懸掛式單軌大跨連續(xù)梁關(guān)鍵構(gòu)造研究

陳麗莎CHEN Li-sha

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063）

1 概述

懸掛式單軌[1-4]作為一種新型軌道交通制式，具有占地少、對復(fù)雜地形環(huán)境的適應(yīng)能力強、投資少、環(huán)境適應(yīng)性高、觀光性好等優(yōu)點。軌道梁作為懸掛式軌道系統(tǒng)的承載體，起到承載車輛、牽引電網(wǎng)載體和規(guī)定列車行駛路線等作用，這不僅是懸掛式軌道系統(tǒng)的基石，也是該系統(tǒng)有別于其他軌道交通系統(tǒng)的一大技術(shù)特點。大跨徑的懸掛式單軌橋梁，大多采用“梁軌合一”[5]的箱型截面，其既是車輛的承重結(jié)構(gòu)，又是列車運行的軌道，兼有承載、導(dǎo)向和穩(wěn)定車輛的多重功能。

本文針對懸掛式單軌大跨連續(xù)梁的軌道梁截面形式及線間橫向連接等關(guān)鍵構(gòu)造展開研究，旨在為同類型懸掛式單軌連續(xù)梁設(shè)計提供參考。

2 軌道梁截面形式研究

以一孔（30+50+25）m 懸掛式單軌連續(xù)梁為例，為深入分析軌道梁截面形式對連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力情況的影響，利用Midas Civil 2022 軟件建立（30+50+25）m 連續(xù)梁的梁單元有限元模型（圖1）。墩、蓋梁、橫梁與軌道梁均采用梁單元模擬。為了保證結(jié)構(gòu)的安全性、提高行車舒適度，本章重點研究了截面形式對車橋耦合動力特性及結(jié)構(gòu)剛度、應(yīng)力狀態(tài)的影響。

圖1 連續(xù)梁有限元模型

2.1 截面形式對車橋耦合動力特性的影響

為研究截面剛度對車-橋振動響應(yīng)的影響，分別計算時速40km/h、60km/h、80km/h 三種工況下（30+50+25）m 連續(xù)梁采用不同軌道梁截面時的動力響應(yīng)。計算涉及的不同截面見圖2。

圖2 典型截面示意圖

匯總不同截面、不同車輛行駛速度下的連續(xù)梁車輛動力響應(yīng)最大值計算結(jié)果，匯總見表1～表3。

表1 截面一（頂+側(cè)箱截面）車輛動力響應(yīng)最大值計算結(jié)果

表2 截面二（側(cè)箱截面）車輛動力響應(yīng)最大值計算結(jié)果

表3 截面三（頂箱截面）車輛動力響應(yīng)最大值計算結(jié)果

提取在滿足乘車舒適性前提下，不同截面、不同車輛行駛速度下的橋梁振動位移和梁體加速度計算結(jié)果，匯總見表4～表6。

表4 截面一（頂+側(cè)箱截面）振動位移和加速度計算結(jié)果

表5 截面二（側(cè)箱截面）振動位移和加速度計算結(jié)果

表6 截面三（頂箱截面）振動位移和加速度計算結(jié)果

通過考慮三種不同軌道梁截面形式，對懸掛式單軌（30+50+25）m 連續(xù)梁橋進行車橋耦合動力仿真分析，得到如下結(jié)果：

①采用截面二（側(cè)箱截面）時，車輛只有在車速為80km/h 時，1 車的Sperling 平穩(wěn)指標[6]超過了2.5，但小于3.0。車內(nèi)乘客舒適性能達到較為理想的乘坐體驗，達到“優(yōu)秀”的級別。橋梁豎向最大動位移達到27.51mm，為三種截面中橋梁動位移最大。

②采用截面三（頂箱截面）時，車輛以不同時速運行在連續(xù)梁橋上，車內(nèi)乘客舒適性均能達到較為理想的乘坐體驗，達到“優(yōu)秀”的級別。橋梁豎向最大動位移達到20.7mm。

③采用截面一（頂箱+側(cè)箱截面）時，車輛以不同時速運行在連續(xù)梁橋上，車內(nèi)乘客舒適性均能達到較為理想的乘坐體驗，達到“優(yōu)秀”的級別。橋梁豎向最大動位移為17.05mm，為三種截面中橋梁動位移最小。

2.2 截面形式對結(jié)構(gòu)剛度及應(yīng)力狀態(tài)的影響

為研究截面形式對結(jié)構(gòu)剛度及應(yīng)力狀態(tài)的影響，分別計算采用不同軌道梁橫截面的情況下，軌道梁在列車荷載、風荷載、溫度等作用下的剛度指標以及應(yīng)力狀態(tài)，具體情況見表7～表9。

表7 不同截面軌道梁剛度指標對比（一）

表8 不同截面軌道梁剛度指標對比（二）

表9 不同截面軌道梁應(yīng)力指標對比

對不同截面形式下的軌道梁結(jié)構(gòu)剛度及應(yīng)力水平數(shù)據(jù)進行分析，得到結(jié)果如下：

①三種截面形式的軌道梁在車輛荷載作用下的豎向撓跨比及梁端豎向轉(zhuǎn)角均在規(guī)范限值內(nèi)，截面的豎向抗彎剛度滿足要求；在列車荷載、風荷載、溫度、離心力等作用下，三種截面的梁端橫向轉(zhuǎn)角均滿足要求；頂箱+側(cè)箱組合截面在各個剛度指標上均明顯優(yōu)于其他截面。

②三種截面形式的軌道梁應(yīng)力均滿足規(guī)范限值要求；僅設(shè)頂箱或僅設(shè)側(cè)箱截面，二者應(yīng)力差距不大，頂箱+側(cè)箱組合截面軌道梁應(yīng)力極值有明顯降低。

3 橫向連接構(gòu)造研究

以一孔（30+50+25）m 懸掛式單軌連續(xù)梁為例，軌道梁采用左右線連續(xù)梁雙幅布置，線間采用橫梁連接以增強結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性。為了保證結(jié)構(gòu)的安全性、提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，本章重點研究線間橫梁的截面形式及空間分布對結(jié)構(gòu)剛度和應(yīng)力狀態(tài)的影響。

3.1 橫梁截面形式

按三跨連續(xù)梁中跨等間距設(shè)置2 道橫梁、兩邊跨各等間距設(shè)置1 道橫梁考慮（圖3～圖4），橫梁截面分別采用如圖5 所示工字型截面與閉口箱型截面進行比選研究。箱型截面為寬864mm、高550mm 的單箱單室矩形截面，頂、底板厚20mm，腹板厚24mm；工字型截面頂、底板厚20mm，腹板厚24mm，高度為550mm，頂、底板寬度為600mm。

圖3 邊跨橫梁布置形式

圖4 中跨橫梁布置形式

圖5 閉口箱型橫梁截面（左）與工字型橫梁截面（右）（單位：mm）

采用Midas Civil 2022 軟件建立（30+50+25）m 連續(xù)梁的梁單元有限元模型（圖6），對采用不同截面型式的雙線軌道梁進行計算，各項指標對比結(jié)果見表10～表11。

表10 橫梁工字型截面與閉口箱型截面剛度指標對比

表11 橫梁工字型截面與閉口箱型截面應(yīng)力指標對比

圖6 Midas 模型（閉口箱型橫梁截面與工字型橫梁截面）

計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)分別采用工字型橫梁與閉口箱型橫梁截面時，活載作用下軌道梁的豎向撓度以及主力作用下的應(yīng)力相差不大，但就橫向整體剛度而言，閉口箱型截面的橫向撓跨比相對較小，箱型截面優(yōu)于工字型截面。此外，當采用閉口箱型截面時，主力作用下橫梁應(yīng)力為61.1MPa，較工字型截面橫梁應(yīng)力80.5MPa 降低約30%。因此，研究推薦線間橫梁采用閉口箱型截面。

3.2 橫梁分布個數(shù)

為進一步探明閉口箱型截面橫梁的跨間分布個數(shù)對結(jié)構(gòu)橫向剛度及應(yīng)力狀態(tài)的影響，分別考慮在（30+50+25）m 連續(xù)梁中跨等間距設(shè)置1～3 道橫梁，計算結(jié)果對比見表12～表13。

表12 橫梁分布個數(shù)對結(jié)構(gòu)剛度的影響

表13 橫梁分布個數(shù)對結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平的影響

上述結(jié)果表明，當結(jié)構(gòu)中跨分別設(shè)置1～3 道閉口箱型截面橫梁時，結(jié)構(gòu)的橫向剛度分別為11020.5kN/m、12645.4kN/m 以及13939.2kN/m，結(jié)構(gòu)橫向剛度隨著橫梁數(shù)目的增加而增大。主力作用下軌道梁的應(yīng)力分別是-112.7～121.1MPa、-103.5～113.2MPa 以 及-111.6～119.0MPa，就整體而言，主梁應(yīng)力、豎向撓度以及梁端豎向折角與橫梁數(shù)目之間的相關(guān)性較弱。

4 結(jié)論與建議

本文通過對懸掛式單軌（30+50+25）m大跨連續(xù)梁進行研究，從結(jié)構(gòu)剛度、應(yīng)力水平、車橋耦合動力特性等角度對比分析了軌道梁截面型式、軌道梁線間橫向連接構(gòu)造等對橋梁受力及運營的影響，得到主要結(jié)論及建議如下：

①總體而言，頂箱+側(cè)箱組合截面結(jié)合了頂箱截面與側(cè)箱截面的共同優(yōu)勢，車內(nèi)乘客舒適性能達到較為理想的乘坐體驗，在車輛橫、豎向平穩(wěn)性上均表現(xiàn)優(yōu)異，達到優(yōu)秀品級。

②頂箱+側(cè)箱組合截面在各種剛度指標上均明顯優(yōu)于其他兩種截面，體現(xiàn)出良好的抗彎、抗扭性能。

③軌道梁截面同時設(shè)置封閉頂箱和封閉側(cè)箱后，其應(yīng)力水平有明顯降低，但同時也意味著需要更多的用鋼量。在設(shè)計懸掛式單軌大跨連續(xù)梁、尤其是線路位于曲線上時，建議軌道梁采用頂箱+側(cè)箱組合截面，結(jié)構(gòu)的力學性能會更優(yōu)。

④橫梁采用閉口箱型截面時結(jié)構(gòu)的橫向整體剛度優(yōu)于工字型截面，豎向撓度以及軌道梁應(yīng)力相差不大；推薦采用閉口箱型橫梁。

⑤結(jié)構(gòu)橫向剛度隨著橫梁數(shù)目的增加而增加，建議軌道梁跨中橫梁數(shù)目以及空間分布方案的擬定應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟性與安全性。