fù)載（kN），其值為N＝abhγ混，其中，γ混為土和混凝土的混合容重，一般取20kN/m3。

f——基底與土的摩擦系數(shù)；

EP——基礎(chǔ)側(cè)面的被動(dòng)土壓力（kN）；

PH——支柱傳給基礎(chǔ)頂面的水平負(fù)載（kN）；

KC——抗滑安全系數(shù)，一般取1.3。

地基為可塑黏土，容重取16 kN/m3。內(nèi)摩擦角取15°，粘聚力取18kPa，土抗系數(shù)m取27.2，基底與土的摩擦系數(shù)取0.3。

故[（Q+N）f+EP]/PH＝[（35+1234.57）×0.3+157.104]/56.18＝9.576＞1.3，所以基礎(chǔ)在水平外力作用下不會(huì)沿基底面滑移。

2.1.3 基礎(chǔ)地面最大壓應(yīng)力

基礎(chǔ)地面產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力Smax必須小于地基的承載能力[R]，即：

所以地基不會(huì)產(chǎn)生破壞。

所有計(jì)算至此完畢，所設(shè)計(jì)基礎(chǔ)滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和承載力的要求。

2.2 混凝土基礎(chǔ)的固定及地腳螺栓的選用與強(qiáng)度及受力計(jì)算

2.2.1 基礎(chǔ)連接件的選擇

基礎(chǔ)用一組地腳螺栓固定到地面上。螺栓尺寸如圖2所示。

圖2 地腳螺栓尺寸圖

2.2.2 地腳螺栓的布置及強(qiáng)度計(jì)算

地腳螺栓設(shè)計(jì)為16個(gè)，對(duì)稱(chēng)布置，具體安裝位置如圖3所示。

圖3 地腳螺栓安裝位置圖

螺栓組所受載荷為軸向載荷，其承受載荷較大，螺栓性能等級(jí)選用8.8。

螺栓總拉力F2＝F0+CbF/（Cb+Cm），取Cb/（Cb+Cm）為0.3；

螺紋連接件的許用應(yīng)力[σ]＝σs/S＝640/1.4＝457.1MPa；

碳素鋼螺栓取預(yù)緊力 F0＝0.3σsA1＝0.3×640×106×π×（20×10-3）2/4＝60.319kN；

工作拉力 F＝F∑/z＝（163.369+1.55478+0.8369）×10/16＝103.617kN；

所以，總拉力 F2＝60.319+0.3×103.617＝91.4041kN；

螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度：

計(jì)算至此完畢，所用地腳螺栓滿足強(qiáng)度要求

以上式中：F0——螺栓的預(yù)緊力（kN）；

F——工作壓力（kN）；

Cb——螺栓剛度；

Cm——被連接件的剛度；

F∑——軸向總載荷（kN）；

z——螺栓數(shù)目；

3 結(jié)論

本文通過(guò)新建鐵路觸網(wǎng)硬橫跨無(wú)補(bǔ)償下錨設(shè)計(jì)的完成，對(duì)接觸網(wǎng)特殊安裝設(shè)計(jì)過(guò)程有了較為清晰的認(rèn)識(shí)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的分析和詳細(xì)的計(jì)算，能較好地符合各方面的要求。