預(yù)變形量在懸掛式空列立柱工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

康亞強(qiáng) 郭彥云 李永文 李琪英

摘 要：懸掛式空列立柱在線路使用中會(huì)產(chǎn)生整體側(cè)向變形以及懸臂端豎直向下的變形，在設(shè)計(jì)中通過選取適當(dāng)?shù)目刂泣c(diǎn)，就可簡(jiǎn)單有效的根據(jù)預(yù)變形量提前為每根立柱設(shè)計(jì)添加反變形，使立柱在線路使用中的反變形與預(yù)變形量接近相等達(dá)到相互抵消的目的，以滿足線路設(shè)計(jì)與運(yùn)營的要求。

關(guān)鍵詞：預(yù)變形量;立柱;懸掛式空列;反變形

引言：

隨著城市軌道交通在我國的迅速發(fā)展與推廣，各種形式的軌道交通迎來了快速發(fā)展的新時(shí)期?？缱絾诬壗煌?、磁懸浮軌道交通、城市地鐵、城市有軌電車，以及懸掛式空列軌道交通等，均在不同范圍內(nèi)獲得了廣闊的發(fā)展空間。懸掛式空列軌道交通相比于其它幾種類型的城市軌道交通發(fā)展應(yīng)用較晚，但其憑借著獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式與更加寬廣的視覺享受體驗(yàn)，受到了各大旅游城市與大型景區(qū)的青睞。

懸掛式空列軌道交通線路一般采用鋼梁與鋼立柱結(jié)構(gòu)形式，立柱按照線路使用特點(diǎn)可分為“倒L”型和“Y”型兩種形式。懸掛式空列在線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，立柱會(huì)產(chǎn)生整體側(cè)向變形以及懸臂端豎直向下變形，如果不對(duì)立柱的變形進(jìn)行控制與抵消，就會(huì)使與之相連接的軌道梁在每個(gè)立柱連接點(diǎn)處產(chǎn)生各不相同的側(cè)向位移和豎向位移，導(dǎo)致軌道實(shí)際線路線型和線路的高低起伏，與設(shè)計(jì)的線型與起伏變化產(chǎn)生誤差導(dǎo)致線路變形，給線路運(yùn)營與車輛行走造成影響。因此對(duì)懸掛式空列立柱的預(yù)變形量進(jìn)行研究，對(duì)其進(jìn)行控制并抵消，使實(shí)際線路按照設(shè)計(jì)起伏變化具有重要的意義。

1懸掛式空列立柱及其預(yù)變形量

如圖1所示某線路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖為例，線路由A點(diǎn)起始，經(jīng)B-C1段進(jìn)入左側(cè)線路可到達(dá)終點(diǎn)M點(diǎn)，經(jīng)B-C2段進(jìn)入右側(cè)線路可到達(dá)另一端終點(diǎn)N點(diǎn)，其中B-C段為道岔區(qū)域，實(shí)現(xiàn)線路轉(zhuǎn)轍換線。

圖1中A-B段、C1-D1段、E1-N段，以及C2-D2段和E2-N段，線路僅有一條或間距不斷變化的兩條，若用圖2右圖所示的“Y”型立柱同時(shí)將兩側(cè)軌道吊起既不方便設(shè)計(jì)也由于懸臂過大而不經(jīng)濟(jì)，因此線路采用了圖2左圖中所示的“倒L”型結(jié)構(gòu)的立柱形式;D1-E1段與D2-E2段線路間距與線形趨勢(shì)相同，一般采用圖2右圖所示的“Y”型立柱同時(shí)將兩側(cè)軌道吊起的方式。

圖1 線路簡(jiǎn)圖 圖2 倒“L”型立柱與“Y”型立柱

1.1 倒“L”型立柱的受力與變形分析

由于倒“L”型懸掛式空列立柱的使用時(shí)均是受到一側(cè)懸臂端向下拉力的作用，立柱柱身部分會(huì)產(chǎn)生y向傾斜變形△y，懸臂端會(huì)產(chǎn)生下拉變形△z，本文將正常狀態(tài)下立柱的y向傾斜變形量△y與z向下拉變形量△z統(tǒng)稱為立柱的預(yù)變形量。預(yù)變形量△y與△z的大小與立柱各個(gè)截面的慣量I、立柱高度h、立柱材料的特性E、引起立柱產(chǎn)生變形的主要載荷F相關(guān);其中引起立柱產(chǎn)生y向傾斜變形△y與下拉變形△z的主要載荷有立柱自重G1、軌道梁自重G2、正常載客狀態(tài)下的車輛載荷G3，因此引起立柱產(chǎn)生變形的主要載荷F=（G1+G2+G3）×g。

1.2 “Y”型立柱的受力與變形分析

與倒“L”型懸掛式空列立柱相同，“Y”型立柱使用中懸臂端受到向下拉力的作用，立柱柱身部分會(huì)產(chǎn)生y向傾斜變形△y，懸臂端會(huì)產(chǎn)生下拉變形△z。不同的是，“Y”型立柱由于自身結(jié)構(gòu)對(duì)稱，兩側(cè)同時(shí)承受軌道梁的自重G2，因此引起其產(chǎn)生變形的主要載荷僅是正常載客狀態(tài)下的車輛載荷G3。由于車輛載荷G3一般不會(huì)同時(shí)施加于“Y”型立柱的兩側(cè)懸臂之上，y向傾斜變形△y方向左右變化，并無有效方法將其進(jìn)行抵消，因此在“Y”型立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中僅考慮下拉變形△z。

1.3 立柱預(yù)變形量分析

預(yù)變形量△y與△z的數(shù)值可根據(jù)立柱的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，通過設(shè)計(jì)計(jì)算或仿真計(jì)算得出。一般而言，一條空列線路上立柱的主要結(jié)構(gòu)部分是均是相同的，不同的是根據(jù)線路地形對(duì)立柱高度h進(jìn)行了調(diào)整。對(duì)倒“L”型立柱而言，立柱高度h變化會(huì)引起預(yù)變形量△y與△z同時(shí)變化，因此需分別對(duì)每根立柱按照預(yù)先給定的預(yù)變形量△y與△z，設(shè)計(jì)出與其反方向的變形△-y與△-z;而對(duì)“Y”型立柱而言，僅需設(shè)計(jì)與預(yù)變形量△z反方向的變形△-z。這樣，立柱在使用狀態(tài)下，由載荷引起的立柱變形△y與△z剛好與反方向變形△-y與△-z相互抵消，使與立柱相連接的軌道梁能夠處于線路設(shè)計(jì)的位置范圍內(nèi)，且倒“L”型立柱的受力狀態(tài)也會(huì)得到改善。

2 預(yù)變形量在倒“L”型立柱結(jié)構(gòu)中的確定及設(shè)計(jì)

要在立柱設(shè)計(jì)時(shí)加入預(yù)變形量，首先需要得到對(duì)應(yīng)立柱的預(yù)變形量數(shù)值，一般倒“L”型立柱的預(yù)變形量由圖2中的兩個(gè)控制點(diǎn)A、B的變形量來確定，通過在立柱A、B兩點(diǎn)位置處設(shè)計(jì)的反向變形來控制立柱整體的位置尺寸，這是倒“L”型立柱相較于“Y”立柱的一大優(yōu)點(diǎn)。

下面以線路中的某一根立柱為例，對(duì)其變形控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)與圖2中相同。其中立柱柱身部分為800x800mm矩形結(jié)構(gòu)，兩處結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)處設(shè)有內(nèi)隔板，兩處用于懸掛軌道梁的鋼板為70mm，其余主體結(jié)構(gòu)部分鋼板厚度均為28mm。

2.1 預(yù)變形量△y與△z的確定

如下圖3所示，通過NX10軟件對(duì)未控制變形的立柱進(jìn)行三維建模，并取5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)變形進(jìn)行測(cè)量。加載前將立柱底板進(jìn)行固定，在軌道梁的懸掛安裝位置加載350000N模擬載荷，并考慮立柱自重G。由圖中立柱變形可知，立柱在受到向下載荷F時(shí)，立柱整體產(chǎn)生了向右傾斜變形，同時(shí)懸臂端產(chǎn)生較大幅度的下?lián)献冃巍?/p>

由5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)分別得出各點(diǎn)的立柱變形△y1與△z1如表1所示。各點(diǎn)△y值由左向右整體呈增大趨勢(shì)，其中點(diǎn)3、點(diǎn)4、點(diǎn)5由于結(jié)構(gòu)彎曲回轉(zhuǎn)原因小于點(diǎn)2;各點(diǎn)△z值依照由左向右所處位置呈減小趨勢(shì)，其中點(diǎn)1為正值，說明立柱左側(cè)由于受力產(chǎn)生了拉伸變形，點(diǎn)3、點(diǎn)5處于同一塊鋼板上，因此變形相近。

由于觀測(cè)點(diǎn)1的變形△y相較于其它點(diǎn)更加便與測(cè)量，取其作為y方向變形控制點(diǎn);觀測(cè)點(diǎn)3處于立柱懸臂端最遠(yuǎn)處，其z向變形與點(diǎn)5相近且便于測(cè)量，取其作為z方向觀測(cè)點(diǎn)。

2.2 反變形量-△y與-△z在立柱中的設(shè)計(jì)

如圖4 所示，觀測(cè)點(diǎn)1、點(diǎn)5分別對(duì)應(yīng)A、B控制點(diǎn)。立柱底板固定不變，將A點(diǎn)以C點(diǎn)為基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)距離a=18.758mm，將此時(shí)柱身與底板在右側(cè)位置產(chǎn)生距離e=1.6mm補(bǔ)齊至底板，完成對(duì)反變形量-△y的添加;且此時(shí)AC間距離為原設(shè)計(jì)尺寸，便于復(fù)查與檢測(cè)。

如圖，再將懸臂段作為整體，將B點(diǎn)以D點(diǎn)為基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)至預(yù)先確定的高度HB+（-△z），完成對(duì)反變形量-△z的添加。其中HB為B點(diǎn)加載前的設(shè)計(jì)高度，△z=12.882mm，

需要注意的是，在完成變形量-△y的添加后，D點(diǎn)y向與z向的相對(duì)位置已經(jīng)發(fā)生變化，不能以D點(diǎn)為基準(zhǔn)將懸臂端B點(diǎn)直接旋轉(zhuǎn)偏移△z=12.882mm。

下面，對(duì)以A、B作為控制點(diǎn)為倒“L”型立柱添加反變形量-△y與-△z之后的變形，以相同的受力條件進(jìn)行三維建模與變形分析，如圖5所示。

添加反變形量-△y與-△z之后，5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的變形△y2與△z2統(tǒng)計(jì)如表2所示。

對(duì)表1、表2中各觀測(cè)點(diǎn)的△y1與△y2、△z1與△z2進(jìn)行比較可知（見下表3），以點(diǎn)A、B作為控制點(diǎn)，將預(yù)變形量添加至倒“L”型立柱上后，控制點(diǎn)A、B以及其余觀測(cè)點(diǎn)處的在y與z方向的變形量與未添加預(yù)變形量的立柱變形量差值可控制在0.12mm以內(nèi)，符合工程實(shí)施要求，且方法簡(jiǎn)單便于操作。

3 預(yù)變形量在“Y”型立柱結(jié)構(gòu)中的確定及設(shè)計(jì)

預(yù)變形量△z的確定與前面倒“L”型立柱預(yù)變形量的確定方法類似，通過軟件建模與仿真即可得出。不同的是，“Y”型立柱在載荷添加時(shí)，需要分別在兩懸臂側(cè)添加軌道梁自重載荷G2，然后僅在某一側(cè)加載車輛載荷G3?！癥”型立柱受車輛載荷G3變形時(shí)，由于受另一側(cè)軌道梁自重載荷G2的反向平衡作用，其預(yù)變形量△z相對(duì)于倒“L”型立柱而言要小很多。

根據(jù)倒“L”型立柱反變形設(shè)計(jì)時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇與仿真效果，得知在反變形基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇時(shí)并無嚴(yán)格的要求，主要考慮設(shè)計(jì)與生產(chǎn)施工的便利性。因此在“Y”型立柱的反變形量-△z的添加時(shí)，我們對(duì)以懸臂斜撐段的角平分線與立柱中心的交點(diǎn)A為基準(zhǔn)點(diǎn)，和以懸臂拐點(diǎn)C（分C1、C2點(diǎn)）為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行了分析：兩種方式均可對(duì)控制點(diǎn)B進(jìn)行反變形量-△z的添加，并能滿足線路設(shè)計(jì)與使用要求;不同之處在于，以A點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)控制點(diǎn)B添加反變形量-△z時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)半徑不同，對(duì)立柱整個(gè)懸臂段在y方向的影響不同，以A點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)影響較大一些。因此，“Y”型立柱在設(shè)計(jì)添加反變形量-△z時(shí)，全線路必須采用統(tǒng)一的基準(zhǔn)點(diǎn)，避免混亂。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)懸掛式空列倒“L”型立柱、“Y”型立柱預(yù)變形量的分析與變形仿真，針對(duì)兩種不同形式的立柱給出了一種將預(yù)變形量提前設(shè)計(jì)進(jìn)去立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，通過此方法，可將反變形量快速加入到所設(shè)計(jì)的立柱中去，使添加預(yù)變形量后的立柱在應(yīng)用中可以較好的滿足線路設(shè)計(jì)與使用要求，對(duì)同類型立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。

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作者簡(jiǎn)介：康亞強(qiáng);（1985-1）;漢;陜西省寶雞市;碩士;高級(jí)工程師;研究方向：城市軌道交通結(jié)構(gòu)與機(jī)械產(chǎn)品研究與設(shè)計(jì)