跨座式軌道梁支座設(shè)計(jì)研究

楊衛(wèi)鋒，彭華春，韓家山，劉陽(yáng)明，曹翁愷

(1.洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

跨座式單軌交通是列車(chē)跨騎在軌道梁上運(yùn)行并通過(guò)單根軌道梁來(lái)支承、穩(wěn)定和導(dǎo)向列車(chē)運(yùn)行的軌道交通，具有噪聲低、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、快速便捷、占地少、造價(jià)低、不受地形限制、利于環(huán)境保護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]，是未來(lái)城市軌道交通發(fā)展的新趨勢(shì)?？缱絾诬壗煌ㄗ鳛橐环N獨(dú)特的中運(yùn)量城市軌道交通系統(tǒng)，可有效解決二、三線城市以及山城、坡度較大的城市交通堵塞問(wèn)題。

跨座式單軌交通軌道梁在起到跨越障礙作用的同時(shí)，還作為列車(chē)行駛的軌道[3-4]。跨座式軌道梁支座是保證軌道梁正常發(fā)揮其功能的關(guān)鍵。為滿足列車(chē)運(yùn)行的安全可靠、平穩(wěn)及低噪聲的要求，跨座式軌道梁支座應(yīng)不僅要有足夠的強(qiáng)度，還應(yīng)抗疲勞，耐磨損，能承受各種交變載荷和環(huán)境溫度變化，此外還應(yīng)滿足耐久性要求[5]，且具有調(diào)整線路線形的功能。

本文提出了一種新型跨座式軌道梁支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并建立三維有限元模型研究支座的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，通過(guò)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

1 支座的功能要求

跨座式軌道梁支座除應(yīng)能夠承受豎向荷載、水平荷載及適應(yīng)梁端變形(位移、轉(zhuǎn)動(dòng))外，還應(yīng)具有抵抗橫向扭轉(zhuǎn)荷載、水平扭轉(zhuǎn)荷載的能力。同時(shí)，支座還應(yīng)具備調(diào)整梁體軌道線形的功能。因此，軌道梁支座除需具備常規(guī)支座的功能外，還應(yīng)具備的功能有：①抗拉；②豎向高度調(diào)節(jié)；③水平位置調(diào)節(jié)；④線路橫向坡度調(diào)節(jié)。

2 支座的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 支座的結(jié)構(gòu)

新型跨座式軌道梁支座按適用梁型可分為直線梁支座和曲線梁支座，按使用功能可分為單向活動(dòng)支座和固定支座。支座結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 跨座式軌道梁支座結(jié)構(gòu)示意

2.2 支座的工作原理

跨座式軌道梁支座的工作原理如下：

1)水平滑移。支座上座板上焊接的不銹鋼滑板與中座板上鑲嵌的非金屬滑板構(gòu)成平面摩擦副，實(shí)現(xiàn)低摩擦因數(shù)的水平滑移要求。

2)支座縱橋向轉(zhuǎn)動(dòng)。支座中座板下凸圓柱面與下座板下凹圓柱面上鑲嵌的非金屬滑板形成柱面摩擦副，實(shí)現(xiàn)低摩擦因數(shù)的縱橋向轉(zhuǎn)動(dòng)要求。

3)承受豎向拉力。在支座上座板設(shè)有抗拉板并與轉(zhuǎn)動(dòng)滑塊、下座板凸耳、下座板高度調(diào)節(jié)螺紋、調(diào)高螺柱、底板高度調(diào)節(jié)螺紋及抗拉錨栓組件共同組成支座的抗拉拔結(jié)構(gòu)，調(diào)高螺柱將下座板與底板連接為一個(gè)整體，在保證正常運(yùn)動(dòng)功能的同時(shí)，能夠承受豎向拉力。

4)豎向高度調(diào)節(jié)。支座調(diào)高結(jié)構(gòu)采用梯形螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)支座的無(wú)級(jí)調(diào)高功能。支座調(diào)高螺柱兩端的梯形螺紋為正反梯形螺紋，并在中間部位設(shè)有對(duì)稱分布的旋動(dòng)扳手孔。需要進(jìn)行高度調(diào)節(jié)時(shí)，旋出調(diào)高螺柱鎖定螺釘，將調(diào)高扳手插入調(diào)高螺柱上的扳手插孔，旋轉(zhuǎn)調(diào)高螺柱，使支座升高(或降低)至要求高度。

5)水平位置調(diào)節(jié)。通過(guò)添加或去除設(shè)置在支座底板與座板之間的調(diào)位墊片來(lái)實(shí)現(xiàn)水平位置調(diào)節(jié)。需要調(diào)節(jié)支座橫橋向的水平位置時(shí)，松開(kāi)座板上的頂推螺栓，通過(guò)千斤頂推動(dòng)梁體和支座相對(duì)于底座板運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變支座水平位置。

6)橫向坡度調(diào)節(jié)。在支座的底板與調(diào)坡底板之間設(shè)置大半徑弧面摩擦副，通過(guò)旋轉(zhuǎn)支座上部結(jié)構(gòu)在弧面上的相對(duì)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)支座的橫向坡度調(diào)節(jié)功能。當(dāng)需要進(jìn)行橫向坡度調(diào)節(jié)時(shí)，松開(kāi)坡度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的鎖緊螺栓并移除鎖定結(jié)構(gòu)上的墊片組合，推動(dòng)上部結(jié)構(gòu)至調(diào)坡弧面上需要的位置。

2.3 支座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新型跨座式軌道梁支座與現(xiàn)有PC軌道梁鋼支座相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在：①支座主要傳力部位均為面接觸(如采用平面摩擦副及柱面摩擦副代替了鉸軸及凸輪部位的線接觸)，有利于支座結(jié)構(gòu)的整體受力均勻性。②支座與上部梁體及下部墩臺(tái)均采用了可拆卸的錨固結(jié)構(gòu)，當(dāng)支座受到損壞時(shí)便于更換，安裝時(shí)對(duì)工藝及技能要求大大降低。③采用螺旋式調(diào)高結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)支座高度的無(wú)級(jí)連續(xù)雙向調(diào)節(jié)。④采用高性能非金屬材料面接觸摩擦副，降低了滑動(dòng)時(shí)的摩擦因數(shù)，改善了支座減震減沖擊效果。

新型跨座式軌道梁支座具有傳力途徑明確、結(jié)構(gòu)合理、受力均勻及便于更換等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足跨座式單軌交通橋梁的使用要求。

3 支座的有限元分析

3.1 有限元模型及加載情況

以3×25 m梁邊墩支座尺寸為例建立支座模型。模型通過(guò)上地腳螺栓與梁體相連，通過(guò)下地腳螺栓與墩臺(tái)相連。

模型中梁體、上座板、非金屬滑板、調(diào)高螺柱、座板、抗拉錨栓及墩頂墊石均采用六面體單元模擬，其余部件采用四面體單元模擬。在保證計(jì)算精度的同時(shí)，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行了局部控制，對(duì)于非重要構(gòu)件網(wǎng)格控制尺寸為30 mm，重要構(gòu)件網(wǎng)格控制尺寸為15 mm，模型共有 326 478 個(gè)節(jié)點(diǎn)，112 985 個(gè)單元。

梁底與上座板、墊石與座板、底板與座板采用摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.2。非金屬滑板與不銹鋼滑板間采用摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.03。其余接觸面均采用綁定接觸。

根據(jù)支座的實(shí)際工況，支座的加載情況如圖2所示，對(duì)墊石底部進(jìn)行固定約束，并對(duì)梁體同時(shí)加載豎向荷載 1 250 kN、橫向荷載125 kN以及頂部橫向扭轉(zhuǎn)荷載300 kN·m和水平扭轉(zhuǎn)荷載100 kN·m。

圖2 軌道梁支座加載情況

3.2 結(jié)構(gòu)的有限元分析

支座整體及主要部件的應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 支座整體及主要部件的應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖3可知：①由于橫向扭矩及水平扭矩的存在，支座左側(cè)部位承受壓載及扭轉(zhuǎn)較大，整體支座除下座板邊緣有局部應(yīng)力集中外，其余部位受力均較小。②由于受到橫向扭矩的影響，上座板承壓一側(cè)導(dǎo)向板根部及下座板頂端兩側(cè)邊緣尖角處存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，上座板與下座板其余部位應(yīng)力分布較為均勻，應(yīng)力水平較低。③調(diào)高螺柱最大應(yīng)力發(fā)生在螺柱與下座板連接部位的根部，最大應(yīng)力為139.73 MPa，小于材料的設(shè)計(jì)容許應(yīng)力。

根據(jù)以上有限元分析結(jié)果表明，支座主要部件除局部應(yīng)力集中處外，支座的整體應(yīng)力水平較小，支座受力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 結(jié)構(gòu)剛度分析

支座整體及主要部件位移云圖如圖4所示。

圖4 支座整體及主要部件位移云圖(單位：mm)

由圖4可知：①由于橫向扭矩及水平扭矩的存在，支座左側(cè)部位承受的壓載及扭轉(zhuǎn)較大，最大位移發(fā)生在上座板縱橋向側(cè)邊，大小為1.02 mm，其余位置變形較小。②下座板最大位移為0.60 mm，發(fā)生在下座板頂端兩側(cè)邊緣處，位移由大到小從兩側(cè)上部依次向下部傳遞，位移變化較均勻。③調(diào)高螺柱最大位移發(fā)生在受拉側(cè)螺桿頂端邊緣處，大小為0.29 mm，位移由大到小從左上角依次向右下角傳遞，位移變化較均勻。根據(jù)以上有限元分析結(jié)果表明，支座主要部件整體變形均較小，支座的整體剛度較好。

4 支座的疲勞試驗(yàn)強(qiáng)度分析

4.1 支座的疲勞狀態(tài)

跨座式軌道梁支座是跨座式單軌交通橋梁軌道梁與墩臺(tái)相聯(lián)的支撐體，需承受列車(chē)高速行駛所產(chǎn)生的交替變化的多種組合荷載，包括豎向荷載、水平荷載、橫向扭轉(zhuǎn)荷載、水平扭轉(zhuǎn)荷載、沖擊荷載等。在支座設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，不斷變化的荷載會(huì)在支座及相關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，當(dāng)疲勞應(yīng)力幅達(dá)到一定程度后將逐步對(duì)支座帶來(lái)?yè)p傷[7-8]。支座的疲勞性能是橋梁結(jié)構(gòu)整體安全性的關(guān)鍵，對(duì)保證跨座式單軌交通橋梁結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)、提高結(jié)構(gòu)的耐久性、延長(zhǎng)使用期限具有十分重要的作用。因此，有必要對(duì)跨座式軌道梁支座進(jìn)行足尺模型的疲勞性能試驗(yàn)研究。

4.2 等效應(yīng)力幅的確定

支座疲勞荷載的確定需根據(jù)列車(chē)運(yùn)行的疲勞荷載譜，并考慮列車(chē)初期、近期和遠(yuǎn)期車(chē)輛編組計(jì)劃，計(jì)算出在橋梁設(shè)計(jì)壽命期間實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)疲勞荷載的作用次數(shù)。再根據(jù)疲勞線性損傷累積理論將變幅、高循環(huán)的荷載幅轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)條件允許的常幅疲勞試驗(yàn)次數(shù)的等效載荷幅[5，8]。

以柳州軌道交通1號(hào)線列車(chē)運(yùn)行規(guī)劃為例進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的等效常幅荷載及等效常幅荷載作用次數(shù)的計(jì)算分析。列車(chē)編組及荷載作用次數(shù)見(jiàn)表1。

表1 列車(chē)編組及荷載作用次數(shù)

從表1可以看出列車(chē)全壽命的疲勞次數(shù)為905.8萬(wàn)次。按照目前的試驗(yàn)設(shè)備、技術(shù)水平和試驗(yàn)研究周期的要求，進(jìn)行如此高次數(shù)的疲勞試驗(yàn)難度很大。因此，根據(jù)疲勞損傷理論，通過(guò)提高荷載幅值，縮減疲勞次數(shù)來(lái)模擬真實(shí)工況下疲勞累計(jì)損傷的效果。參考以往類(lèi)似疲勞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，將試驗(yàn)次數(shù)縮減到300萬(wàn)次。為了將疲勞試驗(yàn)樣件的疲勞累計(jì)損傷做到與經(jīng)歷905.8萬(wàn)次的疲勞累計(jì)損傷效果一致，需提高試驗(yàn)時(shí)的荷載幅值。

由于跨座式單軌交通軌道梁橫截面較小，動(dòng)靜荷載比較大，可近似為1∶1。根據(jù)疲勞試驗(yàn)荷載幅值的換算規(guī)則，計(jì)算出疲勞試驗(yàn)荷載幅值，見(jiàn)表2。

表2 疲勞試驗(yàn)荷載幅值

根據(jù) Miner 累積損傷法則，將上述荷載轉(zhuǎn)化為等效常幅荷載，近而確定支座疲勞荷載幅值為820 kN。

4.3 疲勞試驗(yàn)加載方式

以3×25 m梁邊墩支座為試驗(yàn)樣品，疲勞試驗(yàn)?zāi)M支座的實(shí)際荷載狀況(參見(jiàn)圖2)。由于跨座式軌道梁支座疲勞試驗(yàn)?zāi)壳皼](méi)有標(biāo)準(zhǔn)的加載試驗(yàn)機(jī)，需根據(jù)模擬試驗(yàn)參數(shù)的要求搭建疲勞試驗(yàn)裝置，如圖5所示。試驗(yàn)過(guò)程中停機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn)并采集關(guān)鍵應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力值，試驗(yàn)采用分10級(jí)逐級(jí)加載及卸載的方式進(jìn)行，每次靜載試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)流程如圖6所示[9]。

圖5 疲勞試驗(yàn)裝置

圖6 試驗(yàn)流程

4.4 試驗(yàn)結(jié)果分析及可靠性評(píng)價(jià)

為分析各次靜載試驗(yàn)支座模型Von-Mises應(yīng)力隨加卸載級(jí)數(shù)的變化，選取幾處最不利特征點(diǎn)進(jìn)行研究。樣品測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)部位見(jiàn)表4。

表4 樣品測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)部位

圖7 各測(cè)點(diǎn)Von-Mises應(yīng)力曲線

圖7給出了各測(cè)點(diǎn)Von-Mises應(yīng)力在每次靜載試驗(yàn)時(shí)隨加卸載級(jí)數(shù)的變化曲線，可以看出:各次靜載試驗(yàn)的Von-Mises應(yīng)力數(shù)值差別不大，應(yīng)力基本隨加卸載級(jí)數(shù)呈線性變化；測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)4是支座Von-Mises應(yīng)力峰值最大的測(cè)點(diǎn)。在載荷最大的情況下，Von-Mises應(yīng)力最高分別達(dá)到了173.1，170.4，173.7 MPa。每一次重新啟動(dòng)疲勞試驗(yàn)時(shí)，支座Von-Mises應(yīng)力基本從0開(kāi)始，載荷步與應(yīng)力變化趨勢(shì)始終為線性，且3次疲勞階段的載荷-應(yīng)力曲線基本重合，表明支座在整個(gè)加載過(guò)程始終處于彈性變形階段。支座在經(jīng)歷300萬(wàn)次疲勞載荷的作用下依舊可以繼續(xù)工作，滿足設(shè)計(jì)壽命要求。

5 結(jié)論

1)針對(duì)跨座式軌道梁支座的功能需求，提出的支座結(jié)構(gòu)方案合理，原理清晰，實(shí)現(xiàn)了跨座式軌道梁支座的低摩擦滑移、無(wú)級(jí)調(diào)高、橫向位置平移、橫向坡度調(diào)節(jié)及可更換功能。

2)通過(guò)有限元仿真模擬分析了跨座式軌道梁支座各部件的受力和變形，有限元分析結(jié)果表明支座各部件強(qiáng)度和剛度滿足使用要求。

3)通過(guò)等效荷載幅下的300萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證了支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，加載過(guò)程支座各部件始終處于彈性變形階段，支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

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