李浩稻

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁院，湖北 武漢 430063)

1 概述

跨座式單軌交通線是一種占用空間小、環(huán)境噪聲低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)的通勤軌道交通形式，尤其是在地形起伏劇烈、既有建筑和交通線路密集的城市，能夠充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢[1]?？缱絾诬壾囕v轉(zhuǎn)向架跨座在軌道梁上行駛，車輛底部走行輪位于軌道梁面，導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪夾行于軌道梁兩側(cè)，是一種車輛直接騎跨在單根軌道梁上運(yùn)行的特殊軌道交通方式，軌道梁既是列車的導(dǎo)軌，又作為承重梁發(fā)揮一般梁橋的承載作用[2]。因跨座式單軌軌道梁對軌道梁線型要求較高。目前仍以小跨度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝梁(PC梁)作為標(biāo)準(zhǔn)梁廣泛應(yīng)用。但作為一種多服務(wù)于城市通勤的軌道交通形式，PC軌道梁不能滿足高等級道路跨越要求，常局限于交叉路口、蜿蜒河道、既有構(gòu)筑物等復(fù)雜的地段。此外，小跨徑布置導(dǎo)致橋下墩柱密集，切割橋下通透性，橋梁景觀效果較差。

鋼結(jié)構(gòu)軌道梁相比混凝土軌道梁跨越能力更強(qiáng)，并可通過設(shè)置橫向聯(lián)系提高抗扭和抗傾覆能力。既可以用作跨越復(fù)雜地段以減少墩柱，改善景觀效果，還可精確實(shí)現(xiàn)任何曲線形式[2]。對于鋼箱梁，一般采用雙線設(shè)計(jì)，兩片單梁之間通過鋼橫梁連接成為整體，提高了橫向剛度與穩(wěn)定性，同時(shí)增加了其美觀性[3，4]。在小曲線半徑、大跨徑線路節(jié)點(diǎn)處采用鋼軌道梁更具有優(yōu)勢。

本文以某市跨座式單軌交通線上跨度60 m的連續(xù)鋼箱梁橋?yàn)檠芯繉ο?，考慮到連續(xù)鋼箱軌道梁主要用于跨越城市路口等復(fù)雜地段，需適應(yīng)各種小曲線半徑的線路條件，本文著重研究不同曲線半徑下設(shè)計(jì)軌道梁的靜力性能指標(biāo)變化。采用有限元計(jì)算軟件分別建立各種曲線半徑(直線、曲線半徑R=1 000 m，600 m，300 m，200 m，100 m)的軌道梁模型，通過計(jì)算對比分析不同曲線半徑下軌道梁的剛度、應(yīng)力、支座反力等性能指標(biāo)差異。各計(jì)算模型除了曲線半徑的變化外，其余邊界條件和設(shè)計(jì)參數(shù)均相同。

2 軌道梁設(shè)計(jì)概況

設(shè)計(jì)軌道梁為雙線連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)軌道梁，采用雙箱單室結(jié)構(gòu)，單個(gè)箱室均為一個(gè)獨(dú)立的軌道梁，線間距4.6 m，箱室之間通過鋼橫梁連接以提高橫向剛度與穩(wěn)定性，軌道梁截面布置如圖1所示。

軌道梁全長(35+60+35)m。箱梁寬690 mm，邊支點(diǎn)梁高為2.8 m，梁中部為4.0 m。梁底為圓曲線。曲梁曲做，曲線梁根據(jù)線路需求設(shè)置超高。軌道梁內(nèi)橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距1.25 m，橫隔板間頂板處設(shè)置橫肋，增強(qiáng)頂板局部穩(wěn)定性，腹板上設(shè)置縱肋。橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距5 m。橫梁頂距軌道梁頂1 520 mm。橫梁采用工字形截面，橫梁高度根據(jù)軌道梁高進(jìn)行調(diào)整，支座處橫梁采用箱型截面。每兩道橫梁間設(shè)置X形平縱聯(lián)，平聯(lián)采用工字形梁。在軌道梁內(nèi)腹板對應(yīng)處設(shè)置節(jié)點(diǎn)板，軌道梁平面布置如圖2所示。鋼梁采用Q345qD，支座采用鋼軌道梁抗拉支座。

3 計(jì)算荷載

計(jì)算荷載考慮以下幾種荷載：結(jié)構(gòu)自重+二期荷載(包括救援疏散通道自重及通信、信號、電力、接觸軌等四電設(shè)備)；列車活荷載；溫度荷載；橫向搖擺力；風(fēng)荷載。其中列車豎向活載采用龐巴迪單軌車型八節(jié)編組，荷載圖示如圖3所示，超員、定員、空車時(shí)軸重分別為140 kN,123 kN,73 kN，車輛空車和滿車時(shí)重心分別距走行面以上0.727 m和1.068 m。溫度荷載按結(jié)構(gòu)整體升溫40 ℃，整體降溫30 ℃，軌道梁腹板內(nèi)、外側(cè)20 ℃溫差考慮。其余荷載及組合均依照規(guī)范[5，6]中相關(guān)規(guī)定來執(zhí)行。

4 結(jié)果分析

4.1 位移分析

不同曲線半徑的鋼軌道梁在恒載和靜活載下的主梁跨中撓度值見表1。結(jié)果表明，小曲線半徑下，雙線軌道梁的內(nèi)、外側(cè)梁在恒載下的撓度差較大；曲線半徑越小，撓度差越大。恒載下內(nèi)、外側(cè)梁撓度差一定程度上表征了軌道梁的彎扭效應(yīng)；當(dāng)曲線半徑R>300 m，軌道梁的受力接近于直線梁。

表1 不同曲線半徑下軌道梁恒載和靜活載下?lián)隙?mm

鋼軌道梁在靜活載作用下，內(nèi)、外側(cè)撓度差同樣反映了小曲線半徑軌道梁的彎扭效應(yīng)。通過對比分析可知，雙線靜活載下內(nèi)、外側(cè)軌道梁的撓度差主要來自于同跨單線活載的作用效應(yīng)，且曲線外側(cè)軌道梁在同跨單線活載作用下的彎扭效應(yīng)較內(nèi)側(cè)突出，而曲線半徑對內(nèi)、外側(cè)軌道梁在異跨單線活載下的撓度影響甚小。由計(jì)算結(jié)果可知，各設(shè)計(jì)曲線半徑下，軌道梁在靜活載的作用下?lián)峡绫葹?/1 515～1/1 212，均滿足現(xiàn)行規(guī)范[6]要求，設(shè)計(jì)軌道梁具有足夠豎向剛度。

跨座式單軌軌道梁的梁端與梁端間通過安裝指形板進(jìn)行連接，以滿足伸縮要求，而梁端轉(zhuǎn)角對于指形組件具有重要影響。梁端轉(zhuǎn)角過大，使得指形板組件承受較大附加彎矩，造成指形板組件過早破壞。除此之外，還影響軌道平順度及列車行駛的舒適性，嚴(yán)重時(shí)還會導(dǎo)致列車脫離軌道梁，影響行車安全[7]。不同曲線半徑的鋼軌道梁在靜活載下的梁端轉(zhuǎn)角如表2所示。結(jié)果表明，軌道梁曲線半徑越小，內(nèi)、外側(cè)梁端轉(zhuǎn)角差越大，曲線上外側(cè)梁的梁端轉(zhuǎn)角大于內(nèi)側(cè)梁。曲線半徑R>300 m，內(nèi)外側(cè)梁端轉(zhuǎn)角差較小，軌道梁的受力趨近于直線梁。通過對比分析還可知，靜活載下內(nèi)、外側(cè)軌道梁的梁端轉(zhuǎn)角差主要來自于同跨單線活載的作用效應(yīng)，曲線半徑變化對異跨單線活載下的梁端轉(zhuǎn)角影響較小。各設(shè)計(jì)曲線半徑下，設(shè)計(jì)軌道梁在靜活載的作用下梁端轉(zhuǎn)角為0.8‰～1.1‰，均滿足現(xiàn)行規(guī)范[6]要求，表明設(shè)計(jì)軌道梁具有足夠的剛度保證軌道的平順度。

表2 不同曲線半徑下軌道梁的梁端轉(zhuǎn)角 ‰

4.2 應(yīng)力分析

不同曲線半徑下，軌道梁主梁在主力和主力+附加力作用下的正應(yīng)力見表3。結(jié)果表明，曲線半徑越小，主梁正應(yīng)力越大，但曲線半徑對主梁頂、底板的正應(yīng)力影響并不顯著, 主梁抗彎性能仍然受梁高影響較突出。軌道梁翹曲正應(yīng)力最大值均發(fā)生在扭轉(zhuǎn)約束最為突出的中墩支點(diǎn)位置，曲線半徑對翹曲正應(yīng)力的影響主要來自恒、活載以及局部溫差引起的附加扭矩，但總體來看翹曲正應(yīng)力的數(shù)量級較小。

表3 不同曲線半徑下軌道梁主梁正應(yīng)力 MPa

跨座式單軌軌道梁的主梁橋面結(jié)構(gòu)主要由頂板和縱、橫肋組成，鋼軌道梁頂板在列車軸載作用下表現(xiàn)出較明顯的三體系應(yīng)力特性，通過建立梁單元模型，可以計(jì)算得出不設(shè)橫隔板(橫肋)的主梁的第一體系應(yīng)力。采用板殼單元，可以得出主梁各構(gòu)件實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，它是三種應(yīng)力體系的綜合反映。針對于此，分別按設(shè)計(jì)尺寸建立了單線梁的梁單元模型和板殼單元模型，按最不利車輛活載布置計(jì)算主梁體系應(yīng)力結(jié)果如表4所示。根據(jù)體系應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，在主力工況下，設(shè)計(jì)軌道梁的主梁在各種曲線半徑下的頂板應(yīng)力在144.4 MPa～152.4 MPa，主力+附加力的工況下，頂板應(yīng)力在215.4 MPa～227.4 MPa。各設(shè)計(jì)曲線半徑下，設(shè)計(jì)軌道梁主梁應(yīng)力均滿足材料容許應(yīng)力，主梁具有足夠強(qiáng)度。

4.3 支座反力分析

表4 設(shè)計(jì)軌道梁主梁體系應(yīng)力 MPa

各設(shè)計(jì)曲線半徑下，軌道梁在各項(xiàng)荷載作用下的內(nèi)、外側(cè)支反力結(jié)果見表5,表6。結(jié)果表明，曲線半徑對邊墩和中墩的內(nèi)、外側(cè)的支座反力分布影響顯著，邊支座外側(cè)支座反力比內(nèi)側(cè)大，中支座反力內(nèi)側(cè)比外側(cè)大。曲線半徑越小，內(nèi)、外側(cè)支反力差值越大；曲線半徑大于300 m，各項(xiàng)荷載工況下內(nèi)外側(cè)支座反力的分布已接近直線梁；恒載下，曲線半徑對內(nèi)外側(cè)邊支座的支反力分布影響甚微，而對中支座的影響突出，內(nèi)外側(cè)最大支反力差達(dá)到562 kN。活載下，曲線半徑對內(nèi)、外側(cè)支座的支反力分布影響均較明顯，邊支座內(nèi)外側(cè)最大反力差179 kN，中支座內(nèi)外側(cè)最大反力差為534 kN。此外，小曲線半徑下外側(cè)邊支座的拉力可達(dá)到直線梁的1.8倍，與恒載效應(yīng)相當(dāng)，邊支座受拉效應(yīng)突出。

不均勻溫差主要包括主梁頂、底板和腹板的內(nèi)外溫差，兩者對支反力的影響方式不同。曲線半徑越小，頂、底板不均勻溫差引起支座反力越大，曲線半徑100 m時(shí)，頂、底板不均勻溫差引起的中支座反力值約是直線梁的3倍；曲線半徑越小，腹板不均勻溫差引起的內(nèi)、外側(cè)支座反力差值越大，曲線半徑100 m時(shí)，腹板不均勻溫差梁的中支座內(nèi)外側(cè)反力差值最大達(dá)到604 kN，表征出明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。曲線半徑大于300 m，不均勻溫差引起的支座反力接近于直線梁。

表5 不同曲線半徑下邊支座支反力 kN

表6 不同曲線半徑下中支座支反力 kN

5 結(jié)論

本文針對跨座式單軌60 m跨鋼連續(xù)梁的設(shè)計(jì)方案，探究鋼軌道梁橋在不同曲線半徑下靜力性能，主要對位移、應(yīng)力以及支座反力相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了對比分析，可以得出以下結(jié)論：

1)曲線半徑越小，內(nèi)、外側(cè)梁在恒載下的撓度差越大；內(nèi)、外側(cè)梁端轉(zhuǎn)角差值越大，且外側(cè)梁的梁端轉(zhuǎn)角大于內(nèi)側(cè)。不同曲線半徑下，設(shè)計(jì)軌道梁在靜活載的作用下?lián)隙群土憾宿D(zhuǎn)角均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，設(shè)計(jì)軌道梁具有足夠的剛度和軌道平順度。

2)不同曲線半徑下，設(shè)計(jì)軌道梁在各工況最不利荷載作用下的最大應(yīng)力值均小于結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力，能夠保證結(jié)構(gòu)的安全性。

3)線路曲線半徑對設(shè)計(jì)軌道梁的邊墩和中墩的內(nèi)、外側(cè)的支座反力分布和大小影響顯著，小曲線半徑下，外側(cè)主梁在活載下邊支座的拉力可達(dá)直線梁的1.8倍，與恒載支反力相當(dāng)，小曲線梁邊支座受拉效應(yīng)突出。

4)位移、應(yīng)力以及支反力三項(xiàng)指標(biāo)均反映出：曲線半徑小于300 m時(shí)，軌道梁的彎扭效應(yīng)較突出。而曲線半徑大于300 m，軌道梁的受力接近直線梁。設(shè)計(jì)軌道梁對曲線半徑適用能力較好，可為適用于各種復(fù)雜地形的跨座式單軌鋼軌道梁設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)和技術(shù)參考。