康亞強 郭彥云 李永文 李琪英

摘 要：懸掛式空列立柱在線路使用中會產(chǎn)生整體側(cè)向變形以及懸臂端豎直向下的變形，在設(shè)計中通過選取適當?shù)目刂泣c，就可簡單有效的根據(jù)預(yù)變形量提前為每根立柱設(shè)計添加反變形，使立柱在線路使用中的反變形與預(yù)變形量接近相等達到相互抵消的目的，以滿足線路設(shè)計與運營的要求。

關(guān)鍵詞：預(yù)變形量;立柱;懸掛式空列;反變形

引言：

隨著城市軌道交通在我國的迅速發(fā)展與推廣，各種形式的軌道交通迎來了快速發(fā)展的新時期。跨座式單軌交通、磁懸浮軌道交通、城市地鐵、城市有軌電車，以及懸掛式空列軌道交通等，均在不同范圍內(nèi)獲得了廣闊的發(fā)展空間。懸掛式空列軌道交通相比于其它幾種類型的城市軌道交通發(fā)展應(yīng)用較晚，但其憑借著獨特的結(jié)構(gòu)形式與更加寬廣的視覺享受體驗，受到了各大旅游城市與大型景區(qū)的青睞。

懸掛式空列軌道交通線路一般采用鋼梁與鋼立柱結(jié)構(gòu)形式，立柱按照線路使用特點可分為“倒L”型和“Y”型兩種形式。懸掛式空列在線路結(jié)構(gòu)設(shè)計時，立柱會產(chǎn)生整體側(cè)向變形以及懸臂端豎直向下變形，如果不對立柱的變形進行控制與抵消，就會使與之相連接的軌道梁在每個立柱連接點處產(chǎn)生各不相同的側(cè)向位移和豎向位移，導(dǎo)致軌道實際線路線型和線路的高低起伏，與設(shè)計的線型與起伏變化產(chǎn)生誤差導(dǎo)致線路變形，給線路運營與車輛行走造成影響。因此對懸掛式空列立柱的預(yù)變形量進行研究，對其進行控制并抵消，使實際線路按照設(shè)計起伏變化具有重要的意義。

1懸掛式空列立柱及其預(yù)變形量

如圖1所示某線路設(shè)計簡圖為例，線路由A點起始，經(jīng)B-C1段進入左側(cè)線路可到達終點M點，經(jīng)B-C2段進入右側(cè)線路可到達另一端終點N點，其中B-C段為道岔區(qū)域，實現(xiàn)線路轉(zhuǎn)轍換線。

圖1中A-B段、C1-D1段、E1-N段，以及C2-D2段和E2-N段，線路僅有一條或間距不斷變化的兩條，若用圖2右圖所示的“Y”型立柱同時將兩側(cè)軌道吊起既不方便設(shè)計也由于懸臂過大而不經(jīng)濟，因此線路采用了圖2左圖中所示的“倒L”型結(jié)構(gòu)的立柱形式;D1-E1段與D2-E2段線路間距與線形趨勢相同，一般采用圖2右圖所示的“Y”型立柱同時將兩側(cè)軌道吊起的方式。

圖1 線路簡圖 圖2 倒“L”型立柱與“Y”型立柱

1.1 倒“L”型立柱的受力與變形分析

由于倒“L”型懸掛式空列立柱的使用時均是受到一側(cè)懸臂端向下拉力的作用，立柱柱身部分會產(chǎn)生y向傾斜變形△y，懸臂端會產(chǎn)生下拉變形△z，本文將正常狀態(tài)下立柱的y向傾斜變形量△y與z向下拉變形量△z統(tǒng)稱為立柱的預(yù)變形量。預(yù)變形量△y與△z的大小與立柱各個截面的慣量I、立柱高度h、立柱材料的特性E、引起立柱產(chǎn)生變形的主要載荷F相關(guān);其中引起立柱產(chǎn)生y向傾斜變形△y與下拉變形△z的主要載荷有立柱自重G1、軌道梁自重G2、正常載客狀態(tài)下的車輛載荷G3，因此引起立柱產(chǎn)生變形的主要載荷F=（G1+G2+G3）×g。

1.2 “Y”型立柱的受力與變形分析

與倒“L”型懸掛式空列立柱相同，“Y”型立柱使用中懸臂端受到向下拉力的作用，立柱柱身部分會產(chǎn)生y向傾斜變形△y，懸臂端會產(chǎn)生下拉變形△z。不同的是，“Y”型立柱由于自身結(jié)構(gòu)對稱，兩側(cè)同時承受軌道梁的自重G2，因此引起其產(chǎn)生變形的主要載荷僅是正常載客狀態(tài)下的車輛載荷G3。由于車輛載荷G3一般不會同時施加于“Y”型立柱的兩側(cè)懸臂之上，y向傾斜變形△y方向左右變化，并無有效方法將其進行抵消，因此在“Y”型立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計中僅考慮下拉變形△z。

1.3 立柱預(yù)變形量分析

預(yù)變形量△y與△z的數(shù)值可根據(jù)立柱的實際結(jié)構(gòu)尺寸，通過設(shè)計計算或仿真計算得出。一般而言，一條空列線路上立柱的主要結(jié)構(gòu)部分是均是相同的，不同的是根據(jù)線路地形對立柱高度h進行了調(diào)整。對倒“L”型立柱而言，立柱高度h變化會引起預(yù)變形量△y與△z同時變化，因此需分別對每根立柱按照預(yù)先給定的預(yù)變形量△y與△z，設(shè)計出與其反方向的變形△-y與△-z;而對“Y”型立柱而言，僅需設(shè)計與預(yù)變形量△z反方向的變形△-z。這樣，立柱在使用狀態(tài)下，由載荷引起的立柱變形△y與△z剛好與反方向變形△-y與△-z相互抵消，使與立柱相連接的軌道梁能夠處于線路設(shè)計的位置范圍內(nèi)，且倒“L”型立柱的受力狀態(tài)也會得到改善。

2 預(yù)變形量在倒“L”型立柱結(jié)構(gòu)中的確定及設(shè)計

要在立柱設(shè)計時加入預(yù)變形量，首先需要得到對應(yīng)立柱的預(yù)變形量數(shù)值，一般倒“L”型立柱的預(yù)變形量由圖2中的兩個控制點A、B的變形量來確定，通過在立柱A、B兩點位置處設(shè)計的反向變形來控制立柱整體的位置尺寸，這是倒“L”型立柱相較于“Y”立柱的一大優(yōu)點。

下面以線路中的某一根立柱為例，對其變形控制進行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)與圖2中相同。其中立柱柱身部分為800x800mm矩形結(jié)構(gòu)，兩處結(jié)構(gòu)拐點處設(shè)有內(nèi)隔板，兩處用于懸掛軌道梁的鋼板為70mm，其余主體結(jié)構(gòu)部分鋼板厚度均為28mm。

2.1 預(yù)變形量△y與△z的確定

如下圖3所示，通過NX10軟件對未控制變形的立柱進行三維建模，并取5個觀測點對變形進行測量。加載前將立柱底板進行固定，在軌道梁的懸掛安裝位置加載350000N模擬載荷，并考慮立柱自重G。由圖中立柱變形可知，立柱在受到向下載荷F時，立柱整體產(chǎn)生了向右傾斜變形，同時懸臂端產(chǎn)生較大幅度的下?lián)献冃巍?/p>

由5個觀測點分別得出各點的立柱變形△y1與△z1如表1所示。各點△y值由左向右整體呈增大趨勢，其中點3、點4、點5由于結(jié)構(gòu)彎曲回轉(zhuǎn)原因小于點2;各點△z值依照由左向右所處位置呈減小趨勢，其中點1為正值，說明立柱左側(cè)由于受力產(chǎn)生了拉伸變形，點3、點5處于同一塊鋼板上，因此變形相近。

由于觀測點1的變形△y相較于其它點更加便與測量，取其作為y方向變形控制點;觀測點3處于立柱懸臂端最遠處，其z向變形與點5相近且便于測量，取其作為z方向觀測點。

2.2 反變形量-△y與-△z在立柱中的設(shè)計

如圖4 所示，觀測點1、點5分別對應(yīng)A、B控制點。立柱底板固定不變，將A點以C點為基準旋轉(zhuǎn)距離a=18.758mm，將此時柱身與底板在右側(cè)位置產(chǎn)生距離e=1.6mm補齊至底板，完成對反變形量-△y的添加;且此時AC間距離為原設(shè)計尺寸，便于復(fù)查與檢測。

如圖，再將懸臂段作為整體，將B點以D點為基準，旋轉(zhuǎn)至預(yù)先確定的高度HB+（-△z），完成對反變形量-△z的添加。其中HB為B點加載前的設(shè)計高度，△z=12.882mm，

需要注意的是，在完成變形量-△y的添加后，D點y向與z向的相對位置已經(jīng)發(fā)生變化，不能以D點為基準將懸臂端B點直接旋轉(zhuǎn)偏移△z=12.882mm。

下面，對以A、B作為控制點為倒“L”型立柱添加反變形量-△y與-△z之后的變形，以相同的受力條件進行三維建模與變形分析，如圖5所示。

添加反變形量-△y與-△z之后，5個觀測點的變形△y2與△z2統(tǒng)計如表2所示。

對表1、表2中各觀測點的△y1與△y2、△z1與△z2進行比較可知（見下表3），以點A、B作為控制點，將預(yù)變形量添加至倒“L”型立柱上后，控制點A、B以及其余觀測點處的在y與z方向的變形量與未添加預(yù)變形量的立柱變形量差值可控制在0.12mm以內(nèi)，符合工程實施要求，且方法簡單便于操作。

3 預(yù)變形量在“Y”型立柱結(jié)構(gòu)中的確定及設(shè)計

預(yù)變形量△z的確定與前面倒“L”型立柱預(yù)變形量的確定方法類似，通過軟件建模與仿真即可得出。不同的是，“Y”型立柱在載荷添加時，需要分別在兩懸臂側(cè)添加軌道梁自重載荷G2，然后僅在某一側(cè)加載車輛載荷G3?！癥”型立柱受車輛載荷G3變形時，由于受另一側(cè)軌道梁自重載荷G2的反向平衡作用，其預(yù)變形量△z相對于倒“L”型立柱而言要小很多。

根據(jù)倒“L”型立柱反變形設(shè)計時基準點的選擇與仿真效果，得知在反變形基準點的選擇時并無嚴格的要求，主要考慮設(shè)計與生產(chǎn)施工的便利性。因此在“Y”型立柱的反變形量-△z的添加時，我們對以懸臂斜撐段的角平分線與立柱中心的交點A為基準點，和以懸臂拐點C（分C1、C2點）為基準點進行了分析：兩種方式均可對控制點B進行反變形量-△z的添加，并能滿足線路設(shè)計與使用要求;不同之處在于，以A點為基準點對控制點B添加反變形量-△z時，由于旋轉(zhuǎn)半徑不同，對立柱整個懸臂段在y方向的影響不同，以A點為基準點影響較大一些。因此，“Y”型立柱在設(shè)計添加反變形量-△z時，全線路必須采用統(tǒng)一的基準點，避免混亂。

4 結(jié)束語

本文通過對懸掛式空列倒“L”型立柱、“Y”型立柱預(yù)變形量的分析與變形仿真，針對兩種不同形式的立柱給出了一種將預(yù)變形量提前設(shè)計進去立柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，通過此方法，可將反變形量快速加入到所設(shè)計的立柱中去，使添加預(yù)變形量后的立柱在應(yīng)用中可以較好的滿足線路設(shè)計與使用要求，對同類型立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的參考意義。

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作者簡介：康亞強;（1985-1）;漢;陜西省寶雞市;碩士;高級工程師;研究方向：城市軌道交通結(jié)構(gòu)與機械產(chǎn)品研究與設(shè)計