山區(qū)懸掛式單軌交通軌道梁橋設(shè)計(jì)研究

周津斌，王相賢，曹曉亮，李黎

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 研究背景

1.1 懸掛式單軌交通歷史背景及特點(diǎn)

隨著城市規(guī)模迅速擴(kuò)張，發(fā)展以軌道交通為骨干的城市公共交通系統(tǒng)已成為解決城市交通問題的國際共識(shí)[1-3]。懸掛式單軌交通系統(tǒng)作為一種輕量型的軌道交通形式，具有乘坐安全舒適、占地面積少、綠色環(huán)保、建設(shè)周期短、投資成本低、運(yùn)行噪聲小、適應(yīng)性強(qiáng)、爬坡能力和通過曲線能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在德國、日本、美國等國家均有所應(yīng)用[4]。懸掛式單軌交通作為公共交通系統(tǒng)在我國起步較晚，近年來發(fā)展很快，當(dāng)前我國已有成都新能源空軌試驗(yàn)線、河南開封自貿(mào)區(qū)空鐵示范線、青島空鐵試驗(yàn)線等項(xiàng)目建成通車[5]。

1.2 山區(qū)懸掛式單軌交通研究必要性

懸掛式單軌交通多作為中低運(yùn)量城市軌道交通來使用，用以解決城市區(qū)域內(nèi)部、交通節(jié)點(diǎn)和樞紐、功能場館等小循環(huán)系統(tǒng)的交通問題。隨著我國旅游市場的蓬勃發(fā)展，多條應(yīng)用于旅游觀光、解決風(fēng)景區(qū)內(nèi)沿線景點(diǎn)間的快速聯(lián)動(dòng)、定位于節(jié)能環(huán)保的“空中航線”兼?zhèn)溆^光功能的山區(qū)懸掛式單軌交通項(xiàng)目正在規(guī)劃及設(shè)計(jì)中。懸掛式單軌尤其適用于地形起伏較大的山區(qū)、河谷地帶[6]，但目前在山區(qū)尚無建成先例，缺乏軌道梁橋的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，眾多關(guān)鍵技術(shù)亟待解決，有必要對(duì)其在山區(qū)中的應(yīng)用進(jìn)行分析研究。

2 工程背景及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 工程概況

貴州雷山千戶苗寨景區(qū)懸掛式單軌交通項(xiàng)目線路全長7.92 km，單線，設(shè)高架車站3座。工程地處云貴高原與湘桂丘陵盆地過渡的斜坡地帶，沿線地貌山巒起伏、溝壑縱橫（見圖1）。為提供較佳的旅游觀光效果，沿既有黃烏公路的山體外側(cè)敷設(shè)線路（見圖2），橋墩、基礎(chǔ)多位于公路外側(cè)坡率在1∶0.2～1∶1的陡坡上，存在滑坡、危巖落石等不良地質(zhì)影響。項(xiàng)目不僅有新型懸掛式軌道交通的特點(diǎn)，還具備山區(qū)鐵路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)難度較大。

2.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）交通制式：懸掛式單軌交通。

（2）最大設(shè)計(jì)速度：60 km/h。

圖1 地形地貌

圖2 線路走向示意圖

（3）限制坡度：8.0%。

（4）最小平面曲線半徑：30 m。

（5）牽引種類：電池/三軌。

（6）車輛類型：3輛編組。

（7）設(shè)計(jì)荷載軸重（見圖3）：沖擊系數(shù)按1+μ=1+20/（45+L）考慮。

（8）軌道梁截面：采用開口鋼箱截面，“梁軌合一”[7]，車體懸掛于軌道梁下方，通過懸掛構(gòu)件連接轉(zhuǎn)向架和車體[8]。箱內(nèi)考慮車輛轉(zhuǎn)向架、接觸軌布置空間，箱頂考慮通信、信號(hào)的電纜槽安裝要求，確定梁內(nèi)輪廓尺寸為1 000 mm（寬）×1 250 mm（高）。典型橫截面見圖4。

圖3 3輛編組列車豎向活載圖式

（9）建筑材料：墩、梁鋼材均采用Q345qD，保護(hù)涂裝按TB/T 1527—2011《鐵路鋼橋保護(hù)涂裝及涂料供貨技術(shù)條件》[9]的規(guī)定執(zhí)行。

3 標(biāo)準(zhǔn)跨度軌道梁設(shè)計(jì)研究

3.1 簡支軌道梁橋標(biāo)準(zhǔn)跨度選取

（1）設(shè)計(jì)施工因素：軌道梁主要受構(gòu)件局部穩(wěn)定與豎向撓度控制設(shè)計(jì)，強(qiáng)度富余量較多。如縮短標(biāo)準(zhǔn)跨徑，截面高寬由于受箱內(nèi)車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)造限制，并不能優(yōu)化，卻增加了下部結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)，本項(xiàng)目所處地形、地質(zhì)條件惡劣，下部結(jié)構(gòu)綜合造價(jià)高于上部結(jié)構(gòu)，故會(huì)增加投資。如一味提高標(biāo)準(zhǔn)跨徑，橋墩個(gè)數(shù)雖減少，但將增加梁高與板厚，跨中梁高過高會(huì)影響全線結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，也會(huì)加大工程投資。

圖4 單線軌道梁橋橫截面

（2）運(yùn)輸因素：梁部多為工廠預(yù)制，汽車運(yùn)輸，現(xiàn)場吊裝。為便于軌道梁在梁廠與工地間的運(yùn)輸，同時(shí)滿足現(xiàn)場吊裝的要求，其跨度也應(yīng)進(jìn)行限定。根據(jù)成都新能源空軌試驗(yàn)線建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，受運(yùn)輸車輛長度限制，結(jié)合本項(xiàng)目沿途山區(qū)公路轉(zhuǎn)彎半徑的影響，同時(shí)考慮公路運(yùn)輸部門對(duì)超限車輛的管制要求，運(yùn)輸梁長不宜超過25 m。如采用節(jié)段運(yùn)輸現(xiàn)場拼裝，本項(xiàng)目受山區(qū)施工場地所限，操作不便。

綜上所述，結(jié)合設(shè)計(jì)、運(yùn)輸限制、景觀、施工、工程量造價(jià)等因素考慮，本工程直線簡支軌道梁標(biāo)準(zhǔn)跨度定為25 m。曲線梁依據(jù)曲線半徑和受力要求，通過分析得出跨度對(duì)于曲線半徑的適用范圍：R≥300 m，L=25 m；300 m＞R≥150 m，L≤20 m；150 m＞R≥80 m，L≤18 m；80 m＞R≥50 m，L≤16 m；50 m＞R≥30 m，L≤12 m。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)跨度簡支軌道梁分析

橋梁結(jié)構(gòu)除滿足強(qiáng)度、疲勞、變形、剛度、自振頻率等要求外，由于小半徑曲線梁薄壁開口截面抗扭剛度小，失穩(wěn)模態(tài)為彎扭失穩(wěn)，構(gòu)件整體穩(wěn)定性計(jì)算也非常重要?，F(xiàn)行《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]僅考慮在1個(gè)主平面受彎曲，設(shè)計(jì)中參照《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]的計(jì)算方法，驗(yàn)證桿件在2個(gè)主平面內(nèi)受彎的整體穩(wěn)定性。為增強(qiáng)軌道梁的剛度，軌道梁采用加勁肋結(jié)構(gòu)[12]。25 m跨軌道梁構(gòu)造見圖5。

軌道梁各部位板厚：頂板24 mm；底板32 mm；腹板24 mm；加勁肋30 mm；下加勁肋30 mm。對(duì)不同跨度軌道梁進(jìn)行分析，結(jié)果見表1?？梢姡缍?2～35 m等高度梁，靜活載下豎向撓度隨跨度增大而逐漸提高，當(dāng)跨度為35 m時(shí)，鋼梁最大應(yīng)力及疲勞強(qiáng)度滿足要求，但梁端折角與豎向撓度均超過允許值，等高梁不再適用。跨度為30 m時(shí)雖滿足要求，綜合考慮山區(qū)運(yùn)輸條件及施工特點(diǎn)，僅作為調(diào)跨梁少量采用，梁廠預(yù)制節(jié)段運(yùn)輸，現(xiàn)場拼裝后安裝到位。

4 大跨度軌道梁設(shè)計(jì)研究

跨越山區(qū)沖溝、河流及立交工點(diǎn)，當(dāng)25 m最大標(biāo)準(zhǔn)跨度無法滿足跨越要求時(shí)，則需研究30～50 m大跨度梁。以40 m和50 m兩種跨度軌道梁為例，40 m軌道梁構(gòu)造見圖6。通過建立不同尺寸模型，研究板厚、梁高與變形、強(qiáng)度的關(guān)系（見表2、表3），得出合理構(gòu)造。

圖5 25 m跨軌道梁構(gòu)造

表1 不同跨度軌道梁分析結(jié)果

由表2、表3可知，隨著板厚及跨中梁高的增加，軌道梁的整體剛度隨之提高，跨中撓度減小，模型M4-4和M5-6的豎向撓度滿足L/1 000的最大允許值。軌道梁截面應(yīng)力整體水平較小，因此增加板厚對(duì)截面最大應(yīng)力影響不大。梁部設(shè)計(jì)為剛度控制，故增加梁高改善更為明顯，但梁高過高會(huì)引起穩(wěn)定性降低，故在增加梁高的同時(shí)應(yīng)注意板厚的合理調(diào)整。由于軌道梁對(duì)豎向撓度與梁端轉(zhuǎn)角要求較高，增加頂板、底板的厚度效果更佳，為減少投資，可適當(dāng)優(yōu)化腹板厚度。

5 山區(qū)橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

5.1 墩型分類

軌道梁橋鋼立柱一般分為Y 形、倒L 形、門式墩等墩型（見圖7）。雙線段采用Y形，單線段采用倒L形，道岔區(qū)段及小角度跨立交時(shí)可采用門式墩。

鋼立柱采用工廠制造、現(xiàn)場吊裝，立柱與基礎(chǔ)采用地腳錨栓連接。墩身采用矩形空心截面，懸臂漸變，單線墩柱頭及懸臂可與墩身在工廠整體制造，運(yùn)至工地吊裝；雙線墩可采用柱頭及懸臂與墩身在工廠分開制造，運(yùn)至工地焊接或栓接為整體后吊裝就位。墩身較高時(shí)，可采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制高度鋼立柱與現(xiàn)澆混凝土立柱組合的墩型。

圖6 40 m軌道梁構(gòu)造

表2 跨度40、50 m軌道梁各部位板厚及梁高

表3 跨度40、50 m軌道梁分析結(jié)果

圖7 橋墩結(jié)構(gòu)形式

5.2 山區(qū)橋墩設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目高墩采用鋼立柱與混凝土立柱的組合墩型，矮墩采用鋼立柱。線路距既有黃烏公路較近，橋墩多在路邊或陡坡上，墩全高在8～22 m。距路面較近的橋墩，組合墩型不僅可提高橋墩剛度，下層混凝土立柱還能兼顧防撞墩功能。以標(biāo)準(zhǔn)跨25 m軌道梁為例，采用高度為8、10、12 m的工廠預(yù)制鋼立柱，對(duì)不同墩高、截面尺寸及板厚的橋墩（見表4）進(jìn)行建模分析（見圖8、表5），以期確定合理的橋墩構(gòu)造及鋼立柱預(yù)制規(guī)格。

圖8 軌道梁橋有限元模型

表4 不同墩高截面尺寸 m

表5 不同墩高計(jì)算結(jié)果

由表5可知：（1）對(duì)于墩全高8 m的鋼立柱橋墩（模型M8-1），橋墩變形滿足要求；墩全高13 m的鋼立柱橋墩（模型M13-1），縱向位移不滿足要求，需采用組合墩型，以提高整體剛度。（2）對(duì)于8 m高標(biāo)準(zhǔn)鋼立柱與5～14 m高混凝土立柱組合形式（模型M8-1—M8-4），均滿足墩頂變形要求。（3）對(duì)于10 m高標(biāo)準(zhǔn)鋼立柱與5～10 m高混凝土立柱組合形式（M10-1、M10-2），墩頂縱向位移超限，通過調(diào)整鋼立柱截面尺寸（M10-3）或墩身坡率（M10-4）后可滿足要求，調(diào)整鋼立柱墩身坡率方法效果更佳。（4）對(duì)于12 m高標(biāo)準(zhǔn)鋼立柱與5～10 m高混凝土立柱組合形式，墩全高17 m（模型M12-1）的墩頂縱向位移超限，增大直坡鋼立柱截面尺寸（模型M12-2）后依然超限，通過調(diào)整鋼立柱墩身坡率（模型M12-3），可滿足要求；對(duì)于墩全高22 m，通過調(diào)整鋼立柱墩身坡率（模型M12-4）的方式，墩頂變形可滿足要求。

綜上所述，對(duì)于鋼立柱與混凝土立柱組合型橋墩，同一高度橋墩的混凝土立柱越高、鋼立柱越低，則橋墩總剛度越大；在混凝土立柱高度不變的前提下，對(duì)于提高橋墩總剛度，采用鋼立柱放坡的方式優(yōu)于加大直坡鋼立柱截面尺寸的方式。結(jié)合本項(xiàng)目施工、運(yùn)輸條件，工廠預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)化鋼立柱的高度確定為8 m。對(duì)于墩全高8 m以內(nèi)的橋墩，采用直坡鋼立柱；墩全高在8～20 m的橋墩，采用直坡鋼立柱與混凝土立柱的組合墩型；對(duì)于墩全高大于20 m的橋墩，采用放坡鋼立柱與混凝土立柱的組合墩型。

6 山區(qū)軌道梁橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

結(jié)合山區(qū)地形及地質(zhì)條件，軌道梁橋基礎(chǔ)多采用2種方式。道路一側(cè)為邊坡較緩或穩(wěn)定地勢(shì)時(shí)，采用橋墩基礎(chǔ)重心與橋墩重心在同一條垂線上的基礎(chǔ)形式（見圖9（a））。當(dāng)?shù)缆芬粋?cè)位于地形、地質(zhì)條件較差，邊坡棄土層厚、陡坡、與公路擋墻干擾等情況時(shí)，基礎(chǔ)可埋至路面以下并設(shè)置懸挑，在懸挑上設(shè)橋墩立柱（見圖9（b））。

需要指出的是，軌道梁橋雖自質(zhì)量偏小，但由于墩柱重心與基礎(chǔ)承臺(tái)重心存在較大偏心，且位于陡坡，存在向外的土壓力，會(huì)產(chǎn)生較大的基礎(chǔ)偏心彎矩，故內(nèi)側(cè)樁避免出現(xiàn)拉應(yīng)力及樁側(cè)土最大設(shè)計(jì)壓應(yīng)力為影響設(shè)計(jì)的最主要因素。為減小基坑開挖對(duì)陡坡土體的擾動(dòng)，樁基可采用高樁基承臺(tái)。當(dāng)基礎(chǔ)單側(cè)存在滑坡推力時(shí)，需仔細(xì)驗(yàn)算，樁基無法抵抗滑坡推力時(shí)需設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)，以穩(wěn)定邊坡。

圖9 山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)置形式

7 結(jié)論與展望

懸掛式單軌交通主要應(yīng)用在小運(yùn)量城市節(jié)點(diǎn)之間或地勢(shì)平坦的旅游景區(qū)內(nèi)，我國對(duì)軌道梁應(yīng)用于復(fù)雜山區(qū)的情況研究較少，且國家目前也暫未頒布相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。以雷山千戶苗寨景區(qū)懸掛式單軌交通工程為例，重點(diǎn)研究山區(qū)軌道梁的跨度選擇、橋墩結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式等。通過分析確保軌道梁橋在復(fù)雜山區(qū)地形下安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工簡便。

懸掛式單軌交通作為一種新型交通方式在我國發(fā)展方興未艾，施工及運(yùn)營過程中在滿足結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，還應(yīng)重視列車行駛過程中的平順性及乘客舒適性。對(duì)于車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)，我國規(guī)范現(xiàn)為鋼輪鋼軌車橋標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于懸掛式單軌車輛輪軌耦合關(guān)系及標(biāo)準(zhǔn)，如乘坐舒適度評(píng)定指標(biāo)、車體加速度及橋梁加速度評(píng)定指標(biāo)未有明確要求，因此如何解決上述問題是一個(gè)重要而亟待解決的研究方向。在下階段研究中，擬在開通的試驗(yàn)線進(jìn)行一系列車橋耦合系統(tǒng)運(yùn)行情況的現(xiàn)場實(shí)測(cè)與試驗(yàn)，并結(jié)合車橋耦合振動(dòng)分析與仿真程序計(jì)算，所得研究結(jié)果可為制定適用于懸掛式單軌交通的車橋耦合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)提供借鑒。