高铁接触网转换柱承力索拉出值偏差原因分析及改进

李安政

0 引言

腕臂结构是电气化铁路接触网的重要组成部分，腕臂安装的质量直接影响接触网工程的整体质量。为了提高腕臂安装精度，我国时速300 km以上的高速铁路接触网系统均采用科学计算和工厂化预配的方式，其中科学计算是最关键的一环。目前，我国主流的腕臂计算理论和方法大多只针对腕臂结构的几何特点进行分析，而忽视了接触网的力学特性，由此造成施工中出现较多难以解释的误差。如果错误地将这些误差归结为施工误差，而未探究计算方面的原因，将会大大增加接触网调整工作量，而大量的调整会破坏接触网的统一性，进而影响接触网工程的整体质量。

1 京沈客专转换柱承力索拉出值偏差原因分析

京沈客专设计时速为350 km，在接触网工程施工过程中，施工人员发现转换柱处承力索拉出值出现偏差，如表1所示。

从表1中看出，接触线架线前，承力索的拉出值偏差较小，非工作支误差为35 mm，工作支误差为2 mm。然而在接触线架线后，承力索拉出值产生了较大的偏差，其中非支拉出值误差达84 mm，工支拉出值误差为13 mm。由此可见，腕臂结构在架线后受到了线材带来的张力影响，导致承力索拉出值误差增大。经分析，承力索拉出值的主要影响因素有：

表1 1033#转换柱承力索拉出值统计 mm

（1）支柱斜率。经测量，架线前支柱倾斜为0 mm。架线后，支柱因受线材张力的影响，在上腕臂底座相对轨面位置向田野侧倾斜14 mm，如图1所示。由于支柱倾斜造成了拉出值变化14 mm，对非工作支和工作支拉出值均产生影响。

（2）双腕臂底座变形。经测量，架线前双腕臂底座变形为0 mm。架线后，腕臂底座因受线材张力的影响，向田野侧产生变形，如图2所示。非支腕臂底座变形4 mm，工支由于受力小，腕臂底座无变形。由于双腕臂底座变形造成拉出值变化4 mm，只对非支拉出值产生影响。

（3）支柱扭曲。经测量，架线前支柱扭曲变形为0 mm。架线后，支柱因受到非支和工支不平衡力矩的影响向一侧扭曲，在腕臂上底座处的扭曲值为7 mm，如图3所示。

图1 支柱受力倾斜示意图

图2 双腕臂底座受力变形示意图

图3 支柱扭曲变形示意图

综合以上几项因素对拉出值造成的影响：

（1）对非工作支拉出值的影响为14 + 4 + 27 =45 mm，对拉出值进行修正，a= 266 + 45 = 311 mm，与架线前的测量结果315 mm相差4 mm；

（2）对工作支拉出值的影响为14 - 27 = -13 mm，对拉出值进行修正，a= 163 - 13 = 150 mm，与架线前的测量结果148 mm相差2 mm。

2 改进措施

根据接触网施工工序，腕臂安装在架线之前完成，因此在腕臂计算阶段，支柱倾斜、底座弯曲、支柱扭曲等数据均是在不受力的情况下测量，计算得到的腕臂数据不能反映受力后发生的变化情况。

为使计算结果准确，须对不受力情况下的测量数据进行力学补偿。由于上述变形均为材料的弹性变形，因此补偿的依据为“胡克定律”，即“材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，该比例系数称为弹性模量”，具体补偿过程如下：

（1）计算导致材料变形的力或力矩的大小。例如，导致支柱倾斜的力为F，张力分析见图4。

图4 线材对支柱的张力分析

已知参数：A点拉出值a1、B点拉出值a2、C点限界Xj、跨距L、承力索张力Tc。以上参数均为设计参数或可测量参数。 分析图4中的力F得出

根据京沈客专设计情况及现场测量结果：Xj=3.1 m，a2= 0.35 m，a1= 0，L= 48 m，Tc= 21 kN。将结果代入式（1）可得F= 1.66 kN，即承力索对支柱的作用力为1.66 kN。

（2）计算弹性模量k。经测量，受力后转换柱向田野侧倾斜Q= 14 mm，根据胡克定律得出钢柱倾斜的弹性模量k=Q/F= 8.4 mm/ kN。

（3）修正原始测量参数。假设原测量的支柱斜率为xl、上底座高度为H，则修正后的支柱倾斜量为Q=xlgH+kgF。式中力F在不同的情况下可出现多种可能，例如直线段、曲内、曲外、绝缘锚段关节、非绝缘锚段关节等情况下力F均不相同，需要逐一分析。式（1）计算的是直线区段非绝缘锚段关节的情况。

（4）采用修正后的测量参数进行几何计算。对原始测量参数进行修正后再进行几何计算，即可消除因受力带来的影响，得到的结果更加准确。

以上力学分析是以支柱倾斜受力为例，同理，腕臂底座受力变形、支柱受力矩影响扭曲均可按照上述方法进行修正补偿，本文不再进行详细论述。

3 结语

接触网系统结构关系高速铁路工程的质量和安全，应引起足够重视。通过力学分析可知，承力索拉出值偏差问题并非个别现象，其在接触网工程中普遍存在，尤其是对于线材张力更大的高铁项目将更为突出。

在京沈客专施工中采取了改进计算方法的措施，可以克服承力索拉出值偏差的问题，但是该措施仍然存在缺陷，例如弹性模量k取值为经验近似值，缺乏充分的理论依据。后续建议采用ANSYS建模的方法对不同情况下的受力进行仿真分析，并对此进行更为深入的研究。