城市跨座式單軌的發(fā)展應(yīng)用及挑戰(zhàn)

康承磊，謝淼，李林飛，任興偉

（1、中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司昆明650200；2、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院武漢430074）

跨座式單軌交通有著較低的工程造價(jià)，修建前后對(duì)周遭環(huán)境影響較小，采用橋跨方式導(dǎo)致其占地少，并且其爬坡能力不俗能適應(yīng)較多地形，正是著上述眾多優(yōu)點(diǎn)，它成為當(dāng)代城市軌道交通系統(tǒng)中重要的組成部分［1］?？缱絾诬壗煌ㄗ咝邢到y(tǒng)獨(dú)特，其車體跨坐于軌道梁之上，全部列車荷載由單條軌道梁承載。車輛下部前后各設(shè)有轉(zhuǎn)向架，其每個(gè)轉(zhuǎn)向架均配有橡膠材質(zhì)充氣輪胎，分別為沿軌道梁上部表層摩擦滑動(dòng)的走行輪，軌道梁側(cè)面配有導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪，這一特點(diǎn)明顯區(qū)別于其他城市軌道交通［2］。

作為從日本引進(jìn)的交通技術(shù)，國(guó)內(nèi)研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。盡管結(jié)合技術(shù)的轉(zhuǎn)化出臺(tái)了一版技術(shù)規(guī)范，但是由于后續(xù)的推廣應(yīng)用沒(méi)有及時(shí)跟上，導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)的深入研究和進(jìn)一步提升也緩和下來(lái)。隨著近段時(shí)間以來(lái)龐巴迪單軌列車、比亞迪云軌、云巴的推廣應(yīng)用，又一次喚醒了人們對(duì)于跨座式單軌交通相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)。本文旨在對(duì)跨座式單軌交通發(fā)展歷史及其動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)性的梳理，為這一領(lǐng)域相關(guān)研究的發(fā)展提供一些有限的幫助。本文首先介紹了跨座式單軌交通的發(fā)展歷史，結(jié)合其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式闡明其自身優(yōu)勢(shì)，之后介紹其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀，從結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力學(xué)模型3 個(gè)方面闡述了目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀，最后對(duì)研究現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)單總結(jié)，并對(duì)進(jìn)一步的研究提出建議。

1 跨座式單軌發(fā)展歷程及自身優(yōu)勢(shì)

1.1 發(fā)展歷史

1876 年，現(xiàn)代跨座式單軌交通的鼻祖——蒸汽雙層列車在美國(guó)百年紀(jì)念博覽會(huì)上展出，其具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式并采用旋轉(zhuǎn)蒸汽機(jī)式的驅(qū)動(dòng)方式［3］，如圖1 所示。雖然動(dòng)力驅(qū)動(dòng)效率低，但其獨(dú)特的跨騎結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)代跨座式單軌交通開創(chuàng)了先河。

世界上第一條跨座式單軌運(yùn)行線路是在19 世紀(jì)80 年代末期鋪設(shè)于愛(ài)爾蘭巴利巴寧鎮(zhèn)與里斯托爾鎮(zhèn)之間，隨后不斷上漲的運(yùn)營(yíng)成本和公路運(yùn)輸?shù)呐畈l(fā)展，令該線路在不到40 年的運(yùn)營(yíng)時(shí)間里便被關(guān)閉［4］。1957 年瑞典的Axel Lennart Wenner-Gren 博士在前期單軌試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了著名的ALWEG 單軌系統(tǒng)，隨后逐漸被世界各大城市所認(rèn)可。1964 年日本日立公司在通過(guò)技術(shù)引進(jìn)研發(fā)日立-ALWEG 系統(tǒng)后，成功建立了羽田機(jī)場(chǎng)線路［5］。該條線路不僅是跨座式單軌交通在世界上首次實(shí)際運(yùn)用在城市交通中，同樣也標(biāo)志著跨坐式單軌交通這一方式開始成為城市軌道交通的組成部分?，F(xiàn)如今世界上仍有許多國(guó)家都運(yùn)營(yíng)有跨座式單軌線路，例如日本、美國(guó)、澳大利亞等，本文針對(duì)其特點(diǎn)分為幾類典型單軌車輛，如表1所示。

圖1 美國(guó)百年紀(jì)念博覽會(huì)上的蒸汽雙層單軌車[3]Fig.1 Steam double-decker monorail at the Centennial American Expo

表1 典型跨座式單軌Tab.1 Typical Straddle Type Monorail

國(guó)內(nèi)在本世紀(jì)初從日本引進(jìn)跨座式單軌交通，雖然起步較晚，但其發(fā)展迅猛。近些年來(lái)國(guó)內(nèi)跨座式單軌交通發(fā)展迅猛，其中以比亞迪生產(chǎn)的“云軌”系統(tǒng)為代表，其運(yùn)量屬于中小水平，能填補(bǔ)現(xiàn)有常用城市軌道交通以外的運(yùn)輸需求。此外，中車四方股份有限公司在吸收日本日立公司的雙軸轉(zhuǎn)向架單軌技術(shù)上已具備獨(dú)立生產(chǎn)跨座式單軌列車的能力。而中車浦鎮(zhèn)龐巴迪有限公司通過(guò)國(guó)際合作、技術(shù)引進(jìn)和自主創(chuàng)新等多種方式也具備生產(chǎn)跨座式單軌系統(tǒng)的能力。這些公司的技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)為我國(guó)城市軌道交通事業(yè)發(fā)展帶來(lái)極大助力。目前國(guó)內(nèi)主要跨座式單軌列車如圖2所示。

1.2 跨座式單軌交通的優(yōu)勢(shì)

跨座式單軌交通是一種優(yōu)良的中運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)，具有環(huán)保性能優(yōu)異、復(fù)雜地形地貌及城市密集區(qū)適應(yīng)能力強(qiáng)、建設(shè)周期短投資低、橋跨大凈空所帶來(lái)的景觀效果好等優(yōu)點(diǎn)。

⑴ 環(huán)保性能優(yōu)異，主要體現(xiàn)在對(duì)大氣環(huán)境影響小以及運(yùn)行產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)小。由于跨座式單軌列車采用橡膠輪胎運(yùn)行，其運(yùn)行過(guò)程中會(huì)有輪胎磨損消耗，但何希和［6］通過(guò)對(duì)重慶跨座式單軌 2、3 號(hào)線全天運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行PM2.5 監(jiān)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)橡膠輪胎對(duì)環(huán)境污染有顯著影響；此外也有研究認(rèn)為列車運(yùn)行時(shí)橡膠輪胎磨耗形成的橡膠顆粒硬度和容重較大，無(wú)法形成飄散型可吸收顆粒物［7］。再者，跨座式單軌與城市機(jī)動(dòng)車驅(qū)動(dòng)方式相同，目前有報(bào)道［8］指出道路交通產(chǎn)生的輪胎磨耗粉塵不會(huì)形成大氣污染，那么這說(shuō)明跨座式單軌交通也不會(huì)產(chǎn)生粉塵污染。目前已廣泛運(yùn)營(yíng)的地鐵、輕軌以鋼輪鋼軌系統(tǒng)為主，而相比較前者，跨座式單軌所采用充氣橡膠膠輪系統(tǒng)，可有效減少或消除滑動(dòng)振動(dòng)和噪聲。此外，跨座式單軌普遍采用高架簡(jiǎn)支梁橋的建設(shè)模式，運(yùn)行過(guò)程所產(chǎn)生的振動(dòng)需要通過(guò)整體梁橋的傳遞衰減，因而其對(duì)周遭的振動(dòng)影響小于地鐵和地面輕軌［9］。

圖2 國(guó)內(nèi)單軌主要車型Fig.2 Main Domestic Monorail Models

⑵建設(shè)周期短、投資低。跨座式單軌交通工程造價(jià)相對(duì)較低［10］。目前國(guó)內(nèi)跨座式單軌工程投資綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)僅為城市地鐵投資的三分之一不到。雖然跨座式列車運(yùn)行成本中牽引耗能較高，但是地鐵交通涵蓋地下所需要的環(huán)控通風(fēng)輔助耗能等綜合投資成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以高架為主的跨座式單軌。因?yàn)榭缱絾诬壍能壍懒菏悄K結(jié)構(gòu)，可組織工廠化生產(chǎn)和提前預(yù)制，并在夜間吊裝架設(shè)，這些優(yōu)勢(shì)都有利于降低工程建設(shè)對(duì)日益惡化的城市地面交通的影響，縮短工程建設(shè)周期。

⑶地形地貌適應(yīng)能力強(qiáng)。相比輕軌和地鐵交通，跨座式單軌的爬坡性能更強(qiáng)以及所需的轉(zhuǎn)彎半徑更小，對(duì)復(fù)雜城市環(huán)境具有更好的適應(yīng)性。這使得跨座式單軌在選線時(shí)地形制約小，以此能節(jié)省工程投資和避免拆遷工程。因此跨座式單軌不僅適合山城，也適合位于丘陵平原有著復(fù)雜城市環(huán)境或復(fù)雜工程水文地質(zhì)條件的城市。

2 跨座式單軌結(jié)構(gòu)動(dòng)力研究

2.1 跨座式單軌結(jié)構(gòu)形式

跨座式單軌交通主要由上部的車輛和軌道結(jié)構(gòu)，下部則為高架梁橋、隧道、路基、附屬設(shè)備以及站場(chǎng)和車場(chǎng)等組成。但是其中主要不同的要素主要是車體下部的轉(zhuǎn)向架、道岔區(qū)結(jié)構(gòu)和軌道梁這三部分。其原因是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)繁瑣、制作工藝復(fù)雜、精度要求高被認(rèn)為是跨座式單軌交通中三項(xiàng)最關(guān)鍵的技術(shù)［11］?？缱絾诬壗煌?biāo)準(zhǔn)形式如圖3所示。

圖3 跨座式單軌交通簡(jiǎn)化示意圖Fig.3 Simplified Schematic Diagram of Straddle-type Monorail Transportation

跨座式單軌列車由車體和下部前后兩臺(tái)轉(zhuǎn)向架一同組成。轉(zhuǎn)向架是車輛的核心部件，其兩側(cè)上方各設(shè)兩個(gè)導(dǎo)向輪，下方各設(shè)一個(gè)穩(wěn)定輪。車軸為單懸臂結(jié)構(gòu)，固定在轉(zhuǎn)向架上，每根軸上裝有兩個(gè)走行輪［12］。由于上述三種輪胎均采用橡膠輪胎并充入氮?dú)?、空氣等氣體，因此可以利用輪胎彈性替代一系懸掛的作用，二系懸掛裝置也被空氣彈簧替代承載作用［13］。轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)Fig.4 Bogie Structure

目前，跨座式單軌交通橋梁主要有簡(jiǎn)支和連續(xù)剛構(gòu)兩種體系。以施工工藝為分類標(biāo)準(zhǔn)，軌道梁分為預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁和普通鋼筋混凝土軌道梁。預(yù)應(yīng)力混凝土軌道梁多為工廠預(yù)制，其鋪設(shè)形成線路的質(zhì)量和精度較高，但其成本較高，多于正線中使用；普通鋼筋混凝土軌道梁多為現(xiàn)場(chǎng)澆筑，和前者優(yōu)缺點(diǎn)相反，不能在設(shè)置活動(dòng)模板制梁的地段及挖方區(qū)基巖出露地段釆用［13］。為應(yīng)對(duì)城市復(fù)雜的建設(shè)條件，需采取特殊的措施滿足跨越的需求，導(dǎo)致工程造價(jià)高、工期長(zhǎng)、橋梁景觀效果差，且施工及運(yùn)營(yíng)期間對(duì)道路交通影響大，因此根據(jù)跨座式單軌交通橋梁特點(diǎn)合理選擇軌道梁及結(jié)構(gòu)體系，以提高其跨越能力，增強(qiáng)其適用性［14］。

跨座式單軌交通系統(tǒng)歷經(jīng)了多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究方向各有不同。國(guó)外學(xué)者對(duì)跨座式單軌交通系統(tǒng)的相關(guān)研究主要集中在系統(tǒng)介紹、運(yùn)營(yíng)成本和設(shè)計(jì)建設(shè)等方面。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)跨座式單軌交通的研究基于重慶市軌道交通2/3 號(hào)線的修建，主要是關(guān)于軌道梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)、車輛-軌道自振特性及轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車輛與軌道梁動(dòng)力相互作用的研究較少且缺乏較深入的探討。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及理論創(chuàng)新的步伐的加快，近些年來(lái)關(guān)于跨座式單軌交通系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)集中在單軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)等方面。雖然目前在這一領(lǐng)域取得一定的研究成果，但是隨著我國(guó)城市交通系統(tǒng)建設(shè)腳步加快，所面臨的問(wèn)題愈發(fā)復(fù)雜和困難，亟需我們更加積極地探索解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2.2 跨座式單軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

跨座式單軌交通系統(tǒng)與普通鐵路系統(tǒng)以及地鐵系統(tǒng)相類似，但其在單軌車輛、軌道梁、道岔3 個(gè)方面有獨(dú)特的表現(xiàn)［15］?？缱絾诬壾囕v除了轉(zhuǎn)向架與鐵路和地鐵用車不同外，其他均類似。轉(zhuǎn)向架在跨座式單軌車輛結(jié)構(gòu)體系中有著舉足輕重的地位?？缱絾诬壗煌ò踩５倪\(yùn)行需要對(duì)其轉(zhuǎn)向架進(jìn)行定期必要的維修保養(yǎng)。綜上針對(duì)跨座式單軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究主要從車輛轉(zhuǎn)向架、軌道梁和道岔區(qū)等三個(gè)方面進(jìn)行論述。

跨座式單軌列車轉(zhuǎn)向架優(yōu)化。Per Wennhage［16］對(duì)三明治結(jié)構(gòu)車體進(jìn)行有限元建模，考慮多方面的因素進(jìn)行減重優(yōu)化。國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題研究比較晚，但同樣是針對(duì)減重優(yōu)化設(shè)計(jì)。兆文忠等人［17］側(cè)重于貨物罐車，而呂?。?8］以板殼結(jié)構(gòu)體模擬單軌車輛。兩者在滿足應(yīng)力條件的前提下，均有不錯(cuò)的減重效果。跨座式單軌軌道梁優(yōu)化。目前預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌道梁（PC 軌道梁）在跨座式單軌交通線路上占絕大多數(shù)。軌道梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)大多利用Midas、Anasys 數(shù)值模擬軟件等對(duì)軌道梁的橫截面尺寸、材料特性、結(jié)構(gòu)體系等進(jìn)行研究。張奎等人［19］以跨座式單軌簡(jiǎn)支梁橋的梁高與預(yù)應(yīng)力鋼筋面積作為設(shè)計(jì)變量，將單片梁的總造價(jià)作為目標(biāo)函數(shù)，并取預(yù)應(yīng)力混凝土正截面抗裂性與承載力作為約束條件建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用拉格朗日乘子法等對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析與計(jì)算比較，推導(dǎo)出具有實(shí)用價(jià)值的計(jì)算公式，最終依據(jù)實(shí)際工程案例，采用Midas/Civil對(duì)計(jì)算結(jié)果檢驗(yàn)；董艷彪等人［20］以一座連續(xù)鋼箱軌道梁為對(duì)象，基于直接網(wǎng)格搜索法與ANSYS 來(lái)分析其力學(xué)特性。

跨座式單軌道岔的優(yōu)化。張智棟［21］以道岔梁的模型為基礎(chǔ)，對(duì)不同荷載下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。靳曉波［22］結(jié)合理論分析，數(shù)值模擬，模型試驗(yàn)等手段，分析研究了車輛的道岔通過(guò)性能，以研究結(jié)果為基礎(chǔ)，提出了關(guān)節(jié)道岔的改進(jìn)措施。

2.3 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析研究

軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題一直是鐵路、公路橋梁的核心部分，主要集中于車輛-橋梁耦合模型的振動(dòng)響應(yīng)分析，隨著理論、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)方法的不斷進(jìn)步，軌道交通結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析研究趨近于多元化。相較于地鐵高鐵，跨座式單軌交通的動(dòng)力學(xué)研究較少?？紤]到跨座式單軌獨(dú)特的走行系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)分析建模成為了最重要的環(huán)節(jié)。研究者們基于車輛模型，軌道梁模型以及車橋耦合模型，采用不同的技術(shù)手段不斷發(fā)展完善動(dòng)力學(xué)建模理論與動(dòng)力響應(yīng)分析。

2.3.1 理論研究

⑴ 車輛模型。2000 年日本 Kenjiro Goda 等人［23］為研究車輛曲線通過(guò)性能，建立了車輛與軌道梁模型，其中車輛模型包括假設(shè)為剛體的車體和兩個(gè)轉(zhuǎn)向架，有三個(gè)自由度，為日后模型的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨后，Lee 等人［24］忽略縱向振動(dòng)，設(shè)置了具有15 個(gè)自由度的車輛模型，由空氣彈黃連接車體和轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架和軌道梁之間通過(guò)橡膠輪胎（走行輪輪對(duì)、導(dǎo)向輪輪對(duì)分別4 個(gè)，穩(wěn)定輪輪對(duì)2 個(gè)）接觸，空氣彈黃和橡膠均簡(jiǎn)化為并聯(lián)的彈簧和阻尼系統(tǒng)。我國(guó)任利惠等學(xué)者研究較早，他們考慮了輪胎的剛度，側(cè)偏等效應(yīng)，建立了車輛運(yùn)動(dòng)方程，利用MATLAB 編制了仿真程序［25，26］。趙曉亮［27］在車輛模型里增加了車鉤緩沖裝置，有效抑制了振動(dòng)。

⑵軌道梁模型。跨座式單軌軌道梁多采用簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，少數(shù)為雙層復(fù)合與鋼結(jié)構(gòu)。PC 混凝土是最常見的材料，除此之外還會(huì)附加鋼。其尺寸比普通鐵路橋梁要小，截面剛度小，振動(dòng)更加明顯。軌道梁主要受到車輛橫向和豎向作用力，因此一般采用空間模型進(jìn)行分析。2005年Lee等人［24］建立了橋梁的三維有限元模型，模型參照一座長(zhǎng)約44 m的簡(jiǎn)支梁，鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨徑42.8 m。隨后他們［28］參照了一座大阪長(zhǎng)約36 m的簡(jiǎn)支鋼桁梁橋，用同樣的方法建立了模型。馬繼兵等人［29］研究了重慶單軌的PC軌道梁、下部承載結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。不過(guò)上述研究均為直線橋梁，而現(xiàn)實(shí)中多以曲線梁為主，曲線梁獨(dú)特的應(yīng)力組合可能會(huì)導(dǎo)致兩者的分析基礎(chǔ)大不相同，因而曲線梁的動(dòng)力分析更為迫切。張凱［30］，黃運(yùn)華等人［31］，陳雅蘭等人［2］通過(guò)坐標(biāo)系變換等手段，建立了曲線橋梁模型。

⑶車橋耦合模型。只考慮單個(gè)車輛或是軌道的性質(zhì)不足以反應(yīng)跨座式單軌運(yùn)行的真實(shí)情況，耦合模型更為接近實(shí)際。Lee等人［24］利用自己建立的車輛模型和軌道梁模型進(jìn)行耦合，驗(yàn)證分析程序的可靠性。司學(xué)通［32］則以公路鐵路橋梁為對(duì)象，分析了列車與汽車共同作用下的振動(dòng)響應(yīng)。張楠等人［33］在此基礎(chǔ)上，采用蠕滑理論重新定義輪軌兩個(gè)方向的作用力，以此建立了考慮動(dòng)力相互作用的分析模型。喬志［34］建立了三維車輛模型和橋梁模型，以此編制了動(dòng)力響應(yīng)分析程序，突出研究軌道的不平順性，而趙甲薦［35］則側(cè)重于輪軌接觸參數(shù)的影響。文孝霞等人［36］基于Hamilton 理論建立了輪與軌的三向附著接觸耦合模型。陳雅蘭［2］則基于全過(guò)程迭代法和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換法建立了列車—曲線橋梁振動(dòng)耦合模型，以跨徑為24 m、曲線半徑為300 m 的曲線梁為對(duì)象，分析得到了單軌車輛通過(guò)曲線橋時(shí)的車橋振動(dòng)特性和規(guī)律。除去基礎(chǔ)的模型外，Chul-Woo 等人［37］研究了地震作用下的跨座式車輛-軌道梁耦合動(dòng)力響應(yīng)分析。張凱［30］同樣研究了考慮地震作用下的車輛-曲線梁橋的耦合振動(dòng)響應(yīng)。劉羽宇等人［38］則研究了考慮風(fēng)荷載作用下的跨座式單軌列車-軌道梁耦合振動(dòng)響應(yīng)，建立了橫向風(fēng)-車輛-軌道梁耦合分析模型。他們還在新模型中考慮了輪胎側(cè)偏特性，認(rèn)為該模型結(jié)果更接近實(shí)際［39］。

2.3.2 數(shù)值模擬

考慮到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與模型試驗(yàn)的人力，物理消耗，數(shù)值模擬逐漸受到研究者們的青睞。以ADAMS，SIMPACK 等軟件為基礎(chǔ)建立模型來(lái)研究動(dòng)力響應(yīng)成為一種常見的手段。周君峰［40］在ADAMS 里建立了車軌模型，并基于從MATIAB 中得到的軌道不平順數(shù)據(jù)，分析評(píng)價(jià)其運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性。王行聰［41］基于SIMPACK 建立了整套列車的動(dòng)力學(xué)模型以此分析車輛的運(yùn)行性能。左長(zhǎng)永［42］利用ADAMS 建立了車輛-輪胎-軌道梁耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析了車輛在最小半徑曲線梁的通過(guò)性能。杜子學(xué)等人［43］基于ADAMS建立了單軌列車及平移式道岔曲線梁的耦合模型，并以計(jì)算得到的橫向力來(lái)衡量硬件的動(dòng)載荷強(qiáng)度。成金娜等人［44］基于Guyan 縮減法對(duì)跨坐式單軌有限元車體進(jìn)行縮聚，并將模型導(dǎo)入SIMPACK 軟件中建立其剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

基于上述模型與數(shù)值模擬手段，大多學(xué)者側(cè)重于不同工況下列車的平穩(wěn)性，舒適性和安全性以及耦合模型的振動(dòng)響應(yīng)特性。但是跨座式軌道交通實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，如何建立與驗(yàn)證精確的車輛-軌道梁耦合模型是重中之重。

3 目前研究面臨的挑戰(zhàn)

綜上所述，跨座式單軌交通盡管具有不少優(yōu)勢(shì)，但一般城市的首選依然是地鐵軌道交通，除去運(yùn)輸量大的特點(diǎn)外，地鐵軌道交通的相關(guān)研究和理論已經(jīng)比較成熟。目前，跨座式單軌交通的技術(shù)與理論研究仍然面臨著不小的挑戰(zhàn)：

⑴車輛-軌道梁耦合模型尚不準(zhǔn)確，要考慮的因素有很多：①軌道不平順。軌道不平順一直是耦合模型側(cè)向振動(dòng)的主要激勵(lì)源，很大程度上決定了車輛的穩(wěn)定性，舒適性以及模型的準(zhǔn)確性。由于跨座式交通獨(dú)特的走行系統(tǒng)與單軌軌道，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)少，很難驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。②曲線梁橋。大部分的耦合模型與數(shù)值模擬中的橋梁均為直線型，現(xiàn)實(shí)中跨座式單軌多為曲線設(shè)計(jì)，模型中曲線坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換顯得很重要。③動(dòng)力系數(shù)。動(dòng)力系數(shù)是橋梁設(shè)計(jì)里重要的參數(shù)，與很多因素（跨度，車長(zhǎng)，軌道不平順）相關(guān)?？缱杰壍澜煌ㄟh(yuǎn)遠(yuǎn)區(qū)別于其他橋梁交通，這種參數(shù)在國(guó)內(nèi)尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。④輪胎特性?？缱絾诬壗煌ㄖ耘c眾不同，其中一點(diǎn)就是采用了橡膠輪胎，一般模型中將其簡(jiǎn)化為并聯(lián)的彈簧和阻尼系統(tǒng)，但輪胎的磨損與結(jié)構(gòu)特性等對(duì)列車的運(yùn)行有影響，不能忽視。⑤其他激勵(lì)源。除了軌道不平順外，風(fēng)荷載與地震荷載也對(duì)列車影響較大，但在這方面的研究尚未深入。

⑵實(shí)測(cè)參數(shù)少。①完整的車輛參數(shù)。研究多采用日本公布的車輛參數(shù)，與國(guó)內(nèi)實(shí)際采用的車輛參數(shù)存在誤差。②實(shí)測(cè)軌道不平性參數(shù)。軌道不平性是車輛的平穩(wěn)性與舒適性的重要影響因素，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)測(cè)不平性樣本。③輪胎技術(shù)參數(shù)。橡膠輪胎作為跨座式單軌交通的獨(dú)特之處，輪胎的磨損性，結(jié)構(gòu)特性等參數(shù)對(duì)模型的建立與車輛的運(yùn)行有影響，但相關(guān)研究常常忽略這些作用。

⑶軌道梁的設(shè)計(jì)和優(yōu)化復(fù)雜。軌道梁設(shè)計(jì)需要同時(shí)滿足靜力要求與動(dòng)力要求，但這方面的參數(shù)和研究相對(duì)較少。PC 軌道梁系統(tǒng)需要在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的情況下滿足承載，抗疲勞，抗振動(dòng)響應(yīng)等條件。若采用有良好受力性能的鋼構(gòu)橋，又要解決超靜定、墩梁固結(jié)處力學(xué)性能薄弱、橋墩彎矩大等問(wèn)題。

⑷評(píng)判系統(tǒng)不完整。由于缺乏諸如軌道不平性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，很難精確評(píng)判跨座式單軌車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性、曲線通過(guò)性與乘坐舒適性。除此以外，目前我國(guó)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)多采用《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范：GB 5599-85》，并沒(méi)有一套完整乘坐舒適性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

⑸單軌相關(guān)規(guī)范有限且滯后。雖然新型單軌系統(tǒng)在國(guó)際、國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用快速拓展，但是有關(guān)單軌系統(tǒng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)非常有限，同時(shí)在新標(biāo)準(zhǔn)的制定和老標(biāo)準(zhǔn)的修訂完善方面更是明顯滯后，比如《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50458-2008》里面只出現(xiàn)了比較詳細(xì)的高架橋梁工程和少量的地下隧道工程方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而路基工程方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范里面沒(méi)有出現(xiàn)，但是實(shí)際工程中并不能完全避開地面路基工程形式的出現(xiàn)。因此，研究這些特殊地段的路基結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)齊現(xiàn)有規(guī)范短板成為當(dāng)務(wù)之急。

4 研究展望

盡管面臨著上述問(wèn)題，但跨座式單軌交通所具有的優(yōu)勢(shì)使其更適合成為二三線城市、地形復(fù)雜城市、旅游觀光城市的骨干線路甚至于一線城市的非骨干線路。為了使各城市量力而行，選擇合適自身需求的交通方式，跨座式單軌交通需要更進(jìn)一步的發(fā)展，才能更好地解決一線城市末尾段和二三線城市交通壓力。除了在環(huán)境方面需要注意減噪隔音、景觀優(yōu)化、節(jié)能減耗外，還需注意進(jìn)一步研究：

⑴建立精確的車輛-軌道梁耦合模型。①橋梁模型，建立模型時(shí)考慮軌道不平順和曲線橋梁與直線軌道橋梁的結(jié)合；②車輛模型，需要考慮輪胎的磨損性能，技術(shù)參數(shù)以及與軌道的接觸理論，逐步完善輪胎對(duì)特性對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響；③特殊荷載，建模時(shí)還是需要考慮地震荷載與風(fēng)荷載，深入研究?jī)烧邔?duì)跨座式單軌運(yùn)行情況的影響。

⑵參數(shù)獲取與評(píng)判完整化。①除了參照已有的資料外，對(duì)車輛參數(shù)，軌道不平性、輪胎特性參數(shù)的數(shù)據(jù)利用現(xiàn)有的技術(shù)手段進(jìn)行實(shí)測(cè)，了解理論值與實(shí)際值的誤差，為模型的準(zhǔn)確性提供強(qiáng)有力的支持。②獲取大量的參數(shù)后，為進(jìn)一步建立符合跨座式單軌交通的統(tǒng)一乘坐舒適性和平穩(wěn)性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。

⑶進(jìn)行軌道梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。需對(duì)預(yù)應(yīng)力混泥土軌道梁、鑄鋼支座等進(jìn)行系統(tǒng)的疲勞、破壞試驗(yàn)和動(dòng)荷載振動(dòng)研究等。這不僅在積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)，也可以對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行檢驗(yàn)，更是為以后的工程積累經(jīng)驗(yàn)。

⑷相關(guān)規(guī)范制定的提出和補(bǔ)充。首先需要明確目前路基結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)形式，然后對(duì)路基結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)特征研究，獲取路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工控制指標(biāo)等關(guān)鍵參數(shù)合理范圍和措施建議，最后依據(jù)研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)有規(guī)范提出補(bǔ)充及修訂建議。