徐 亮

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015)

1 概述

懸掛式單軌交通系統(tǒng)又稱空中列車，是一種全新的軌道交通模式。該軌道梁橋結(jié)構(gòu)主要包括軌道梁、橋墩、承臺及基礎(chǔ)以及連接件等。其中軌道梁、橋墩及連接件一般均采用鋼結(jié)構(gòu)，承臺采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)。

懸掛式軌道交通作為一種輕型、中運(yùn)速、中運(yùn)量的新型公共交通方式，能夠與常規(guī)地面公共交通、軌道交通等交通方式有效實(shí)現(xiàn)在空間上的空中、地面與地下的互補(bǔ)和完善。同時(shí)該交通系統(tǒng)的列車運(yùn)行軌道處于半封閉軌道梁內(nèi)，所以不受地面交通以及惡劣天氣的影響，當(dāng)遇到擁堵、暴雨、大雪、下霧、冰凍及路面積水等環(huán)境時(shí)，仍可以正常運(yùn)行；其次其結(jié)構(gòu)簡單，工廠預(yù)制模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，現(xiàn)場快速吊裝拼接，施工周期短，施工時(shí)對地面交通影響小，同時(shí)其可拆卸、可移動(dòng)、可重復(fù)利用，有效降低資源浪費(fèi)；其造型美觀，乘車環(huán)境敞亮舒適，通過亮化能有效融合和提升周圍環(huán)境；另外其采用空中運(yùn)行模式，其軌道梁與橋墩結(jié)構(gòu)占用空間較小，能有效節(jié)約拆遷費(fèi)用；同時(shí)其可根據(jù)交通量的增長變化，調(diào)整列車的編組數(shù)量，后期調(diào)整適應(yīng)性強(qiáng)。

懸掛式單軌交通系統(tǒng)能與旅游景區(qū)環(huán)境更好地融合，在寧夏中衛(wèi)市沙坡頭旅游觀光設(shè)施工程項(xiàng)目中最終決定采用該結(jié)構(gòu)形式作為設(shè)計(jì)方案，方案效果圖如圖1所示。通過對標(biāo)準(zhǔn)跨徑L=25m軌道梁進(jìn)行設(shè)計(jì)及計(jì)算，總結(jié)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)，以便指導(dǎo)將來軌道梁的設(shè)計(jì)與施工。

圖1 沙坡頭旅游景區(qū)懸掛式軌道梁方案效果圖

2 軌道梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

寧夏中衛(wèi)市沙坡頭旅游觀光設(shè)施工程項(xiàng)目采用環(huán)線軌道梁交通系統(tǒng)，環(huán)線總長度約11.9km，采用平行雙線設(shè)計(jì)，雙線軌道梁橫向間距5.5m。軌道梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑為25m，結(jié)構(gòu)形式均為簡支梁結(jié)構(gòu)。軌道梁為底部開口的箱形截面梁，內(nèi)部凈寬780mm，凈高1250mm，底板開口寬度為210mm。

軌道梁結(jié)構(gòu)均采用Q345qE鋼材?；景搴裨O(shè)置情況如下：直線梁腹板厚24mm，頂板厚24mm，底板厚32mm；底板設(shè)置縱向加勁肋，厚度為32mm，高度為90mm；軌道梁橫向設(shè)置環(huán)形加勁肋，縱向間距為1.6m，厚度為32mm，高度為170mm。跨徑L=25m軌道梁橫斷面如圖2所示。

圖2 軌道梁橫斷面圖

3 軌道梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

利用MIDAS Civil 2019有限元軟件建立軌道梁模型進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對軌道梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及預(yù)拱度、梁端豎向轉(zhuǎn)角及梁端水平折角、穩(wěn)定性、抗疲勞、連接件局部驗(yàn)算等進(jìn)行計(jì)算。

3.1 軌道梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1設(shè)計(jì)荷載

(1)恒載

①自重：鋼材的容重為78.5kN/m3。

②二期恒載：軌道梁內(nèi)部及外部管線自重按機(jī)車、通信、信號等專業(yè)提供資料取用，取1.5 kN/m計(jì)算。

(2)活載

①列車豎向靜活載：本項(xiàng)目列車采用三節(jié)列車一編組，前后軸距離如圖3所示。超員時(shí)車輛軸重P取5.5t，定員時(shí)車輛軸重P取5.0t，空車時(shí)車輛軸重P取4.125t。線路左、右線按照超員狀態(tài)計(jì)算；考慮疲勞和地震力影響時(shí)，按照定員狀態(tài)計(jì)算；考慮車擋影響時(shí)，按照空車狀態(tài)計(jì)算。

圖3 車輛軸重分布圖示(單位：cm)

(3)離心力

根據(jù)《懸掛式單軌交通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，位于曲線上的軌道梁橋應(yīng)考慮列車離心力，大小等于列車靜活載乘以離心力率C，C值按下式計(jì)算：

式中：V—列車通過曲線段的最大速度(km/h)。

經(jīng)計(jì)算單墩所承受最大離心力：F離心力=29.74kN。

(4)橫向搖擺力

根據(jù)《懸掛式單軌交通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，列車橫向搖擺力荷載宜按列車設(shè)計(jì)荷載單軸重的25%計(jì)，一列車以一個(gè)水平集中荷載，在軌道梁車輛走行面位置以水平集中力的形式作用于線路法線方向，作用于最不利位置。

經(jīng)計(jì)算橫向搖擺力：F搖擺力=0.25×5.5×10=13.75kN。

(5)附加力

①制動(dòng)力或牽引力

根據(jù)《懸掛式單軌交通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第7.3.10條，按列車豎向靜荷載的15%計(jì)算。

②風(fēng)力

橋上有車時(shí)，軌道梁風(fēng)荷載按照標(biāo)準(zhǔn)值的80%取值。軌道梁設(shè)計(jì)按單線計(jì)算軌道梁和列車的風(fēng)荷載。

③溫度荷載

3.1.2荷載工況組合

參照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.1條，工況組合的原則考慮為最不利效應(yīng)疊加；按照《懸掛式單軌交通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第7.3.3條根據(jù)不同荷載組合，材料基本容許應(yīng)力可乘以不同的提高系數(shù)；其中只有彎梁進(jìn)行離心力的組合，直梁不進(jìn)行離心力的組合，具體荷載工況如下：

(1)恒載組合

組合1(提高系數(shù)取1.0)：自重+二期恒載

(2)主力組合

組合2(提高系數(shù)取1.0)：組合1+列車豎向靜活載+列車豎向動(dòng)力作用+搖擺力(或離心力)

(3)主力+附加力組合(僅考慮主力與一個(gè)方向的附加力組合)

組合3(提高系數(shù)取1.15)：組合2+溫度作用+風(fēng)荷載

組合4(提高系數(shù)取1.20)：組合2+溫度作用+制動(dòng)力或牽引力

(4)疲勞荷載組合

組合5(提高系數(shù)取1.0)：組合1+列車疲勞活載+列車豎向動(dòng)力作用+搖擺力(或離心力)

3.2 建立空間模型

軌道梁利用MIDAS Civil 2019有限元軟件建立空間板單元和梁單元兩種計(jì)算模型，進(jìn)行各個(gè)工況下的模擬分析，得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。其中以空間板單元計(jì)算模型為主，而梁單元計(jì)算模型主要提取梁體豎向位移與梁端轉(zhuǎn)角結(jié)果同時(shí)對空間板單元計(jì)算模型進(jìn)行比較印證，計(jì)算模型詳見圖4與圖5。

圖4 L=25m跨直線軌道梁板單元計(jì)算模型

圖5 L=25m跨直線軌道梁梁單元計(jì)算模型

3.3 軌道梁強(qiáng)度計(jì)算及結(jié)果

按照容許應(yīng)力法在荷載組合3：主力+橫向最大附加力作用下，軌道梁橋最大拉應(yīng)力值σ=149.9MPa<[σ]×1.15=241.5MPa，最大壓應(yīng)力值σ=-123.8MPa<[σ]×1.15=241.5MPa，最大剪應(yīng)力值τ=63.5MPa<[τ]×1.15=138MPa，均滿足規(guī)范要求。軌道梁正應(yīng)力及剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖6～圖8，應(yīng)力值均滿足規(guī)范要求。

圖6 板單元模型：組合3(主力+橫向附加力作用)作用下板單元最大拉應(yīng)力云圖

圖7 板單元模型：組合3(主力+橫向附加力作用)作用下板單元最大壓應(yīng)力云圖

圖8 板單元模型：組合3(主力+橫向附加力作用)作用下板單元最大剪應(yīng)力云圖

3.4 軌道梁剛度及預(yù)拱度計(jì)算及結(jié)果

根據(jù)《懸掛式單軌交通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，簡支軌道梁在靜活載作用下豎向變形容許值應(yīng)滿足撓度

根據(jù)Midas civil梁單元模型，提取出對應(yīng)不同荷載的結(jié)構(gòu)豎向位移、梁端轉(zhuǎn)角，詳見圖9～圖11及表1。在靜活載作用下，軌道梁豎向撓度值、梁端豎向轉(zhuǎn)角均滿足規(guī)范要求。

圖9 梁單元模型：恒載作用下豎向位移值(mm)

圖10 梁單元模型：靜活載作用下豎向位移值(mm)

圖11 梁單元模型：靜活載作用下梁端豎向轉(zhuǎn)角(rad)

表1 位移計(jì)算結(jié)果匯總

3.5 疲勞計(jì)算及結(jié)果

疲勞計(jì)算根據(jù)恒載+定員列車活載以及橫向搖擺力(或離心力)的作用，計(jì)算結(jié)果見表2，經(jīng)計(jì)算，γdγn(σmax-σmin)<γt[σ0]，滿足應(yīng)力要求。

表2 疲勞應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總

上述為懸掛式軌道交通系統(tǒng)中軌道梁整體計(jì)算的基本過程，對于軌道梁中車橋耦合計(jì)算、車擋計(jì)算、軌道梁銷軸與橋墩連接吊板驗(yàn)算及鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算等，以及鋼橋墩計(jì)算、鋼橋墩與承臺之間錨栓連接、軌道梁施工等設(shè)計(jì)，限于篇幅，不再贅述。

4 結(jié)論及展望

至今懸掛式軌道交通的工程應(yīng)用在國內(nèi)仍屬研究探索階段，由于其本身的優(yōu)點(diǎn)在觀光旅游景區(qū)、碼頭貨物自動(dòng)化運(yùn)輸、大型博覽會(huì)[1]等交通運(yùn)輸領(lǐng)域擁有極好的實(shí)施和發(fā)展的潛力與空間。同時(shí)懸掛式軌道交通結(jié)構(gòu)簡單，外形簡潔流暢美觀，乘車敞亮舒適，必將成為城市中一道美麗的風(fēng)景線。