懸掛式單軌軌道梁研究

王 臣 高靜青 鄒永偉

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

懸掛式單軌是一種高架敷設(shè)的輕型單軌制式,列車懸掛于軌道梁下,車輪沿著軌道梁內(nèi)部空間走行,屬于輕型、中小運量軌道交通,較符合二、三線城市應(yīng)用條件[1-3]。懸掛式單軌具有安全、環(huán)保、快捷、造價低、施工周期短、占地少、全天候運行、適應(yīng)性強等優(yōu)點,符合城鎮(zhèn)化建設(shè)需要[4-5]。

1.1 國外研究

懸掛式單軌在國外已有上百年的應(yīng)用歷史,德國和日本擁有較為成熟的懸掛式單軌交通系統(tǒng),并已經(jīng)成功運營了多條線路。

按走行方式不同,德國懸掛式單軌系統(tǒng)可分為非對稱懸掛鋼輪-鋼軌型和對稱懸掛膠輪型兩種。

非對稱懸掛式單軌最早于1901 年在德國伍珀塔爾建成,長13.3 km,最高速度為60 km/h,日客運量8.2 萬人次,年載客量達到2 500 萬,迄今為止已安全運行百年時間。

對稱懸掛式單軌于1984 年在德國多特蒙德建成運營,線路長3 km,最高速度65 km/h,日客運量5 000 人次。2002 年德國建成開通杜塞爾多夫懸掛式單軌線路,線路全長2.5 km,采用無人駕駛,最高速度50 km/h,日客運量1.1 萬人次。

日本于1950 年開始研究懸掛式單軌,在德國膠輪型單軌交通基礎(chǔ)上進行了改進。日本湘南懸掛式單軌開通于1970 年,全長6.6 km,共8 站,日客運量3 萬人次;日本千葉懸掛式單軌2 號線于1988 年建成通車,1999 年懸掛式單軌1 號線建成通車,2 條線路總長度15.2 km,共18 座車站,日客運量在4 萬人次以上。

1.2 國內(nèi)研究

國內(nèi)多家企業(yè)通過“產(chǎn)學研用”合作,共同開展懸掛式單軌交通車輛、道岔、軌道梁和支柱等關(guān)鍵技術(shù)的引進、消化、吸收和自主研發(fā)[6-7],已建立多條試驗線,并有景區(qū)旅游單軌開工建設(shè)。

中車青島四方機車車輛股份有限公司投資建造了廠內(nèi)懸掛式單軌試驗線[8],線路長度890 m。線路最大縱坡60‰,最小曲線半徑50 m。

中唐空鐵集團有限公司,綜合采用動力電池技術(shù),開發(fā)出新能源懸掛式空中軌道交通系統(tǒng),并建造了廠內(nèi)試驗線[9]。線路長度1461 m,全線最小曲線半徑30 m,最大上坡坡度104‰。

國內(nèi)外懸掛式單軌交通的主要技術(shù)參數(shù)見表1。由表1 可知,德國懸掛式單軌以小型運量為主,日本及國內(nèi)以中、大型運量為主;軌道梁與橋墩的連接方式,德國以銷軸連接方式為主,日本及國內(nèi)以支座連接為主。軌道梁截面均采用開口鋼箱的形式,內(nèi)部凈空以滿足車輛轉(zhuǎn)向架的行駛要求為主;標準跨度均為25 m。

表1 國內(nèi)外懸掛式單軌技術(shù)對比

2 主要設(shè)計參數(shù)

(1)正線數(shù)目:單線;

(2)設(shè)計活載:SA2 型車;

(3)設(shè)計速度:80 km/h;

(4)直線曲線:直線;

(5)溫度:最高氣溫取40 ℃,最低氣溫取-40 ℃;

(6)車輛荷載:梁軌式車輛主要有2 類,SA1 型車,軸重≤7.5 t;SA2 型車,軸重≤5.5 t,上述軸重均為超員狀態(tài)。國內(nèi)已建成的試驗線及大部分旅游專用線以SA2 型車為主[10],為更好滿足國內(nèi)相關(guān)項目的需求,本研究設(shè)計活載采用SA2 車型(定員75 人,超員100 人)列車荷載,4 輛編組。荷載圖示見圖1。

3 軌道梁設(shè)計

3.1 跨度及截面尺寸

經(jīng)調(diào)查,國內(nèi)外已建成的懸掛式軌道梁標準跨度以25 m、30 m 為主,國內(nèi)車輛以中小型運量為主,車輛要求軌道梁內(nèi)部凈空需滿足1 200 mm 高度的要求[11-12]。故軌道梁跨度及內(nèi)部凈空要求也采用此標準為基礎(chǔ)開展。軌道梁板厚及加勁肋間距等經(jīng)過多種工況的有限元計算及比較后確定,開口鋼箱方案的軌道梁截面見圖2。

圖2 軌道梁截面(單位:mm)

3.2 軌道梁板厚

以25 m 直線鋼軌道梁為例,研究軌道梁截面不同板厚組合對其剛度及強度的影響,確定軌道梁最優(yōu)截面。

取軌道梁內(nèi)部凈空為1 200 mm(高度),橫向加勁肋間距為1.6 m。

利用專用軟件Midas Civil 進行25 m 跨度鋼軌道梁的板單元模型計算,板厚組合見表2。

表2 軌道梁截面板厚組合

計算結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 豎向撓度比較

圖4 橫向撓度比較

圖5 底板縱肋應(yīng)力及疲勞比較

由計算結(jié)果可知,滿足最小凈空要求的梁高已滿足設(shè)計要求,無需增加梁高。當腹板板厚及橫向加勁肋板厚、間距不變時,隨著底板及底板縱肋板厚的加大,有以下規(guī)律:方案1 用鋼量大且底板縱肋疲勞應(yīng)力超過限值,方案2 與方案3 相比,更節(jié)約鋼材,雖然方案2 主梁橫向位移及底板縱肋應(yīng)力等方面較方案3 略大,但均滿足相關(guān)標準的要求,綜合考慮選用方案2 的板厚作為標準梁的截面。

3.3 軌道梁橫向加勁肋

以25 m 直線鋼軌道梁為例,研究橫向加勁肋間距變化對鋼軌道梁的影響,確定軌道梁合理的加勁肋間距。

利用專用軟件Midas Civil 進行25 m 跨度鋼軌道梁的板單元模型計算,取加勁肋間距分別為1.2 m、1.6 m 及2 m。

圖6 豎向撓度比較

圖7 底部開口位移比較

圖8 橫向撓度比較

圖9 底板縱肋應(yīng)力比較

圖10 底板縱肋疲勞比較

由以上計算結(jié)果可知,隨著加勁肋間距加大,鋼梁豎向剛度變化不大,開口剛度及橫向剛度逐漸較小。

由于底板縱肋橫向支撐位置逐漸加大,底板縱肋應(yīng)力逐漸加大,且疲勞應(yīng)力接近并超過限值。因此,為了控制縱肋疲勞,將縱肋間距定為1.6 m。

3.4 鋼桁梁軌道梁方案

軌道梁除采用開口鋼箱方案外,還可采用半穿式鋼桁梁方案[13](見圖11),轉(zhuǎn)向架在鋼桁梁內(nèi)部行駛。上、下弦桿及豎桿均采用焊接H 型鋼,上平聯(lián)及斜腹桿采用熱軋圓形鋼管。桿件之間采用對接焊縫連接。

圖11 鋼桁梁方案

鋼桁梁方案的主要計算結(jié)果見表3,由表3 可知,兩種方案均滿足設(shè)計要求,相較于鋼箱方案,在相同用鋼量的情況下,鋼桁梁方案具有更好的橫向剛度及相近的豎向剛度。

表3 軌道梁計算結(jié)果對比

鋼桁梁方案焊縫長度及種類較多,不易使用機械化焊接,人工焊接時間較長,焊縫質(zhì)量不易保證,造價較高[14],故推薦采用開口鋼箱方案。

4 軌道梁梁端吊點研究

4.1 吊點設(shè)計

目前,國內(nèi)外所有已建成的懸掛式單軌項目中,簡支梁梁端與鋼墩的連接方式只有兩種,銷軸連接或支座連接[15]。

德國多特蒙德線、杜塞爾多夫線,中唐空軌成都試驗線及北京中建空列集團開封示范線均是采用銷軸連接;日本千葉線、湘南江島線及中車青島四方試驗線均是采用支座連接。

兩種連接方式示意見圖12、圖13。

圖12 銷軸連接(單位:mm)

圖13 支座連接(單位:mm)

4.2 方案比較

(1)銷軸連接

優(yōu)點:適應(yīng)大坡度的線路縱坡,不必再單獨設(shè)置防落梁擋塊,節(jié)省鋼梁及橋墩的用鋼量。

缺點:橋墩沉降引起的線路線形變化不易調(diào)節(jié);所有荷載均通過銷軸傳遞,銷軸不易更換;對安裝精度要求較高,施工工藝復雜。

(2)支座連接

優(yōu)點:牛腿位于梁側(cè)腹板,可增強鋼梁的橫向剛度;可通過調(diào)節(jié)支座高度調(diào)節(jié)線路線型;牛腿與鋼梁端部連接焊縫較長,不易產(chǎn)生應(yīng)力集中,可適用于活載較大的線路。

缺點:造價較高。

5 結(jié)論

通過調(diào)查研究大量國內(nèi)外已建成的懸掛式單軌相關(guān)資料,確定滿足國內(nèi)建設(shè)需求的車輛荷載,并對不同截面類型的軌道梁進行計算分析,得出下列結(jié)論。

(1)確定鋼軌道梁的截面形式及尺寸,截面為開口鋼箱型,板厚為頂板26 mm,底板及底板縱肋為30 mm,腹板及橫向加勁肋為24 mm,橫向加勁肋間距為1.6 m。

(2)鋼桁梁軌道梁方案用鋼量較少,但焊縫長度及種類較多,不易使用機械化焊接,焊縫質(zhì)量不易保證,綜合造價較貴。

(3)提出兩種常用吊點的適用條件,當線路縱坡較大、設(shè)計活載較小、地質(zhì)條件較好時,可采用銷接連接;當線路縱坡較小、設(shè)計活載較大時,可采用支座連接。