懸掛式單軌軌道梁橋在列車制動力作用下的動力響應(yīng)

王江浩

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，300308，天津 ∥ 工程師)

懸掛式單軌是一種新穎的軌道交通方式。與地鐵和輕軌等傳統(tǒng)城市軌道交通相比，懸掛式單軌具有建設(shè)周期短、投入小、占地少、復(fù)雜地形適應(yīng)性強、噪聲低等優(yōu)點。懸掛式單軌適用于中小運量客流運輸，可以作為中小城市或大城市非主要軌道交通的補充，也可以作為旅游景點觀光線路[1]。

懸掛式單軌交通系統(tǒng)采用“梁軌合一”的建設(shè)方式。軌道梁橋既作為列車的承載結(jié)構(gòu)，又作為列車的走行通道，因此，軌道梁橋結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定是確保列車平穩(wěn)、安全運行的關(guān)鍵。列車在懸掛式單軌上運行時，經(jīng)常會出現(xiàn)制動、起動的情況，會對軌道梁橋產(chǎn)生縱向作用力。目前，針對懸掛式單軌的研究多數(shù)集中于靜力研究[2-3]和列車勻速過橋情況下的動力研究[4-5]，對懸掛式單軌軌道梁橋在縱向力作用下的動力響應(yīng)的研究非常少。

本文以中唐懸掛式單軌試驗線為背景，采用有限元軟件建立全橋模型，分別計算3種制動力作用下軌道梁橋的動力響應(yīng)。通過分析軌道梁橋結(jié)構(gòu)在3種列車制動力作用下的動力響應(yīng)，總結(jié)了不同制動力作用對軌道梁橋的影響，其分析結(jié)果可為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

1 列車制動力計算

1.1 制動力率

列車在軌道梁橋上制動時，軌面制動力直接通過車輪與軌道梁走行面間的摩擦傳遞給軌道梁。國內(nèi)外研究基本采用制動力率θ對列車制動力T進行定義[6]。θ和列車減速度a的對應(yīng)關(guān)系為：

θ=T/W=a/g

(1)

式中：

W——所考慮范圍中的列車軸重；

g——重力加速度。

根據(jù)式(1)得知，當(dāng)a已知時，便能獲得列車制動過程中的θ，進而求得T。

本文以一跨25 m的直線軌道梁作為目標(biāo)軌道梁，根據(jù)T在城市軌道交通中的取值及傳遞規(guī)律[6]，分別使列車以0.05、0.10、0.15的制動力率進行制動，使列車在減速狀態(tài)下進入目標(biāo)軌道梁，并確保列車停止在目標(biāo)軌道梁上。應(yīng)注意，當(dāng)列車制動完成時，T迅速下降到0。列車制動力加載曲線如圖1所示。

圖1 列車制動力加載曲線

1.2 列車制動力作用

本文參考中唐懸掛式單軌試驗線的列車活載，按兩節(jié)列車進行編組，車輛軸重為4 t，能源小車軸重為1.5 t，加載長度為16.57 m。列車活載圖式見圖2。

圖2 列車活載圖式

由式(1)和圖1、圖2可以得到，從列車入橋至列車停止時不同時刻下列車制動力的大小。隨著列車駛?cè)胲壍懒?，進入軌道梁的軸重逐漸增大，制動力也相應(yīng)增大；列車全部進入軌道梁后，列車在所有軸重產(chǎn)生的制動力作用下繼續(xù)減速，直至停止，制動力迅速降為0。

2 計算模型的建立

中唐懸掛式單軌試驗線由四川大唐新能源公司投資興建，位于成都市雙流縣黃甲鎮(zhèn)大唐新能源公司生產(chǎn)基地內(nèi)。新能源空鐵是以大容量動力蓄電池為動力的懸掛式單軌列車。沿試驗線可依次進行加減速、爬坡能力及防災(zāi)救援試驗，并可簡單地模擬運營試驗。

試驗線正線及出入庫線均為高架結(jié)構(gòu)，軌道梁和橋墩均采用鋼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。軌道梁采用開口鋼箱梁，箱梁內(nèi)腔凈高1 100 mm，凈寬780 mm，腹板厚24 mm，頂板厚24 mm，底板厚32 mm；軌道梁橫向布置有環(huán)形的加強筋，加強筋縱向間距為1.6 m，厚度為30 mm；單線橋墩為矩形截面倒“L”形鋼結(jié)構(gòu)，雙線橋墩為“Y”形鋼結(jié)構(gòu)。直線段軌道梁主要采用25 m跨度，曲線段軌道梁主要采用12 m、20 m兩種跨度。

結(jié)合中唐懸掛式單軌試驗線，并通過對多條空鐵線路調(diào)研，發(fā)現(xiàn)懸掛式單軌交通系統(tǒng)大多采用25 m跨度作為簡支梁標(biāo)準(zhǔn)跨度。因此，本文選取跨度為25 m的軌道梁作為研究的目標(biāo)梁型。采用高10.5 m的單線橋墩支撐目標(biāo)軌道梁，橋墩與軌道梁共同組成軌道梁橋體系。懸掛式單軌軌道梁橋及列車結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 軌道梁橋及列車結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)軌道梁橋結(jié)構(gòu)的材料及截面參數(shù)，采用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)模型，利用瞬態(tài)動力分析法模擬制動力的加載-卸載過程，得到了不同制動力作用下軌道梁橋的動力響應(yīng)。軌道梁橋結(jié)構(gòu)體系的約束參數(shù)見表1。表1中，Dx、Dy、Dz分別表示x、y、z軸方向的平移自由度；Rx、Ry、Rz分別表示繞x、y、z軸方向的旋轉(zhuǎn)自由度；0表示放松，1表示約束。

表1 軌道梁橋結(jié)構(gòu)體系的約束參數(shù)

3 動力響應(yīng)計算結(jié)果

列車在制動狀態(tài)下以不同的減速度進入目標(biāo)軌道梁，當(dāng)速度降至0時列車停止在目標(biāo)軌道梁上。將列車軸重及3種類型制動力加載到軌道梁橋結(jié)構(gòu)體系上，計算得到制動過程中軌道梁梁端位移、梁端速度、梁端加速度和墩底剪力。在3種制動力作用下，軌道梁橋結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)最大值見表2。

表2 3種制動力率作用下軌道梁橋的動力響應(yīng)最大值

由表2可知，當(dāng)θ為0.05時，軌道梁橋的梁端位移、速度、加速度及墩底剪力值均不大；當(dāng)θ由0.05上升至0.10時，軌道梁橋的動力響應(yīng)值出現(xiàn)大幅度提升；當(dāng)θ由0.10上升至0.15時，軌道梁橋的動力響應(yīng)值增速逐漸放緩，梁端位移及墩底剪力增幅在35%左右，梁端速度及加速度增幅在16%以內(nèi)。

當(dāng)列車制動完成時，作用在軌道梁上的制動力迅速減小到0，對軌道梁橋產(chǎn)生沖擊并引起結(jié)構(gòu)的縱向振動。軌道梁橋的動力響應(yīng)隨時間變化的規(guī)律能夠反映出沖擊作用對結(jié)構(gòu)的影響。3種類型列車制動力作用過程中及制動完成之后的軌道梁的梁端位移、梁端速度、梁端加速度以及軌道梁橋墩底剪力隨時間的變化曲線見圖4～7。

圖4 軌道梁的梁端位移

圖5 軌道梁的梁端速度

圖6 軌道梁的梁端加速度

由圖4～7可知，列車在軌道梁橋上制動時，梁端位移值和墩底剪力值呈波浪式上升，梁端速度、加速度在0值附近呈正弦式變化；列車制動完成時制動力迅速降為0，對軌道梁造成沖擊，使軌道梁在縱向進行衰減振動，軌道梁橋的梁端位移、速度、加速度及墩底剪力呈規(guī)律性的衰減；隨著制動力率的增加，軌道梁梁端縱向位移、速度、加速度和軌道梁橋墩底剪力隨之增大，列車制動完成后的振幅也隨之增大；制動力率的大小對軌道梁橋的衰減周期不產(chǎn)生影響。

圖7 軌道梁橋墩底剪力

4 結(jié)語

1) 列車在軌道梁上制動會對軌道梁橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，使其產(chǎn)生縱向振動，且制動力越大，振幅亦越大，這對軌道梁橋的疲勞設(shè)計、伸縮縫等附屬設(shè)施的設(shè)計以及列車乘坐舒適性等提出了較高的要求。

2) 目前我國的懸掛式單軌交通列車型號并不統(tǒng)一，且列車編組與軸重均有增大的趨勢，那么隨之而來的則是列車制動力的增大，以及軌道梁振幅的增加。為了減少軌道梁大幅振動帶來的不利影響，可以考慮在軌道梁橋系統(tǒng)中適當(dāng)增加耗能型阻尼器。目前已建成和正在設(shè)計中的懸掛式單軌普遍采用軌道梁簡支、橋墩墩底固結(jié)的方式，還未采用過任何耗能設(shè)備，因此，耗能型阻尼器的具體構(gòu)造及相關(guān)參數(shù)有待進一步研究。