秦宗學(xué)，魯海祥，劉 杰

鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂在甘青高鐵的應(yīng)用

秦宗學(xué)，魯海祥，劉 杰

甘青高鐵采用在國(guó)內(nèi)使用較少的鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)腕臂的特點(diǎn)及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況建立腕臂計(jì)算數(shù)學(xué)模型，為今后類似施工提供參考。

鋼結(jié)構(gòu)；整體腕臂；應(yīng)用

0 引言

我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)一般采用鋁合金管組合腕臂，但因幅員遼闊，氣候條件復(fù)雜，鋁合金管組合腕臂由于風(fēng)大等氣候因素，存在一定的局限性。鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂很好地解決了這一局限性，如廣深客專、海南東環(huán)線以及蘭新客專都采用了這一形式的結(jié)構(gòu)。但由于鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂的自身特點(diǎn)，對(duì)基礎(chǔ)面與軌面的精度要求高，施工難度較大。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐，詳細(xì)闡述鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂在甘青高鐵施工中的應(yīng)用，以期為今后高鐵采用鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂施工提供參考。

1 鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂簡(jiǎn)介

圖1和圖2分別為鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂正定位和反定位安裝圖。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：

（1）腕臂、定位管均采用鋼管，定位管兩端是焊接好的單耳連接，廠家根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量參數(shù)計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)一加工，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)號(hào)安裝，不需再加工。

（2）反定位結(jié)構(gòu)高度及定位器角度主要由平腕臂彎管半徑為1 000 mm的彎管下彎量控制。

（3）定位器是帶彈簧補(bǔ)償?shù)?，接觸線至定位管中心要求500 mm，最大誤差±15 mm。接觸導(dǎo)線至定位管中心的距離主要由定位管的高度控制。

（4）腕臂安裝高度確定后，定位管要達(dá)到設(shè)計(jì)高度，須保證正定位定位管垂直方向長(zhǎng)度、反定位R型水平腕臂垂直方向下彎長(zhǎng)度的加工精度。

鋼結(jié)構(gòu)腕臂計(jì)算、安裝示意圖見圖1和圖2。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)施工特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)施工具有如下特點(diǎn)：

（1）站前施工單位預(yù)留基礎(chǔ)標(biāo)高的偏差大，基礎(chǔ)面至軌面的高度誤差在±50 mm的占20%以上。而支柱高度及腕臂底座預(yù)留的尺寸是統(tǒng)一的，因此造成腕臂安裝高度是不一致的。

（2）腕臂上、下底座要求安裝在支柱的預(yù)留孔內(nèi)，特別是等徑預(yù)應(yīng)力混凝土支柱，現(xiàn)場(chǎng)不能重新開孔，安裝位置固定不能調(diào)整。

結(jié)合以上特點(diǎn)，完成精確計(jì)算是沒有問(wèn)題的。但腕臂計(jì)算是根據(jù)安裝的每個(gè)支柱的限界，拉出值位置處的導(dǎo)高及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)等計(jì)算的，每個(gè)腕臂的計(jì)算結(jié)果是不一致的。腕臂生產(chǎn)廠家要根據(jù)計(jì)算結(jié)果一一對(duì)應(yīng)精確加工，難度太大。加工平臺(tái)需不停調(diào)整，增加了加工難度，降低了生產(chǎn)效率，供貨的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)場(chǎng)施工安裝的需要。如何解決這一難題，在加快廠家生產(chǎn)效率的同時(shí)，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工安裝的需要，是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖1 正定位腕臂安裝圖

圖2 反定位腕臂安裝圖

2 鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂計(jì)算簡(jiǎn)析

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂的特點(diǎn)，拉出值現(xiàn)場(chǎng)控制較方便，結(jié)構(gòu)高度現(xiàn)場(chǎng)控制則比較困難。因?yàn)榻佑|線到定位管中心的垂直距離是保證導(dǎo)高的關(guān)鍵，而該關(guān)鍵的關(guān)鍵在于腕臂施工安裝精度，特別是反定位。下面就以反定位為例，分析如何控制定位管的高度。

由于現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)標(biāo)高不一致，腕臂安裝高度就不可能一致，不能完全符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)安裝高度。可能高于標(biāo)準(zhǔn)高度，也可能低于標(biāo)準(zhǔn)高度，因此，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)安裝高度做出如下設(shè)定：（1）以標(biāo)準(zhǔn)安裝高度腕臂為參考腕臂（標(biāo)準(zhǔn)高度的腕臂主要是承力索座至定位管彎頭雙耳的形式固定為標(biāo)準(zhǔn)值）；（2）以平腕臂彎頭雙耳為圓心轉(zhuǎn)動(dòng)腕臂至高于標(biāo)準(zhǔn)安裝高度的位置。根據(jù)以上設(shè)定繪出分析圖（圖3）。

根據(jù)圖3分析，只要控制好R型反定位水平腕臂管雙耳的高度，就可以控制定位管的高度。

圖3 反定位腕臂安裝設(shè)定分析圖

根據(jù)計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)安裝高度的R型腕臂長(zhǎng)度尺寸（標(biāo)準(zhǔn)安裝高度的R型腕臂計(jì)算本文不介紹），計(jì)算出高于或低于標(biāo)準(zhǔn)安裝高度時(shí)的R型腕臂的平腕臂長(zhǎng)度、斜腕臂長(zhǎng)度即可。

非標(biāo)準(zhǔn)安裝高度的定位管可參照標(biāo)準(zhǔn)安裝高度計(jì)算出來(lái)的定位管相關(guān)數(shù)值。通過(guò)圖3可以看出，由于平腕臂安裝高度升高或降低，采用平腕臂標(biāo)準(zhǔn)安裝高度計(jì)算出來(lái)的定位管，在定位器安裝位置引起的誤差只有±5 mm左右，符合設(shè)計(jì)要求，滿足施工需要。

3 非標(biāo)準(zhǔn)安裝高度時(shí)的平、斜腕臂計(jì)算

根據(jù)圖3及設(shè)定的條件，畫出分析圖，找出幾何關(guān)系，計(jì)算非標(biāo)準(zhǔn)安裝高度的平腕臂、斜腕臂長(zhǎng)度尺寸，見圖4。

圖4 平、斜腕臂非標(biāo)準(zhǔn)安裝的分析圖

已知條件：限界Cx，斜率σ，上底座安裝高度H上，上下底座間距H上下，拉出值a，外軌超高Hw，接觸線高度Hc，結(jié)構(gòu)高度H結(jié)構(gòu)，軌距L，腕臂自身結(jié)構(gòu)尺寸（圖2）。

待求數(shù)：各線段r2、r3、c、d、h、g長(zhǎng)度，

∠a、∠b、∠a1、∠a2、∠b1、∠b2，線段H高差、Hc'。

其中：a.線段c長(zhǎng)度：腕臂低頭時(shí)，其值為標(biāo)準(zhǔn)高度腕臂承力索座至棒瓶單耳的長(zhǎng)度+h；平腕臂抬頭時(shí)，其值為標(biāo)準(zhǔn)高度腕臂承力索座至棒瓶單耳的長(zhǎng)度-h。b.線段d長(zhǎng)度為腕臂低頭時(shí)，與大圓直徑組成的直角三角形的短直角邊長(zhǎng)度。c.線段g長(zhǎng)度為腕臂低頭時(shí)，與小圓直徑組成的直角三角形的短直角邊長(zhǎng)度。d.線段h長(zhǎng)度：平腕臂因低頭伸長(zhǎng)，或抬頭縮短的量。e.H高差= (e ? d)，標(biāo)準(zhǔn)腕臂平腕臂向下彎曲的垂直距離用H垂表示，e = H垂+ H高。H高為實(shí)際安裝比標(biāo)準(zhǔn)安裝高度高的數(shù)值。

上述各參數(shù)確定如下：

（1）確定上底座安裝高度H上：

H上= Hc'+ H結(jié)構(gòu)? 承力索座至定位管中心距離。

直線區(qū)段直接代入已知數(shù)。曲線區(qū)段需計(jì)算出拉出值位置的導(dǎo)線高度，再代入其他數(shù)值。直線處Hc'= Hc，曲線處Hc'計(jì)算如下：

支柱位于曲線處，拉出值處的導(dǎo)線高度計(jì)算公式為

計(jì)算時(shí)，拉出值有正負(fù)號(hào)，曲內(nèi)超高為正，曲外超高為負(fù)。

（2）根據(jù)已知參數(shù)，求出標(biāo)準(zhǔn)安裝高度腕臂的平腕臂長(zhǎng)度，斜腕臂長(zhǎng)度，定位管長(zhǎng)度及安裝位置，定位支座的安裝位置，這里就不詳細(xì)介紹了。為了敘述方便先設(shè)定一些已經(jīng)數(shù)據(jù)的代號(hào)。

標(biāo)準(zhǔn)腕臂承力索座至平腕臂彎管雙耳孔處的水平距離為y1，標(biāo)準(zhǔn)腕臂平腕臂中心距定位管中心距離y2，標(biāo)準(zhǔn)腕臂承力索座至棒瓶單耳的距離y3，標(biāo)準(zhǔn)腕臂平腕臂彎管雙耳處至平腕臂棒瓶單耳的水平距離y4。

（3）確定r2、r3的長(zhǎng)度。

（4）確定∠a、∠b、∠a2、∠b2的度數(shù)，根據(jù)前述可知小圓處與大圓處的∠a、∠b是分別相等的。

∠a =∠b1?∠a1= arctan(e / y4) ? arctan(H垂/ y4)?！蟗的求法同∠a。

（5）低頭平腕臂承力索座位置至棒瓶單耳孔的長(zhǎng)度H平低的確定。

抬頭平腕臂長(zhǎng)度計(jì)算類似。

（6）低頭腕臂斜腕臂長(zhǎng)度計(jì)算。

低頭腕臂斜腕臂長(zhǎng)度：

其中，斜腕臂焊接單耳至平腕臂中心距離為100，承力索座至斜腕臂焊接單耳距離為50。

抬頭斜腕臂長(zhǎng)度計(jì)算類似。

經(jīng)計(jì)算可得，限界3 000 mm，外軌超高為60 mm，拉出值為-250 mm，標(biāo)準(zhǔn)高度安裝腕臂與抬高50 mm安裝的腕臂相比，平腕臂差6 mm，斜腕臂差10 mm。按以上分析，廠家只需供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)高度安裝的標(biāo)準(zhǔn)腕臂，到現(xiàn)場(chǎng)后，根據(jù)每個(gè)支柱腕臂計(jì)算結(jié)果，把平腕臂、斜腕臂多余的長(zhǎng)度割掉，做噴鋅防腐處理，即可實(shí)現(xiàn)在不同的安裝高度下，定位管高度符合設(shè)計(jì)要求。廠家加工，現(xiàn)場(chǎng)施工均非常方便。

4 結(jié)論

甘青客專的鋼結(jié)構(gòu)腕臂就是采用上述方法，廠家加工生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)施工安裝的。徹底解決了鋼結(jié)構(gòu)整體腕臂對(duì)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留基礎(chǔ)面至軌面精度要求高及在工期緊，工程量大的情況下，廠家成批加工供應(yīng)，滿足施工要求的難題。保證了該工程按期建成送電開通，工程質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。目前已進(jìn)入試運(yùn)行階段，弓網(wǎng)受流質(zhì)量良好。在以后同類工程的施工中，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 高速鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].

The steel structure integral cantilevers have been adopted for Gan Qing high-speed railway which are less domestically used, the mathematical model for cantilever calculation, built up in accordance with characteristics of steel structure integral cantilever and actual situations of construction site, will provide a reference for the similar construction in the future.

Steel structure; integral cantilever; application

U225.4+2

B

1007-936X(2015)02-0015-03

2014-11-19

秦宗學(xué).中鐵電氣化局集團(tuán)西安電化公司，工程師，電話：15091572662；魯海祥.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師；劉 杰.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師。