懸掛式單軌軌道梁伸縮裝置選型研究

鄭曉龍,陶 奇,宋曉東,游勵(lì)暉

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 成都 610031)

傳統(tǒng)鐵路由兩條平行路軌構(gòu)成，而單軌鐵路使用的軌道只有一條。懸掛式單軌是單軌鐵路的一種，列車(chē)懸掛在軌道之下，由德國(guó)人在1893年發(fā)明，并于1901年在德國(guó)魯爾區(qū)伍珀塔爾建成了世界第一條全長(zhǎng)13.3 km的懸掛式單軌鐵路，之后在德國(guó)多特蒙德、杜塞爾多夫、日本千葉等地陸續(xù)建成商業(yè)運(yùn)營(yíng)線路。懸掛式單軌為全線高架結(jié)構(gòu)，地面上只需要較小的空間建造支撐軌道梁的橋墩，因而占用地面面積小，不侵占地面路權(quán)，高峰小時(shí)單向斷面客流量視列車(chē)編組情況可以達(dá)到0.5萬(wàn)～1萬(wàn)人次，不僅可以作為地鐵等大客流量軌道交通的補(bǔ)充，減輕城市交通壓力；也可作為通往機(jī)場(chǎng)、碼頭、風(fēng)景觀光旅游線的短途接駁線[1-3]。

懸掛式單軌具有占地少、污染小、且能有效利用道路中央隔離帶的特點(diǎn)，作為中等運(yùn)量的軌道交通，特別適合于緩解我國(guó)現(xiàn)有城市交通高峰時(shí)段堵塞和擁擠嚴(yán)重現(xiàn)狀，是改善我國(guó)城市交通狀況的有效途徑之一[4-5]。2018年7月，成都大邑縣晉原至安仁旅游基礎(chǔ)設(shè)施空鐵試驗(yàn)線開(kāi)工建設(shè)，建成后將成為我國(guó)第一條商業(yè)運(yùn)營(yíng)的懸掛式單軌線。

軌道梁為鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)口薄壁箱梁，列車(chē)懸掛于梁下方，軌道梁既是承重機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是走行機(jī)構(gòu)[6]。伸縮裝置作為軌道梁之間的連接部件，直接決定了列車(chē)在梁上行走的低噪聲平穩(wěn)過(guò)渡，也是保證整個(gè)結(jié)構(gòu)體系安全運(yùn)行、延長(zhǎng)列車(chē)走行輪使用壽命的關(guān)鍵部件。以伸縮裝置在國(guó)內(nèi)某懸掛式單軌試驗(yàn)線的應(yīng)用為例，詳細(xì)分析了目前常見(jiàn)的伸縮裝置的特點(diǎn)，為今后國(guó)內(nèi)懸掛式單軌交通軌道梁及伸縮裝置的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)提供參考。

1 試驗(yàn)線工程概況

試驗(yàn)線位于某車(chē)輛廠廠區(qū)內(nèi)(圖1)，全長(zhǎng)830 m(正線長(zhǎng)630 m)，線路最小曲線半徑為50 m，最大坡度35‰，列車(chē)在正線上最高運(yùn)行速度為50 km/h，列車(chē)采用3輛編組，列車(chē)尺寸為2.3 m(寬)×33.45 m(鉤到鉤長(zhǎng))，滿載工況下最大軸重不超過(guò)5 t，采用DC750V直流接觸軌供電，能滿足車(chē)輛出廠前的組裝、靜動(dòng)態(tài)調(diào)試等需求[7]。

圖1 試驗(yàn)線概況

軌道梁為由鋼板焊接而成的開(kāi)口鋼箱型梁結(jié)構(gòu)，下部開(kāi)口(圖2)，梁截面下部開(kāi)口寬210 mm，梁內(nèi)腔尺寸780(寬)×1 200(高) mm，頂板厚28 mm，腹板厚24 mm，走行板厚30 mm。梁內(nèi)上部設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)，接觸軌布置在梁腹板內(nèi)側(cè)。橋墩結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 軌道梁斷面結(jié)構(gòu)(單位：mm)

圖3 橋墩結(jié)構(gòu)

2 空軌軌道梁伸縮縫的作用

懸掛式空軌軌道梁伸縮縫是為了滿足橋面變形需要，使空軌列車(chē)能夠平穩(wěn)地通過(guò)橋面梁縫的重要構(gòu)件。伸縮縫是軌道梁結(jié)構(gòu)重要的組成部分，必須實(shí)現(xiàn)的主要功能首先是將橋面列車(chē)通過(guò)時(shí)給予的豎直和水平荷載通過(guò)支承結(jié)構(gòu)可靠地傳遞到梁體，其次是能適應(yīng)橋梁縱橫向位移及梁端翹曲引起的轉(zhuǎn)角變化，保證列車(chē)安全舒適運(yùn)行。

伸縮縫在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)有缺陷或不足都容易造成破壞，是整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，特別是對(duì)于空軌結(jié)構(gòu)具有活載與恒載占比遠(yuǎn)大于普通鐵路的特點(diǎn)，伸縮縫受到車(chē)輛活載的沖擊作用顯著，受到破壞后由于梁體懸掛在空中，受工作空間狹小的限制難以進(jìn)行維護(hù)和修理。伸縮縫的破損又將對(duì)列車(chē)造成損傷，嚴(yán)重影響行車(chē)安全和旅客乘坐舒適度，且大大縮短梁體的使用壽命。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)適用于懸掛式空軌軌道梁的伸縮縫的理論和試驗(yàn)研究均很少，在廣泛調(diào)研并結(jié)合軌道梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出3種伸縮縫方案，在試驗(yàn)線上應(yīng)用并測(cè)試使用效果[8-10]。

3 伸縮縫形式方案

3.1 跨縫板方案

該方案借鑒了日本已有的懸掛式單軌軌道梁伸縮縫設(shè)計(jì)思路，由對(duì)稱(chēng)分布的兩塊跨縫鋼板組成，跨縫板一端固定在梁走行板，另一端懸空搭接在相鄰跨的梁走行板上(圖4)。左右兩塊跨縫板相互錯(cuò)位，列車(chē)走行輪在上面經(jīng)過(guò)時(shí)，承載面實(shí)現(xiàn)無(wú)縫過(guò)渡。這種伸縮縫方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用鉚釘連接，無(wú)需焊接，安裝方便，價(jià)格低廉；缺點(diǎn)是由于跨縫板是搭接在走行板上，與走行板之間存在間隙，在車(chē)輪經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生鋼板相互撞擊的噪聲，由于板材本身較薄，剛度較差。

圖4 跨縫板方案結(jié)構(gòu)

3.2 梳齒板方案

該方案由兩塊齒板、錨固螺栓、支撐板組成。支撐板焊接在梁體走行板上，兩塊齒板用螺栓連接固定在支撐板上，齒板之間通過(guò)直齒相互咬合(圖5)，使列車(chē)走行輪在其間平穩(wěn)駛過(guò)。這種伸縮縫方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用螺栓連接，安裝方便；缺點(diǎn)是支撐板需要在現(xiàn)場(chǎng)焊接，由于列車(chē)荷載作用使梁體端部產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，會(huì)使齒板出現(xiàn)一定幅度的翹齒，因而會(huì)對(duì)橡膠走行輪產(chǎn)生一定損傷(特別在梁跨間存在縱坡的情況下尤為明顯)，對(duì)行車(chē)舒適性有一定影響，齒板為懸臂結(jié)構(gòu)，剛度也相對(duì)較差。

圖5 梳齒板方案結(jié)構(gòu)

3.3 無(wú)縫式伸縮方案

該方案借鑒了德國(guó)已有的懸掛式單軌軌道梁伸縮縫設(shè)計(jì)原理，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，由支撐板、固定板、活動(dòng)板和限位銷(xiāo)組成(圖6)。該方案通過(guò)活動(dòng)板將橋梁縱向變形轉(zhuǎn)化為橫向變形，當(dāng)橋梁因溫度升高伸長(zhǎng)時(shí)，活動(dòng)板受梁體擠壓而外移，當(dāng)橋梁因降溫收縮時(shí)，活動(dòng)板受梁體拉伸而內(nèi)移，始終保證橋梁伸縮縫完全聯(lián)通，保證車(chē)輛走行部分完全連續(xù)。這種方案同時(shí)具備豎向承載、縱向活動(dòng)和橫向限位能力，當(dāng)列車(chē)通過(guò)時(shí)，車(chē)輪同時(shí)作用在伸縮縫的活動(dòng)板和固定板上，固定板通過(guò)螺栓固定在支撐板上，支撐板與梁體走行板和側(cè)板焊接在一起，列車(chē)豎向荷載通過(guò)固定板、活動(dòng)板和支撐板傳遞到梁體。固定板上設(shè)有相互咬合的導(dǎo)向齒，左右梳齒之間設(shè)置有縱向滑移副，限制梁體的橫向位移，減小列車(chē)通過(guò)伸縮裝置時(shí)的橫向振動(dòng)。限位銷(xiāo)是保證無(wú)縫式伸縮縫正常工作的關(guān)鍵構(gòu)件，連接活動(dòng)板與固定板，并保證活動(dòng)板始終沿固定板所留橢圓槽活動(dòng)，該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)可靠，列車(chē)通過(guò)時(shí)平穩(wěn)，舒適度好；由于設(shè)置了橫向限位裝置，提高了梁部整體橫向剛度；橫向限位裝置與縱向活動(dòng)部件集成到固定板上，可以保證加工精度，從而使兩部件具有良好的協(xié)調(diào)性；缺點(diǎn)是焊接量相對(duì)較大，對(duì)焊縫精度要求較高；結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)機(jī)加工和施工精度要求較高；由于構(gòu)件整體性好，梁體設(shè)計(jì)時(shí)需有足夠的豎向剛度，否則變形過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致活動(dòng)板卡死或破壞[11-15]。

圖6 無(wú)縫式伸縮方案結(jié)構(gòu)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與測(cè)試

上述3種伸縮縫方案從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到施工安裝各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示，在選用時(shí)應(yīng)綜合比選，確定最優(yōu)的方案。

表1 3種常用伸縮縫優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

從表1可以看出，從生產(chǎn)工藝、安裝、耐久性和工程造價(jià)方面來(lái)看，跨縫板和梳齒板方案略?xún)?yōu)，從行車(chē)舒適性和噪聲水平方面看，無(wú)縫伸縮縫更好。

2017年6月至2018年6月，基于上述3種伸縮裝置技術(shù)方案，在試驗(yàn)線上分別進(jìn)行了試制并安裝在軌道梁上。為對(duì)比運(yùn)營(yíng)效果，3種伸縮裝置均安裝在直線段，每種裝置都安裝了3～4跨，3種伸縮裝置的現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖7～圖9所示。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)束并線上運(yùn)行3個(gè)月后，2018年9月底，為獲取軌道梁靜動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)及對(duì)梁上附屬設(shè)施的動(dòng)態(tài)運(yùn)營(yíng)效果進(jìn)行評(píng)估，對(duì)軌道梁進(jìn)行了實(shí)車(chē)運(yùn)行檢測(cè)[16-17](圖10)。安裝和測(cè)試結(jié)果表明，3種伸縮裝置均能保證列車(chē)平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)；成本方面，跨縫板方案最經(jīng)濟(jì)，梳齒板方案次之，無(wú)縫式伸縮方案最高，約為跨縫板方案的3倍；噪聲方面，跨縫板方案由于會(huì)產(chǎn)生金屬直接碰撞，噪聲最大，梳齒板方案次之，無(wú)縫式伸縮方案噪聲最?。粚?duì)列車(chē)走行輪造成的磨耗，梳齒板方案由于會(huì)啃胎，磨耗最大，跨縫板和無(wú)縫式伸縮方案磨耗均很??；列車(chē)通過(guò)伸縮縫處的舒適度方面，騎縫板和梳齒板方案相當(dāng)，無(wú)縫式伸縮方案最好；整體美觀性方面，無(wú)縫式伸縮方案最好，騎縫板方案次之，梳齒板方案最差?？偨Y(jié)以上檢測(cè)結(jié)果，無(wú)縫式伸縮方案綜合效果最好[18-19]。具體選擇應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程需求來(lái)選定最終方案。

圖7 跨縫板方案現(xiàn)場(chǎng)安裝

圖8 梳齒板方案現(xiàn)場(chǎng)安裝

圖9 無(wú)縫式伸縮方案現(xiàn)場(chǎng)安裝

圖10 試驗(yàn)線軌道梁現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)城市軌道交通投入的不斷加大，懸掛式單軌交通系統(tǒng)必將迎來(lái)廣闊的應(yīng)用前景。以某懸掛式單軌試驗(yàn)線軌道梁為工程背景，在借鑒目前已有的軌道梁伸縮裝置形式基礎(chǔ)上，提出了3種伸縮裝置，研究了3種裝置在梁上的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)討論了每種方案的優(yōu)缺點(diǎn)?；诩夹g(shù)方案生產(chǎn)制造了3種裝置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試和實(shí)車(chē)動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、施工與維護(hù)等方面綜合考慮，結(jié)果表明無(wú)縫式伸縮方案為最優(yōu)選擇，本文也為懸掛式單軌伸縮裝置的選型與設(shè)計(jì)提供了驗(yàn)證與參考依據(jù)。未來(lái)還應(yīng)緊密結(jié)合運(yùn)營(yíng)線的反饋情況，特別是長(zhǎng)期可維護(hù)性，對(duì)其做進(jìn)一步優(yōu)化，滿足懸掛式空軌橋梁建設(shè)的需要。