余纲

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

1 概述

国内电气化铁路接触网多采用链型悬挂，时速200km铁路接触网结构高度一般不小于1400mm，隧道内为减小接触网对隧道的影响，降低隧道净空高度，接触网结构高度常采用950mm～1100mm[1-2]。降低接触网结构高度可降低隧道净空高度，减少隧道开挖，减少弃渣。近年来我国西部地区铁路发展迅速，部分地区受地震、高海拔、恶劣气候条件等因素的影响，隧道施工难度及环境保护问题较为突出。近期开工的某高原山区铁路，隧道比例大于90%，最长的易贡隧道达到42.6km[3]。以单线钻爆法隧道为例，接触网每减少100mm结构高度，可减少约0.52m2断面开挖，每正线公里减少约0.31 万m3弃渣，可大幅减小施工安全风险和对环境的影响。接触网结构高度受跨距、导线张力、最短吊弦、定位器长度及拉出值等技术参数影响，进而影响弓网关系和接触网系统设计。本文通过计算和仿真，对接触网结构高度对系统设计参数及腕臂系统的力学性能进行研究，从结构适应性角度提出时速200km 铁路接触网结构高度选择建议，可对山区复杂环境地区接触网设计提供参考。

2 接触网技术参数选取

国内已开通200km/h 及以上线路隧道内接触网系统，均采用柔性架空接触网；腕臂装置主要采用三角支撑结构，部分有采用整体腕臂、弓形腕臂形式；结构高度一般不小于1000mm；海南环岛等铁路采用整体腕臂，其结构高度950mm；隧道内定位器采用限位定位器，定位器长度一般为1050～1200mm；隧道内最短吊弦长度一般不小于450mm。

接触网技术参数及设备选型参考西部高原某铁路，承力索选用120mm2铜合金绞线，接触线采用150mm2铜合金接触线，导线张力组合选用15kN+20kN。

为减小结构高度，选用结构高度为950mm、750mm、550mm3种不同结构高度的腕臂支持装置进行研究。分别确定相应的腕臂支持装置装置的结构形式，结构高度950mm时，采用目前有较多成熟应用经验的整体腕臂结构，结构高度750mm 时采用目前时速160km 及以下铁路有应用经验的加强型复合截面弓形腕臂，结构高度550mm 采用弓形腕臂结构[4-5]，见图1。

图1 不同结构高度腕臂支撑装置形式

3 小结构高度对接触网系统的影响

接触网采用小结构高度，对接触网系统主要影响是承力索及接触线距离缩小引起吊弦长度的缩短，进而影响跨距长度、拉出值及定位器长度、接触网弓网关系等。

3.1 对最短吊弦的影响

仅考虑柔性吊弦，为缩短吊弦长度，可采用无螺栓吊弦，其主要结构为线夹（模锻）、载流环（双）、U 型挂环。见图2，导线中心至吊弦线夹高度约15mm，载流环最低折弯高度约45mm，压接长度约30mm。按不同运行时速，弓网动态运行过程中吊弦处承力索与接触线抬升最大差值20mm～50mm，仅考虑零部件本体结构，柔性吊弦理论上最短长度可缩短为约200mm～250mm。

图2 典型无螺栓吊弦示意图

按《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2016）规定，时速200km 最短吊弦不应小于400mm，隧道内及跨线建筑物处最短吊弦可根据净空情况酌情减小[6]。

柔性吊弦长度缩短，通过减小柔性吊弦线长度实现，易导致吊弦刚度变大。受风、覆冰等环境因素及机车通过时受电弓抬升影响，接触网振动频繁，吊弦刚性过大会对吊弦寿命及弓网关系有较大的影响。国内时速200km 运营铁路，隧道内实际最短吊弦长度一般不小于450mm[7]。

3.2 对跨距长度影响

因结构高度的减小，为保证跨中最短吊弦长度，接触网跨距也应缩小。国内铁路隧道内二衬一般通过台车进行混凝土浇筑，为施工和台车开孔方便，接触网定位安装点多位于台车模板的固定位置，跨距长度宜为台车尺寸的倍数。按目前国内最常用的12m 台车尺寸，隧道内承、导线采用15kN+20kN 张力组合，不同结构高度接触网最短吊弦及跨距组合计算结果见表1[8]。

表1 不同跨距和结构高度最短吊弦

从表中数据可知，结构高度减小后导致跨距缩短，单位长度接触网零部件及设备数量变大，增加了施工及运营维护的工作量。

3.3 对拉出值的影响

接触网导线应按定位器最佳受力状态，根据跨距、接触线线型和张力、定位点最大抬升量等因素计算确定拉出值。

以接触线张力20kN、定位器长度950mm 为例，计算不同跨距下的定位点最大拉出值，见表2。

结构高度减小后，接触网跨距缩小，会导致拉出值缩小。

我国目前国铁上运行的机车受电弓弓头几何外形符合UIC608 附4a 规定，弓头的长度一般为1950mm，受电弓单侧有效工作范围大于450mm。从表2 数据可知，采用小跨距时导线拉出值远小于受电弓有效工作范围值，导线与机车受电弓摩擦范围变小，缩短受电弓寿命。

表2 跨距及接触网拉出值对照表

4 腕臂结构力学性能

采用基于有限元原理MIDAS 结构仿真软件按结构高度为950mm、750mm、550mm 的3 种腕臂支持装置分别建立实体数学模型，对腕臂结构的应力及变形、腕臂支持装置局部变形、腕臂支持装置刚度进行仿真计算和分析。腕臂结构仿真接触网输入技术参数选取见表3。

表3 腕臂结构仿真接触网技术参数

4.1 腕臂应力及变形

按《电气化铁路接触网零部件》TB/T 2075.1-2020 对腕臂支持装置总体性能要求，计算确认不同结构腕臂支持装置的静态受力情况[9-10]。采用荷载分项系数计算方法，恒荷载分项系数取1.3，活荷载分项系数取1.5，静态荷载趋于动态计算[7]。按《电气化铁路接触网零部件技术条件》TB/T 2073-20210 规定，强度标准设计值拉应力不得小于67%的屈服强度，剪切应力不得小于42%的屈服强度[11]。

腕臂管径60mm 壁厚5.0mm，材质Q355 低合金钢，定位器的材料按照采用铝合金5 系列，强度设计值180MPa。

腕臂支持装置关键单元为承力索座、定位支座及定位器本体，经仿真计算后可知，三种结构高度腕臂系统，其最大应力均发生在定位器本体处。结构高度550mm 的腕臂支撑装置，最大应力146MPa；结构高度750mm 的腕臂支撑装置，最大应力131MPa；结构高度950mm 的腕臂支持装置，最大应力132MPa。按相关零部件均采用规定材料的最大设计强度，3 种腕臂支撑装置结构关键单元局部受力及安全冗余度见表4，结构高度越高腕臂支撑装置，其关键单元所受的局部应力越小，结构的安全冗余度也越大。

表4 腕臂支持装置局部应力及安全冗余

4.2 腕臂支持装置局部变形分析

采用与上述应力研究相同技术参数和输入数据，经仿真计算输出局部变形结果可知，腕臂支持装置局部变形的关键单元位于承力索、定位支座及定位器本体，虽最大应力均发生在定位器本体处，但腕臂支持装置最大局部变形发生在不同的位置。

结构高度550mm 腕臂支撑装置，最大变形发生在承力索座处，变形量为1.9mm；结构高度750mm 腕臂支撑装置，最大的变形发生在定位管端部，变形量为5.9mm，承力索座处变形量为0.2mm；结构高度950mm 腕臂支撑装置，最大的变形发生在定位管与斜腕臂连接处，变形量为-1.09mm，承力索座处变形量为-0.85mm。3 种腕臂支撑结构关键单元承力索座处最大变形量及安全冗余度见表5。

表5 腕臂支持装置最大变形量及冗余度

从设备杆件局部变形允许量分析，腕臂支持装置结构高度越大，承力索座处的变形（挠度）呈下降趋势，但因950mm结构高度腕臂结构为局部简支结构，另两种为悬臂结构，局部最大的变形点不在同一位置。

4.3 腕臂支持装置刚度分析

为保障设备在运输、安装中结构的安全和稳定性，还需对腕臂支持装置主杆件的刚度进行分析和比较[12]。按照《钢结构设计标准》（GB50017-2017）中关于钢结构杆件的长细比规定进行计算，腕臂管长细比不得大于150，越接近杆件刚度越差，见表6。

表6 受压构件的长细比容许值

对3 种腕臂支撑装置钢结构杆件的长细比进行计算，见表7。

表7 腕臂支持装置主杆件刚度

从表7 可知，腕臂支持装置结构高度越大刚度越大。结构高度550mm 时的弓型腕臂结构刚度较差，若采用外径60mm 的标准腕臂管，长细比为108，采用外径76mm 加强型腕臂管，调整腕臂结构减小有效计算悬臂长度可改善刚度，但效果仍较差；较结构高度950mm 的整体腕臂结构，其整体刚度下降64.7%。

5 结论

5.1 通过对结构高度对接触网系统影响的分析可知，减小隧道内接触网结构高度，会缩短跨中最短吊弦长度，减小柔性吊弦刚度，影响设备使用寿命；最短吊弦缩短后需减小隧道内跨距长度，会导致设备数量增加，增加投资和施工运营压力；跨距减小导致导线拉出值减小，会缩短机车受电弓使用寿命。结构高度的调整引起的定位点及增多、导线驰度变化等因素对弓网关系的影响趋于恶化，其具体影响仍需进一步研究。

5.2 通过3 种不同结构高度腕臂支持装置的应力与变形、局部强度、刚度等力学性能的仿真计算和分析可知：结构高度大的支持装置在应力指标方面，体现出更高的安全可靠性，最大应力定位器本体处，950mm 结构高度安全性较750mm 及550mm 高19.4%和48.3%；支持装置结构高度增大，腕臂结构相同部位的挠度和变形会随之减小，但因结构差异，局部最大变形位置可能不同，须根据变形量及关键单元位置等因素综合判断结构的适应性；结构高度大的腕臂结构刚度更大，结构高度550mm 弓型腕臂结构刚度较差，较结构高度750mm 的整体腕臂结构，其整体刚度下降48.7%，较结构高度950mm 的整体腕臂结构，其整体刚度下降64.7%。

5.3 实际工程中如采用结构高度550mm 腕臂系统，需采用设置支撑等措施改变腕臂支撑方式增大刚度，结构的调整也需对承力索座、定位器支座等部分现有标准零部件进一步优化和加强。

5.4 从接触网支持结构力学性能角度分析，在复杂山区时速200km 铁路，可适当减小接触网低结构高度，降低隧道施工难度和减轻环保压力。