城市轨道交通U型槽接触网安装设计优化

城市轨道交通U型槽接触网安装设计优化

张贤玉

轨道交通工程信息化国家重点实验室（中铁一院），西安市 710043

摘要：本文针对城市轨道交通场段上盖U型槽路基坡度变化大、曲线半径小、外轨超高大等工程特点，在总结既有工程接触网安装设计经验的基础上，本文对曲线半径为245m、外轨超高为120mm，最大坡度达到29‰接触网线索、上部安装、风荷载、曲线力、之字力及结构等力学计算分析，并进行实测布置，采用刚性接触网弓网动态仿真等手段，对U型槽接触网安装设计进行了优化分析研究，优化方案已应运与西安某城市轨道交通项目，安全可靠运行良好，且便于施工及后期运营维护。本文优化方案对城市轨道交通供电系统接触网类似工况下U型槽的安装设计具有一定的参考价值。

关键词：接触网；U型槽；小曲线；坡度；设计优化

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近年来，国内城市轨道交通场段选址因征地问题异常艰难，某城市轨道交通项目因周围均以民房、农田为主，为了适应选址需求，导致U型槽曲线半径比较小，外轨超高比较大，线路坡度比较大，且为上盖物业开发方案，对接触网安装提出了新的考验，以某西安城市轨道交通U型槽线路平纵断面为例，如图1所示。

图1 U型槽纵断面图

Fig. 1 Profile of U-groove

本文针对以上线路U型槽曲线半径最大仅为245m，外轨超高最大为120mm，最大坡度达到29‰，为上盖方案等基础资料进行深入研究，而U型槽接触网常规安装形式，即预留基础+支柱+腕臂悬挂或者盖板梁+吊柱+腕臂悬挂安装组合方案均无法满足现场安装需求，常规接触网设计安装如图2-3所示；本文针对线路自身特点须对U型槽接触网安装进行优化特殊设计，。

图2 R≤800m曲外中间柱安装（钢柱）                           图3 R≤800m曲外中间柱安装（吊柱）

Fig. 2 Middle columninstallation of R≤800m Curved outer (steel column) Fig. 3 Middle columninstallation of R≤800m Curved outer (davit)

1 U型槽柔性段接触网优化设计

首先详细分析U型槽结构、线路及轨道设计输入资料，并与相应专业结合，尽量利用土建结构进行接触网设计，可节省施工时间，且可减少接触网基础部分的施工、零部件生产及订货周期，即利用U型槽侧墙土建结构进行接触网上部安装设计，接触网给土建结构提供所承受的荷载要求，在侧壁安装支柱，而此接触网设计无可借鉴工程经验，必须进行优化并特殊设计，以实现接触网功能需要。

按接触网常规设计步骤，根据供电计算的载流量确定U型槽接触网悬挂形式及导线组成，即链型悬挂，导线组合及张力为2根承力索+2根接触线+1根架空地线（2×JT150+2×CTA150+1×JT120），再根据悬挂形式确定悬挂结构负载，包括垂直负载及水平负载，以下内容为双承双导计算自重负载计算过程（含腕臂系统自重荷载和风荷载），因U型槽在盖下，计算过程不考虑冰荷载，计算公式及结果如下：

式中： 为线索单位长度重力负载（kN/m）；

S为线索的横截面面积（mm2）；

 为所求线索的密度（kg/m3）；

加速度9.81（m/s2）。

表1导线及悬挂单位负载计算

Tab.1 Unit load calculation ofConductor and suspension

从以上计算可知本次接触网系统线索最大风时合成负载qv为Kg/m，链型悬挂自重为：

式中：悬挂数目；

链型悬挂单位长度自重负载（kN/m）；

跨距长度（mm）；

通过以上计算结果及相应公式可知链型悬挂自重为147.96kg，而水平负载比较复杂，包含支柱本身的风负载、线索的风负载、曲线形成的水平分力、之字值形成的水平分力及下锚支的水平分力等，进行负载计算时，先假定一个已知的支柱类型，一般按相应标准选取标准件，根据悬挂类型和气象条件，进行各力的分析计算，求出各力对支柱基础面处的力矩之和，则此力矩即为选择支柱容量的依据，再进行验证。

鉴于计算过程繁琐复杂，本文仅体现立柱所有因素的力矩计算主要公式及相应计算结果，腕臂系统最大风速30m/s情况下的垂直负载为173.98Kg，从安装受力分析可知此特殊安装方案柱形选择主要受限于所有弯矩值，支柱高度一半按隧道口第一根支柱高度3.5/2m考虑，接触网悬挂系统重量 Gx为2*73.98kg，腕臂、绝缘子按标准件计算重量80kg，线材受水平负载为63.66Kg，支柱所受曲线力及接触线“之”字力合计为332Kg。

从以上计算结果可知，选隧道口第一根最长的支柱为例计算所得支柱弯矩为本次U型槽支柱最大容量，最大弯矩为23.24，考虑本工程上盖且限界条件有限，根据国标GB8162-1999选取∅168X12是可行的，支柱长度按现场U型槽实际高度依次从3.5m测量之后加工制造。

图4 U型槽接触网安装

Fig.4 Catenaryinstallation of U-groove

其次确定支柱选型之后，支柱法兰尺寸为450X450mm，锚栓孔间距按350X350mm考虑，在满足技术要求基础上遵循全线设计标准统一原则，可减少加工定制及现场安装时间；再根据接触网系统荷载计算、吊柱选型（∅168X12）及相关系数，进行锚栓型号的校核，考虑风向荷载效应，永久荷载分项系数1.3，可变荷载分项系数1.5，计算见表2。

表2 荷载效应

Tab.2 Load effect

若选取4个M20，锚栓中心距350mm，按3.5m长无斜撑吊柱安装计算，弯矩25kNm，竖向力7.6kN，剪力2.6kN，单个锚栓最大拉力：Nt=25/（0.35*2）+7.6/4=37.6kN。

最后根据 GB50017-2017中锚栓承载力因按下列公式要求校核：

1.0

式中：、 分别为某个普通螺栓所承受的剪力和拉力（N）；

、、一个普通螺栓的抗剪、抗拉和承压承载力设计值（N）。

M20锚栓根据TB10075中、分别为10.3kN、52.4kN；（钢材）为60.6kN。

计算结果为

1.0

且为7.6/4kN60.6kN，满足接触网支柱安装需求，且考虑锚栓类型尽量统一的原则本方案选取M20*170*100可满足安装受力需求。

本优化设计支柱加工及安装简单易实施，后期无维护，适合类似工程大坡道盖下工程接触网安装，某西安城市轨道交通项目运行以来设计回访运营反馈良好，现场安装效果如图5所示。

图 8 现场安装效果图

Fig. 5 Effect ofsite installation

2  U型槽刚性接触网优化方案

本文针对100km/h刚性接触网设计，首先对所采用的接触网平面布置方案进行了弓网仿真，通过对弓网、跨距的选择和锚段关节的结构、网上集中荷载、线路坡度、竖曲线等线路对受流的影响、单质点的震动衰竭等情况的仿真分析，进行优化设计，旨在提高刚性接触网设计的研究精度，确保设计方案在项目中应运的准确合理性，仿真结果及采用布置方式如图6所示。

图6弓网接触力

Fig. 6 Pantograph catenary contact force

通过仿真及其它方案对比，为了减小在最大拉出值处弯曲半径较小、汇流排线夹和绝缘子横向受力较大的问题，且从受电弓两侧磨耗的均匀程度、提高受流质量等方面考虑及弓网仿真结果中每架受电弓的弓网接触力标准差的对比情况，最终确定U型槽起点处刚性接触网所在锚段布置采用类“之”字拉出值布置方式。

根据刚性接触网采用类“之”字拉出值布置方式，U型槽起点位置所在刚性接触网锚段采用1根汇流排+1根接触线+1根架空地线（1×HL2213+1×CTA150+1×JT120）安装形式，U型槽起点位置安装选取国内普遍采用的切槽关节式刚柔过渡设计方案，该结构形式承力索下锚灵活，鉴于本次U型槽曲线半径为240mm的，且外轨超高120mm的情况，可利用隧道口断面结构，其次柔性悬挂接触线穿入切槽式汇流排形成过渡段，与正常刚性接触网构成锚段关节，文献[2][3]分析了不同形式的刚柔过渡方式，提出切槽关节式刚柔过渡在高速下仍具备双向通过能力，相比其它刚柔过渡方式能适应更高的列车速度。

本文按隧道口50米范围内轨面以上净空预留为5000mm高度为设计基础，刚柔过渡部分接触网安装采用标准尺寸，汇流排长度为5m，终端长度为5.95m，嵌入汇流排的接触线下锚抬升角度应与汇流排终端抬升角度须保持一致，即arctan（75/1000）以满足刚柔过渡安装空间要求，按规范要求导线高度为4050mm，m，经核算50米范围内5000mm净空可满足安装要求，具体布置图如图7所示。

图7立面安装示意图

Fig.7 Schematic diagram of elevation installation

U型槽区段接触网采用柔性悬挂，因此U型槽起点位置刚柔过渡拉出值需考虑接触线最大风偏是否满足受电弓工作范围，受电弓工作宽度为800mm，曲线上柔性简单链型悬挂最大风偏时拉出值计算公式如下[10]。

式中： l为链型悬挂的跨距值；

     m为链型悬挂的当量系数；

     为线索单位长度重力负载；

为接触线的额定张力；

     R为曲线半径；

    为悬挂点处的拉出值；

为接触线水平面内的支柱挠度。

从以上核算结果可知，U型槽最大风偏拉出值为324.18mm，小于800/2mm，未超过受电弓工作范围。其次U型槽起点位置外轨超高120mm，受电弓中心与线路中心有一定的偏斜，根据以下计算可知偏移值为338.68mm，若受电弓长期保持偏斜状态，长期运行在不良的接触状态，会导致接触线严重磨损，从而大大减小接触线的使用寿命，尤其分区供电状态下会造成严重拉弧的不良事故发生。外轨超高引起的受电弓中心相对于线路中心的内偏移值为：

                            m==338.68mm

式中：H为接触线高度（mm）；

      h为外轨超高值（mm）；

     S为轨距（mm）。

根据以上计算本次宜采用垂直悬吊方式，此设计方案较常规平腕臂安装形式更加灵活，可通过调整T型头螺栓的长度调整槽钢与绝缘子、汇流排和接触线的整体偏转，调整方式简单、范围大、精度高，因此U型槽起点位置悬挂安装采用垂直悬吊方式，优化后安装方便，后期维护量小，适合类似工程小曲线接触网安装，优化设计方案及现场安装效果见图8-9。

图8优化设计方案安装示意图图9现场安装效果图

Fig. 8 Optimize the installation schematic of the design scheme Fig. 9 Installation effect diagram of site

3 结语

城市轨道交通U型槽接触网的安装较正线或场段均要复杂，不仅需兼顾正线与场段取流及接触网设计，同时还需考虑正线与场段接触网安装设计的衔接，是整个项目接触网设计研究的重点，尤其本文中线路条件有限的情况，设计之初需要充分分析线路、轨道及土建结构输入条件，进行实际布置，精细化设计，满足接触网安装设计功能要求的基础上，优化设计方案，减少施工及运营维护工作量，本文对城市轨道交通类似工程U型槽接触网优化设计具有一定的参考意义。

参考文献：

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[10]GB50017-2017，钢结构设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

作者简介：张贤玉（1980—），女，高级工程师，工学学士。主要从事轨道交通供电系统接触网技术工作。

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