硬横跨的设计和安装.doc

兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）前 言1879年5月,世界上第一条电气化铁路在德国柏林建成。此后，随着科学技术的发展、铁路运量的增长和对能源利用率的重视，电气化铁路有了很快的发展。法国、日本、德国等国家已成为电气化铁路为主的铁路运输业，大部分货运量是由电气铁路完成的。全世界电气化铁路营业里程逐年增加,到20世纪80年代初已超过16.5万公里,占铁路 营业总里程的13，而承担的运量却占铁路总运量的35。一些以电气化铁路为主的国家，如法国、联邦德国和日本等,一般以占铁路营业总里程的1/3左右的电气化铁路完成铁路总运量的3/4左右。中国于1961年建成第一条电气化铁路宝成铁路的宝鸡至凤州段。在过去的这几十年中，我国电气化铁路建设有了迅速的发展，取得了巨大的成就。到2010年，我国铁路的电气化率预计将达到34.6%(约占国家铁路营业里程的40%以上)，电气化铁路复线率将增加到68.9%，电气化铁路承担的客货运量将占铁路总运量的65%以上。几条长大干线的旅客列车运行速度将普遍达到每小140160公里，而京沈、广深、京津、沪杭、长衡等快速客运专线的旅客列车运行速度将达到每小时200公里。我国几条主要繁忙干线的货物列车载重量将普遍达到40005000吨，而大秦和朔黄两条运煤专线的重载单元列车的载重量将突破1万吨。电气化铁路的各项主要运营指标，如输送能力和通过能力、列车运行速度和列车平均总重量、电力机车的日车公里和日产量等都进入世界先进行列。用电力机车作为牵引动力的铁路，就是电气化铁路。电气化机车上不设原动机，其电力由铁路电力供应系统提供。该系统由牵引变电所和接触网构成。来自高压输电线路的高压电经牵引变电所降压整流后，送至铁路架空接触网，电气机车通过滑线弓受电，牵引机车行驶。供电制式分为直流制。电气化铁路与现有其他动力牵引的铁路相比，具有的优越性是能源节省，其热效率可达 20%26% ；运输能力大 ，功率大，可使牵引总重提高；运输成本低，维修少，机车车辆周转快，整备作业少、耗能少；污染少，粉尘与 噪声小，劳动条件也较好等。接触网是其重要组成部分，它是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。 为了把导线悬挂到支柱并固定在一定位置上，必须有一套中间装置，这就是所谓的支持装置。支持装置包括腕臂、软横跨和硬横跨。本设计除了涉及到接触网的其他知识外，重点介绍作为接触悬挂支持结构之一的硬横跨。硬横跨是电气化铁路发展初期，欧洲国家就有较广泛的应用，他的优点是形式单一、结构简单、便于机械化施工。后来，硬横跨又逐渐被软横跨所取代。高速铁路在世界范围内兴起，而硬横跨的优点在高速铁路中显现出来，所以，在国外，如法国、瑞士、日本等国家，硬横跨又被重新广泛地采用。1硬横跨的形式11硬横跨的基本形式 硬横跨多用于全补偿链型悬挂的站场上，一般是为固定承力索中心的锚结绳而设立的。时速200km区段，车站正线一般采用带吊柱（吊柱本体采用双槽钢焊接）的门型硬横梁结构，如图11所示。股道数较多的大站纯站线侧采用带上下部定位索的门型硬梁结构，如图12所示。硬横梁一般采用格构式横梁。图11图12硬横跨不仅具有机械上独立、股道之间不产生影响、事故范围小、结构稳定、抗震动、抗风性能好、稳定性强等优点，而且硬横跨具有较好的刚度，稳定性高，能改善弓网受流，因而又具有磨耗小、可降低离线率等一系列优点。1.2 新型斜拉式硬横跨我们在这里介绍一种新型的硬横跨斜位式硬横跨。我国长沙站就采用这种硬横跨。1.2.1 斜拉式硬横跨的形式斜拉式连续硬横跨,分为两种类型:一种为一般斜拉式连续硬横跨,另一种为大跨度斜拉式连续硬横跨。 一般斜拉式连续硬横跨的横梁面形式为边长500mm正三角形,上弦杆为一根89的无缝钢管,下弦杆为两根76的无缝钢管,支柱为4m高外径为300mm的圆钢柱。一般斜拉式连续硬横跨的安装示意图1:“一般斜拉式连续硬横跨的安装示意图”。 大跨度斜拉式连续硬横跨的横梁断面形式为边长600mm正三角形,上弦杆为一根102的无缝钢管,下弦杆为两根102的无缝钢管,支柱外径为300mm的圆钢柱。大跨度斜拉式连续硬横跨的安装形式见图2:“大跨度斜拉式连续硬横跨的安装示意图”。图1一般斜拉式连续硬横跨的安装示意图 图2大跨度斜拉式连续硬横跨的安装示意图1 斜拉式硬横跨的性能特点及优点硬横跨结构对横梁和钢柱的制造精度要求很高,从保证现场安装顺利方面,要求有简单方便的连接型式,从制造方面,确定一套完整的工艺装备、胎模、卡具以及一系列的质量保证体系,以保证工厂分段制造,现场顺利安装。斜拉式连续硬横跨,具有以下特点:a.斜拉式连续硬横跨跨越能力大,单跨的设计跨度为1728m,个别地方的单跨跨度为38m,每组硬横跨实际长度超过了60m。b.斜拉式连续硬横跨与普通便横跨相比,受力更均匀,内力分布合理,更能充分利用材料。c.既能满足强度、刚度及稳定性要求、又做到经济、合理、适用、美观。斜拉式连续硬横跨结构不仅具有普通横跨的优点整体稳定性好,还可大大提高接触悬挂的稳定性,减少受电弓的离线率,便于接触悬挂调整,减少维修工作量,节约维修费用,同时还具有以下优点:1与采用抱箍型式连接的硬横跨相比,制造精度与安装误差要求较低,更便于工厂加工和现场安装。2结构型式简洁轻巧,改善了电气化铁路尤其是车站的面貌。3斜拉式连续硬横跨由于斜拉杆的作用,大大减少了梁自重产生的弯矩,梁截面尺寸小,因此节省了钢材。4斜拉式连续硬横跨支柱柱底的弯矩小,如硬横跨与雨棚合架,对雨棚的作用荷载小,可大大减少雨棚的土建投资或雨棚的加固费用。 2.硬横跨结构与基础选用2.1选用说明根据跨度的大小和安装地点的不同，硬横跨按结构分为两大类：角钢结构式矩形断面硬横跨（角钢硬横跨）和钢管结构式三角断面硬横梁（钢管硬横梁）。通过吊柱安装接触悬挂。硬横跨横梁与支柱采用抱箍式连接或法兰盘连接，横梁分若干段，梁段间通过法兰连接。角钢结构硬横跨的支柱采用环形等径预应力混凝土支柱（跨度25mm及以下）或与横梁结构相同的角钢支柱（跨度2540m或跨度25m以下承受负荷较大的硬横跨），钢管结构硬横跨支柱采用环形等径截面钢管柱。钢管结构硬横跨主要用于车站风雨棚范围内，其余地点一般采用角钢结构硬横跨。 21.1硬横跨规格型号符号说明采用混凝土支柱的角钢硬横跨表示为：YHK-H-“L”；采用角钢支柱的角钢硬横跨表示为： YHK-J-“L”；采用钢管硬横跨表示为： YHK-G-“L”；其中YHK表示硬横跨，H、J、G分别表示混凝土支柱的角钢硬横跨、角钢支柱的角钢硬横跨和钢管硬横跨，L表示硬横跨的跨距，一般为硬横跨两侧支柱中心间的距离（m）。硬横跨制造时，横梁长度应根据现场实测跨距值确定。硬横跨跨度及支柱高度范围参见表21。表中支柱高度和硬横跨质量随实际情况进行调整，不是最终准确值。YHK-H-20和YHK-H-25的质量仅为一根横梁的质量，其余型号的硬横跨质量为一根横梁和两根支柱的质量，以上均为含吊柱的质量。表21 硬横跨跨度及支柱高度硬横跨结构形式规格型号横梁跨度（m）支柱高度（m）硬横跨质量（kg） 角钢结构 YHK-H-20208.210.41400YHK-H-25251750YHK-J-30308.410.634403800YHK-J-35358.610.847805200YHK-J-404052305650钢管结构YHK-G-20208.210.430803470YHK-G-2525348038702.2基础选用1.角钢硬横跨选择1跨距L=2025m时 横梁横断面尺寸为500mm600mm。 支柱选用： 支柱型号GQ10012,400型环形等径预应力混凝土支柱。 支柱断面直径400mm. 支柱高度根据现场实际情况选用。 基础选取如表22所示。表22 基础选用地基承载力（kPa）5050100100150150200200250250基础型号YJ-1YJ-2YJ-3YJ-4YJ-52跨距L=25.130m时 横梁横截面尺寸为800mm800mm。 支柱选用（GY表示格构式角钢支柱）支柱型号：GY1-H,GY2-H。其中H表示支柱高度（m），如表23所示。表23 支柱型号选用（m）项目安装地点区间站台外站台内货物站台轨地高差1.040.8+0.5+1.1支柱高度10.5910.359.058.45基础外露高度0.20.20.10.1主角钢选用如表24所示。表24 主角钢选用柱型主角钢GY1-HL1007GY2-HL1108 基础选用（底部：800mm800mm，顶端：800mm800mm）,如表25所示 。表25 基础选用地基承载力（kPa）5010015020050100150200基础型号YJ-6YJ-7YJ-8YJ-9YJ-11YJ-12YJ-13YJ-143跨距L=30.140m时 横梁横截面尺寸800mm1000mm。 支柱选用支柱型号：HY3-H,HY4-H。其中H表示支柱高度（m）,如表26所示。26 支柱型号选用项目安装地点区间站台外站台内货物站台轨地高差（m）1.040.8+0.5+1.1支柱高度（m） 10.7910.559.258.65基础外露高度(m)0.20.20.10.1主角钢选用如表27所示。支柱选用如表28所示。表27 主角钢选用柱型主角钢HY3-HL1008GY4-HL11010表28 支柱选用跨距柱型30.136mGY3-H36.140mGY4-H 基础选取（底部：底部：800mm800mm，顶端：800mm800mm），如表29所示。表29 基础选用地基承载力（kPa）5010015020050100150200基础型号YJ-15YJ-16YJ-17YJ-18YJ-20YJ-21YJ-16YJ-172钢管横梁选用1横梁型号：PB-L。钢管硬横跨跨距L=2025m时，断面尺寸600mm520mm。支柱断面直径为350m。2支柱选用 支柱型号：R-H,其中R1表示等径钢管支柱，H表示支柱高度，如表210所示。表210 支柱型号选用项目安装地点区间站台外站台内货物站台轨地高差（m）1.040.8+0.5+1.1支柱高度（m） 10.4110.178.878.27基础外露高度(m)0.20.20.10.1基础选用如表211所示。表211 基础选用地基承载力（kPa）5050100100150150200200250250基础型号YJ-1YJ-2YJ-3YJ-4YJ-53硬横跨吊柱选择1吊柱型号:D-Y。其中H表示吊柱长度，吊柱Y表示为Y型结构形式，两柱脚间的距离约为1.11.3m(一般选用1.3m),柱脚至两斜腿相交处的垂直距离为0.7m，吊柱的总长度H为30003600mm。2吊柱的选用：吊柱的允许弯矩（两斜腿相交处）为20KNm(标准值），只要不超过该值，无论悬挂几支，均可以选用D-H型吊柱。3由于横梁有拱高，吊柱的两个柱脚可能不等高，可以通过安装调节垫板调整柱脚高度，安装的吊柱呈竖直状态。4硬横跨安装高度（如表212所示）表212 硬横跨安装高度接触线高度结构高度h=1.1m结构高度h=1.4m备注承力索高度（m）硬横梁安装高度（m）承力索高度（m）硬横梁安装高度（m）硬横跨安装高度是指梁底至最高轨面的垂直距离6.0m7.187.48.36.45m7.558.457.858.755因考虑到腕臂上定位器的安装及与吊柱相邻股道上腕臂反定位的安装，将吊柱的安装限界及线间距要求统一如下：1一般情况下正线上吊柱的限界为2.3m ，站线吊柱的限界直线为2.2m ，曲线为2.3m 。2安装后的吊柱与侧线路中心的距离不应小于1.6m ，当邻侧线路为道岔柱或转换柱时，该值不应小于1.9m 。按照上述要求，安装吊柱的两线间距离应满足要求，即：正线与站线间的距离一般不小于4.6m ，邻侧为道岔柱时不小于5.0m ；站线与站线间的距离一般不小于4.2m ，邻侧为道岔柱是不小于4.6m 。6硬横跨施工说明1如无特殊原因同一组硬横梁的基础顶面应等高。2两侧基础螺栓群中心连线应与线路中心线垂直。3基础施工应按基础安装图的要求进行施工，确保基础顶面至轨面的距离一致。4基础施工完成后，应测量两侧基础中心间的距离，按照实测横向跨距向厂家订货。5硬横梁的组装应符合设计图纸的要求，安装时应选择合适的吊点起吊，待梁柱连接螺栓全部穿入后再卸取吊钩。7钢接硬横跨硬横梁运抵工地后，应按生产厂提供的技术条件进行外观检查，其主要检查项目应符合下列要求：1全梁跨度的允许偏差：30mL40m为25mm; L30m为10mm 。L为两柱的理论中心距。2全梁挠曲:立位检查其挠曲矢高L1000（L为梁长）。3梁身扭曲：立位检查其挠曲矢高H125(H为梁高)。4抱箍应基本圆整，局部变形（焊接变形）不宜过大；孔群中心线应与抱箍中心线重合，允许偏差3mm 。5各连接孔距允许偏差1mm ；孔径的椭圆度允许偏差1.5mm ;错孔（指零件的不同心度）偏差在0.5 1.0mm的，每组孔中允许数量为50% ；偏差在1.0以上大约1.5mm的，每组孔中允许数量为10% 。6硬横梁防腐采用热喷锌，其质量要求如下：喷涂层应均匀平坦，色调一致；喷涂层厚度不应小于100m ；喷涂层应与坯料表面结合良好，不得有脱落和龟裂形象；锌层外罩的密封清漆应均匀一致，无遗漏，无流挂。7焊接处无裂纹，焊缝无虚焊。8.在预应力混凝土接触网支柱堆放过程中应遵守下列规定： 1支柱堆放场地平整； 2横腹板支柱堆放时，用150mm 200mm 的方木垫起，根部统一放在一边，支柱堆码不得超过三层，层与层间用方木垫在腹杆节点处，不得垫在腹孔中间，放置位置为翼缘侧面朝上； 3等径支柱采用两点堆放，支点位置如图214所示。图214 等径支柱堆放尺寸 4等径支柱按规定分别堆放，堆放层数不宜超过4层； 5等径支柱堆垛应放在支垫物上，层与层之间用支垫物隔开，每层支承点在同一平面上，各层支垫物位置在同一垂直线上。9.预应力混凝土接触网支柱在运输过程中应遵守下列规定： 1等径支柱在运输过程中的支承点位置按图214规定，若受车辆所限，支承位置可向外移动1m ，向内移动1.5m ; 2等径支柱在运输过程中应在支点处套上草圈，或用草绳等物捆扎； 3装载支柱的车辆在铁路运输中，不准溜放。3.硬横跨受力分析及计算受力分垂直线路方向和顺线路方向，下面我们根据兰武二线双线特大桥、大桥的硬横跨的受力进行分析计算并对新型斜位式硬横跨进行力学性能分析。3.1 受力分析及计算（以兰武二线双线特大桥、大桥的硬横跨为例） 1、问题的提出 为满足兰武二线最高行车速度提高到160kmh的要求，部鉴定意见要求双线特大桥、大桥原设计采用的单腕臂支柱需改为硬横跨，以提高其抗风及抗震动能力因目前针对 160kmh速度的接触网支撑结构设计，国内没有明确的标准，我们经过论证比较，以德国铁路对接触悬挂的挠度控制为参考。 双线特大桥、大桥的单腕臂支柱改为硬横跨后，垂直线路方向的接触网支柱的强度、稳定性及变形能力均得到提高，但随之也带来一些问题： (1)硬横跨的采用改变了原来桥支柱的受力特点原来的单腕臂支柱单向受力，主受力方向是垂直线路方向；硬横跨支柱是双向受力，垂直、顺线路两个方向均为受力方向，硬横跨的采用是垂直线路方向的受力性能提高，通过最不利荷载组合，主计算方向确定为顺线路方向 (2)采用硬横跨，增加硬横梁，垂直负载增加了支柱容量，水平负载增加了顺线路方向的柱顶风荷载 (3)考虑双层集装箱设计和最高运行速度160kmh地段的净空要求，原有桥支柱由原来高度(IIm、II5m)提高到 12m 2、根据上述新情况，我们分析并计算了兰武二线双线特大桥、大桥的硬横跨的受力情况，分析如下： 1 原始资料 1 气象条件名称单位数值名称单位数值最高气温40最大风速m/s27最低气温30覆冰时风速m/s10最大风时气温0接触线覆冰厚度mm2.5覆冰时气温5承力索覆冰厚度mm5吊弦、定位器正常位置时气温152线材规格及张力项目线材名称规格 额定张力(kN)最大张力（kN)附 注承力索铜合金绞线THJ-95-THJ-12017载流承力索接触线铜合金电车线CTHA12013正 线加强线铝包钢芯铝绞线LBGLJ-18512供电线铝包钢芯铝绞线LBGLJ-18512回流线铝包钢芯铝绞线LBGLJ-150103跨距及拉出值根据气象条件、悬挂类型、线材规格进行计算的结果见下表：曲线（m）50060080010001200150018002000250030004000直线跨距（m）454550505055556060606060(65)拉出值mm4004004004002502502501501501501503004选用线材的机械及电气性能线型结构根数/直径(mm)外径(mm)计算截面(mm2)计算拉力(kN)直流电阻(/km)载流量(A)弹性模量(MPa)线胀系数(10-6/)单重(kg/m)CTHA12012.912142.350.01786750124000171.082CTHA8510.88631.820.01786600124000170.769THJ12019/2.8014.0116.9967.570.2416350105000171.060THJ9519/2.5012.593.2754.760.3395305105000170.845LBGLJ185/2524/3.1518.9211.2956.810.14535456900020.40.6781LBGLJ150/2026/2.6716.9165.1746.070.19044736930020.40.53473. 负载及支柱容量计算 (以非绝缘转换柱为例 ) 非绝缘转换柱承受两支接触悬挂，一为工作支，另一为下锚支，两支悬挂的水平间距为 0.1m，计算时可忽略不计 1 基本假定 硬横梁、桥支柱和桥墩台构成了硬横跨结构底基本受力结构体系，横向因为横梁的连接刚度较好，纵向成为单榀排架结构，刚度较差，设计中要分别进行纵横两个方向的内力分析，以便求出在各种荷载作用下起控制作用的截面不利内力，以此作为设计支柱的依据 为了计算上的简化，根据硬横跨结构和实际情况来确定计算简图，做如下假定： 1柱子底面固定于桥墩上支柱利用长螺栓和墩台连接，螺栓锚固长度满足规范要求，且桥墩台底变形亦受到控制，基础底转动一般很小，因此假定支柱下端可以作为固定端考虑 2柱上端和硬横梁的连接为铰结在柱上端，硬横梁搁置在支柱顶上，用螺栓和角钢组成的U型箍将硬横梁固定，因为铁路沿线的自然条件和施工条件都比较恶劣，精确的刚性连接有一定的制作和施工的难度，兰武二线采取铰结的连接方式 3硬横梁作为门型架构的横梁假定为准刚性连杆一般的排架结构，横梁的刚度一般要比柱子大很多，受力后在跨度方向变化很小，可略去不计，但桥上的硬横跨结构，横梁仅起连接拉结桥支柱的作用，刚度小于支柱，故我们假定硬横梁为准刚性连杆，在内力的分析中考虑部分应力及变形 2 受力分析 1负载计算支柱负载包括水平负载和垂直负载。垂直负载包括：悬挂结构自重负载。链形悬挂的自重。水平负载包括：支柱本身的风负载。线索传给支柱的风负载。曲线形成的水平分力。之字值形成的水平分力。下锚分力。合力矩： 直线同侧下锚（按图中ZF2计算）为： 式中 非绝缘转换柱受力分析图直线异侧下锚按图中ZF1计算。：接触悬挂垂直负载，包括承力索、接触线及吊弦线架的重量，覆冰地区应计入冰重（N）。：接触悬挂支持装置垂直负载，覆冰时应包括冰重（N）。：悬挂点至支柱中心线的水平距离（m）。：接触线的风负载（N/m）。：接触线的“之”字力（N）。：接触线至地面的高度。：接触线下锚力（N）。：承力索的风负载。（N/m）。：承力索的“之”字力（N）。：承力索至地面高度（m）。：支柱地面以上本身承受的风负载（N）。：支柱地面以上的高度（m）。：承力索下锚力（N）。a.风负载支柱本身的风负载可由下式计算： 式中，F为支柱受风面积；K为体型系数；接触网悬挂线索的风负载可由下式计算： 式中 ：线索所受的实际风负载（KN）； ：风速不均匀系数； ：风负载体型系数； ：线索的直径（mm）； ：接触悬挂跨距（m）； ：设计计算风速（m/s）； ：风向与线路方向的夹角。风速不均匀系数和风负载体型系数分别参见表1.5.2表1.5.3。 风速不均匀系数 计算风速（m/s）20以下2030313535以上a1.000.850.750.70风负载体型系数受风件特征K支柱圆形钢筋混凝土支柱0.60矩形钢筋混凝土支柱1.40四边形角钢支柱1.4（1+）线索链形悬挂1.25一般悬挂d17mm1.2017mm1.10注：*表示再覆冰时，虽然d17mm,但K仍取1.2。b.非绝缘转换柱的下锚力非绝缘转换柱立于曲线外侧时下锚力的计算方法：锚柱立在曲外并与相邻转换柱同侧时： 锚柱立在曲内并与相邻转换柱异侧时： 非绝缘转换柱立于曲线内侧时下锚力的计算方法：锚柱立在曲内并与相邻转换柱同侧时： 锚柱立在曲内并与相邻转换柱异侧时： 式中，T为下锚支线索的张力（N），l为下锚支所在跨距值（m）,R为曲线半径（m）。c.接触线“之”字力可由下式计算： 式中，为接触线“之”字值（m），T为接触线张力（N）。1支柱容量垂直线路方向腕臂力及弯矩腕臂垂直负载腕臂水平负载垂直负载产生弯矩水平负载产生弯矩Gw(KN)Pw(KN)Mgw(KNm)Mpw(KNm) 计算简图顺线路方向柱顶水平力、冲击力、水平风荷载及弯矩柱顶水平力P1(KN)悬挂断线时的冲击力水平风荷载柱顶水平力产生弯矩断线冲击力产生弯矩水平风荷载产生弯矩P2(KN)Wk(KN/)Mp1(KNm)Mp2(KNm)Mwk(KNm)计算简图确定容量 y My b x Mx a 支柱容量(KNm)3 支柱强度、稳定