接觸網(wǎng)硬橫跨支柱基礎(chǔ)受力計(jì)算淺析

王紅青

【摘 要】論文介紹了電氣化鐵路中接觸網(wǎng)硬橫梁支柱基礎(chǔ)受力計(jì)算的過(guò)程，探討了一般條件下接觸網(wǎng)硬橫梁支柱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選用，對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)硬橫跨設(shè)計(jì)和選用有一定的參考意義。

【Abstract】This paper introduces the process of calculating the contact net hardly crossing pillar foundation in the electrified railway， and discusses the selection of the contact net hardly crossing pillar foundation under general conditions. It has certain reference significance for the design and selection of the contact net hardly crossing in the electrified railway.

【關(guān)鍵詞】電氣化鐵路;接觸網(wǎng);支柱;基礎(chǔ);計(jì)算

【Keywords】electrified railway; contact net; pillar; foundation;calculation

【中圖分類號(hào)】U225.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）05-0173-04

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：

M0=MH/H（H+A+αh）=500/9.8/8.9×（8.9+0.2+1.04×4.05）

=76.313t.m。

基礎(chǔ)重量GФ計(jì)算：

GФ=2.6VФ=2.6（1.63×1.42×2.7+2.53×2.12×0.45+3.43×2.82×0.45+4.33×3.52×0.45）=2.6×19.87443=51.673t。

按（7-42）公式計(jì)算基礎(chǔ)臺(tái)階上覆土重量Gr：

Gr=[a1b1h-（VФ1-a0b0A）]×γ=[4.33×3.52×4.05-（19.878843-1.63×1.42×0.2）]×1.7=71.931t。

按公式（7-41）計(jì)算基礎(chǔ)承受的總垂直力G：

G=GФ+Gr+G0=51.673+71.931+2.5=126.104t。

基礎(chǔ)土壤承載力[σ]h計(jì)算（取k=2.0）：

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

[σ]h=[σ]2+kr×γ×（h-2）=20+2.0×1.7×（4.05-2.0）=26.97t/m2

按公式（附7-1）計(jì)算M1：

M1=[σ]h2b0b1h3×U/G

=26.972×1.42×3.52×4.053×0.0373/126.104=58.373t.m。

按公式（7-49）計(jì)算σ0：

σ0=G/a1b1=126.104/4.33×3.52=8.276t/m2

2σ0=16.552t/m2<[σ]h=26.97t/m2

按公式（7-59）計(jì)算M2：

M2=Ga1（1/2-2σ0/3[σ]h）

=126.104×4.33×[1/2-2×8.276/（3×26.97）] =161.312t.m。

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：

ΣM=M1+M2+M3=58.373+161.312+108.861=328.546t.m。

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

K=ΣM/MB=328.645/76.313=4.30>1.5。

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

[（Q+N）f+EP]/PH≥KC

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。

Q=25+10=35kN;

N=4.33×3.52×4.05×20=1234.57kN;

EP=γZtan2（45°+ψ/2）+2c tan（45°+ψ/2）

=4.05×27.2+2×18×tan52.5°=157.104kN;

PH=P/H=500/8.9=56.18;

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。

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)稱布置，具體安裝位置如圖3所示。

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：

σca=1.3F2/（πd12/4）=1.3×914041×4/（π×（20×10-3）2）

=378.232MPa <[σ]=457.1MPa。

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。

【參考文獻(xiàn)】

【1】于萬(wàn)聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2003.

【2】鐵道部電化工程局電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)處.電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊(cè)接觸網(wǎng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1983.

【3】邱鶴年，李承漢，馬天鵬，徐琪華主編.新編鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.