單軌交通系統(tǒng)鋼梁荷載分析

張建軍 高定軍 張 盟 王翊毅 蘇 關(guān) 馬素鵬

(1.中國兵器工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100053； 2.中國五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100053； 3.北京興國環(huán)球認(rèn)證有限公司，北京 100068)

單軌交通系統(tǒng)鋼梁荷載分析

張建軍1高定軍1張 盟2王翊毅1蘇 關(guān)1馬素鵬3

(1.中國兵器工業(yè)規(guī)劃研究院，北京 100053； 2.中國五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100053； 3.北京興國環(huán)球認(rèn)證有限公司，北京 100068)

經(jīng)查閱大量有關(guān)單軌交通系統(tǒng)軌道梁相關(guān)資料，結(jié)合我國的軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀及使用情況，對跨座式單軌交通系統(tǒng)中鋼軌道梁進(jìn)行受力分析，其復(fù)雜受力情況與現(xiàn)有規(guī)范不相符，主要進(jìn)行五個(gè)方面的荷載受力進(jìn)行分析。

跨座式單軌交通系統(tǒng)，鋼軌道梁，荷載分析

1 概述

我國第一條跨座式軌道交通系統(tǒng)重慶市單軌交通系統(tǒng)較新線上部分軌道梁為鋼軌道梁。該工程有兩跨計(jì)算跨度為39.2 m的直線型鋼軌道梁[1,4,5]。在設(shè)計(jì)時(shí)鋼軌道梁的受力荷載種類、分布情況及荷載大小與我國現(xiàn)有規(guī)范不完全一致，因此本文對軌道梁的荷載情況進(jìn)行了研究。鋼軌道梁的的受力荷載種類較多，一般分為主要荷載和附加荷載。結(jié)合鋼軌道梁的實(shí)際情況，對鋼軌道梁上的荷載主要考慮五種情況進(jìn)行分析。

2 軌道梁荷載類型及設(shè)計(jì)要求

荷載類型及設(shè)計(jì)方法有如下幾個(gè)方面。

2.1橋梁結(jié)構(gòu)自重(主梁自重+二期附加荷載)

橋梁結(jié)構(gòu)靜荷載分為主梁自重荷載和二期附加荷載。材料的種類及重量如表1所示。參照國外設(shè)計(jì)規(guī)范及日本多摩線跨座式單軌交通系統(tǒng)，主要包括：線路設(shè)備(含鋼軌、扣件、承軌臺(tái))按15 kN/(線·m)計(jì)算，橋面兩側(cè)電纜、防噪屏及支架等按5 kN/(側(cè)·m)計(jì)算，橋面排水坡按10 kN/m計(jì)算[2]。

表1 材料的單位重量

2.2活荷載

單軌交通系統(tǒng)中的鋼軌道梁的活荷載依據(jù)不同的車輛選型取不同的荷載值，同時(shí)應(yīng)考慮站臺(tái)位置的分布荷載。以B型車輛舉例，假設(shè)本交通系統(tǒng)的最高運(yùn)行速度80 km/h，軸重暫按140 kN采用。車輛荷載圖式如圖1所示。設(shè)計(jì)時(shí)車輛荷載應(yīng)該按照無限長的連行荷載進(jìn)行計(jì)算。

其載荷的計(jì)算方法如下[2,3]:

設(shè)計(jì)車輛的荷載為編成隊(duì)的并行荷載，主橫梁計(jì)算時(shí)在材料產(chǎn)生最不利的應(yīng)力處加載。橋面板計(jì)算時(shí)是采用有限元循環(huán)加載的方法。B型車輛活荷載規(guī)定采用滿員時(shí)的荷載取p=140 kN?？紤]疲勞影響時(shí)，活荷載為p=120 kN。車站處要進(jìn)行單線荷載或復(fù)線荷載狀態(tài)的檢算。復(fù)線的情況包括單線停止?fàn)顟B(tài)、其他線行車狀態(tài)兩種的情況?？紤]地震影響時(shí)，活荷載為平均荷載(p=120 kN)。對于復(fù)線結(jié)構(gòu)以單線結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮。車站檢算單線荷載和復(fù)線荷載時(shí)，不計(jì)算設(shè)計(jì)車輛的沖擊作用。

站臺(tái)位置的分布荷載[2]。

在進(jìn)行軌道梁的計(jì)算時(shí)不考慮分布荷載，主要用于橋面板計(jì)算。本文簡單介紹分布荷載，其特點(diǎn)是簡化為等分布載荷，其取值如下：

在停車場平臺(tái)的分布荷載：

1)設(shè)計(jì)平臺(tái)的地板、地板組的情況是300 kgf/m2(3.0 kN/m2)。

2)主梁和下部構(gòu)造設(shè)計(jì)的情況是200 kgf/m2(2.0 kN/m2)，不過在和地震組合的情況是100 kgf/m2(1.0 kN/m2)。

在停車場的臺(tái)階、中央大廳、聯(lián)絡(luò)通道處作用如下分布荷載。不過，必須是依據(jù)立體橫斷設(shè)施技術(shù)基準(zhǔn)進(jìn)行這些設(shè)計(jì)：

1)地板、地板組設(shè)計(jì)的情況是500 kgf/m2(5.0 kN/m2)。

2)主梁和下部構(gòu)造設(shè)計(jì)的情況是350 kgf/m2(3.5 kN/m2)。不過，在地震影響和組合考慮的情況為150 kgf/m2(1.5 kN/m2)。

2.3沖擊荷載

活荷載產(chǎn)生沖擊。其中分布荷載不考慮沖擊。參考多摩市南北線實(shí)測數(shù)據(jù)。對B型車輛沖擊系數(shù)依據(jù)材料及跨度計(jì)算。計(jì)算公式如下：

鋼

(1)

i=

(2)

其中,L為跨距，m。具體要求見表2。

表2 跨距

2.4車輛橫向荷載

跨座式單軌交通系統(tǒng)與普通鐵路不同，因?yàn)闆]有軌距加寬，僅在轉(zhuǎn)彎半徑處有超高，軌道車行走面非常光滑，水平輪為橡膠輪胎，沖擊力較小。參考多摩市南北線實(shí)測數(shù)據(jù)，取設(shè)計(jì)鋼軌道梁時(shí)車輛橫向荷載大小取單軸重的25%[2,6]。此荷載為作用在鋼軌道梁上的移動(dòng)的荷載，產(chǎn)生的力矩為：

Mtlf=0.25·Pl·yt

(3)

其中，Pl為軸重，暫按140 kN計(jì)算;yt為軌道梁頂?shù)叫涡牡木嚯x,m。

2.5離心荷載

離心荷載主要作用在曲線鋼梁上，在較新線上不涉及。但是曲線鋼軌道梁更常見，故本文參考多摩市南北線的設(shè)計(jì)綱要領(lǐng)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，假定離心荷載作用距離行走面1.30 m的位置處，計(jì)算時(shí)與沖擊作用荷載不同時(shí)組合。作用于車輛的重心高度處，并水平地作用于垂直軌道的方向。

為了平衡此離心力，使車輛安全、穩(wěn)定的行走，需設(shè)計(jì)黃曲線，并在曲線軌道上設(shè)置超高，設(shè)計(jì)的曲線的超高是按照設(shè)計(jì)所定的平均速度設(shè)置。因?yàn)橛星烦呋蜻^超高現(xiàn)象，由此產(chǎn)生離心力。此離心力大部分力通過設(shè)計(jì)鋼軌道梁設(shè)置超高的緩和曲線來平衡[2]。其計(jì)算方法為依據(jù)設(shè)計(jì)超高計(jì)算本曲線的曲線半徑。并通過曲線半徑求出緩和曲線的長度。單軌交通系統(tǒng)的曲線半徑以100 m以上為原則。如果因?yàn)榈匦蔚臓顩r等因素，在沒有障礙的情況時(shí)，可以縮小到50 m。在站臺(tái)部位的曲線半徑必須在300 m以上。在特殊的情況時(shí)，能縮小到250 m。所計(jì)算的曲線為需要是回旋曲線。此曲線的長度必須在下式求出的數(shù)值以上。

(4)

其中，L為緩和曲線長，m；V為曲線的通過的設(shè)計(jì)速度，km/h;R為曲線半徑，m。

另外，在傾斜的軌道梁上作用車輛荷載的情況，考慮車輛停在停車平臺(tái)時(shí)有如圖2所示的相對于曲線內(nèi)側(cè)的扭轉(zhuǎn)力矩。

(5)

HVL=HL×cosθ

(6)

LL=HL×sinθ

(7)

這個(gè)荷載是車輛平臺(tái)時(shí)發(fā)生的，不能和車輛行走時(shí)的沖擊荷載及離心荷載的同時(shí)組合。但是要考慮到單軌交通系統(tǒng)上軌道梁為復(fù)線形式時(shí)，此時(shí)有一個(gè)單線停止，另一個(gè)單線在行走的情況。還有在風(fēng)、地震時(shí)產(chǎn)生的橫向荷載作用情況。在計(jì)算時(shí)需要考慮對上述荷載做適當(dāng)?shù)慕M合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

1)鋼軌道梁的受力荷載類型與荷載大小和車輛類型、車輛布置等情況有關(guān)，與現(xiàn)有規(guī)范不完全一致，需深入研究。2)本文是參考國內(nèi)外已有軌道交通系統(tǒng)中鋼軌道梁的計(jì)算方法，對主要的計(jì)算荷載計(jì)算方法的總結(jié)。3)鋼軌道梁橋的荷載計(jì)算時(shí)，需按照實(shí)際情況參考已有結(jié)論綜合分析。

[1] 張建軍.鋼軌道梁中的平聯(lián)設(shè)計(jì)分析[J].鐵道建筑，2005(12)：128-130.

[2] 東京都北多摩北部建設(shè)事務(wù)所.多摩都市モノレ—ル多摩南北線詳細(xì)設(shè)計(jì)(その3)橋單純鋼軌道桁設(shè)計(jì)ㄆ算書[M](その1).1990：29-30.

[3] 賀拴海.橋梁結(jié)構(gòu)理論與計(jì)算方法[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4] 張建軍.鋼軌道梁的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2011，37(30)：39-41.

[5] 張建軍.鋼軌道梁橋橋面板設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑，2012(5)：166-167.

[6] 郭 峰.跨座式單軌交通應(yīng)急軌道梁選型及受力性能研究[D].北京:北京交通大學(xué),2014.

Theloadanalysisfortrackbeamofmonorailtrafficsystem’ssteelrailbeam

ZhangJianjun1GaoDingjun1ZhangMeng2WangYiyi1SuGuan1MaSupeng3

(1.ChinaWeponsIndustryPlanningandResearchInstitute,Beijing100053,China; 2.ChinaWuzhouEngineeringDesignGroupCo.,Ltd,Beijing100053,China； 3.BeijingXingguoGlobalCertificationCo.,Ltd,Beijing100068,China)

In this paper, a large number of related information on track beam of monorail traffic system’s steel rail beam are reviewed. In combination with the development status and usage of rail transit in our country, the stress analysis of steel rail beam in cross-seat single rail transit system is carried out. Its complex forces are not consistent with existing norms, in this paper, the load force of five aspects is analyzed.

a cross-seat monorail system, steel rail beam, load analysis

1009-6825(2017)28-0133-02

2017-07-25

張建軍(1978- )，男，高級(jí)工程師

U232

A