（中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721006）

1 研究背景

跨座式單軌交通系統(tǒng)采用高架敷設(shè)、梁軌合一，車輛在走行輪、導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪的作用下跨于軌道梁上方行駛，行駛過(guò)程中會(huì)對(duì)軌道梁橋產(chǎn)生3個(gè)方向的作用荷載（豎向荷載、橫橋向荷載、縱橋向荷載）。支座布置于軌道梁和橋墩（立柱）之間，將二者可靠連接在一起，并將軌道梁所承受的列車荷載進(jìn)行有效傳遞和支撐。為滿足單軌車輛安全、可靠、平穩(wěn)、低噪的行車要求，支座需要較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度，以及耐疲勞、耐磨和防腐性能，因此其材料、工藝、結(jié)構(gòu)等要求比一般橋梁支座的要求都高。

目前，國(guó)內(nèi)的重慶市軌道交通2號(hào)、3號(hào)線，以及國(guó)外的日本、美國(guó)、澳大利亞和韓國(guó)等國(guó)的跨座式單軌交通軌道梁支座均采用鑄鋼拉壓支座。鑄鋼拉壓支座在國(guó)內(nèi)跨座式單軌交通中運(yùn)行了近20年，存在以下不足之處。

（1）上擺和下擺均采用鑄鋼件，鑄造缺陷多，生產(chǎn)工期長(zhǎng)，成本高，且生產(chǎn)過(guò)程污染嚴(yán)重。隨著新型城市軌道交通市場(chǎng)的快速發(fā)展和國(guó)家對(duì)環(huán)保監(jiān)管力度的進(jìn)一步加大，鑄鋼拉壓支座已經(jīng)難以滿足環(huán)保的要求和市場(chǎng)需求。

（2）現(xiàn)有支座技術(shù)中，銷軸和腰形孔的接觸面屬于線接觸型滾動(dòng)摩擦副，主要的構(gòu)件易損壞且不易更換，而且生產(chǎn)成本及后期維護(hù)成本較高。

本文基于中鐵寶橋集團(tuán)有限公司對(duì)重慶跨座式單軌PC梁鑄鋼支座、比亞迪廠內(nèi)試驗(yàn)線PC梁鑄鋼支座的設(shè)計(jì)研發(fā)，參照其研制的某跨座式單軌系統(tǒng)試驗(yàn)線項(xiàng)目焊接支座，采用理論設(shè)計(jì)+有限元的方法進(jìn)行新型支座設(shè)計(jì)，消除了鑄鋼拉壓支座的諸多缺陷。

2 支座構(gòu)造及工作原理

2.1 支座構(gòu)造

如圖1所示，焊接拉壓支座采用鉸軸式結(jié)構(gòu)，由支座上擺、支座下擺、鉸軸、凸輪板組件和基座總成等組成。支座上擺與支座下擺均采用焊接結(jié)構(gòu)，上擺通過(guò)錨固鋼筋預(yù)埋在PC軌道梁上，基座總成預(yù)埋在墩柱蓋梁上，而支座下擺與基座總成通過(guò)錨固螺栓連接、與支座上擺通過(guò)鉸軸連接。支座下擺與基座總成之間設(shè)有凸輪板組件，為圓弧面-平面的線接觸，通過(guò)調(diào)整凸輪板組件下方的調(diào)整墊片，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)支座的橫向坡度。凸輪板組件與基座總成之間設(shè)有調(diào)整墊片，實(shí)現(xiàn)支座的安裝調(diào)高和后續(xù)維護(hù)調(diào)高功能。

圖1 焊接拉壓支座

焊接式拉壓支座根據(jù)結(jié)構(gòu)型式分為固定支座與活動(dòng)支座，其區(qū)別在于鉸軸與支座下擺的連接關(guān)系。支座上擺與鉸軸采用軸孔小間隙配合，支座下擺與鉸軸采用面面接觸，其通過(guò)約束鉸軸與支座下擺的相對(duì)滑移即可實(shí)現(xiàn)固定支座的功能。

2.1.1 支座上擺和下擺

如圖2所示，支座上擺由座板、耳板、加勁板和錨固鋼筋組成，支座下擺由座板、耳板和加勁板組成。座板和耳板采用小間隙公差配合的卯榫結(jié)構(gòu)+焊縫連接形式。

耳板根部加工有臺(tái)階，用于承受支座的壓力。座板與耳板的外側(cè)焊縫為工作焊縫，將支座的拉力轉(zhuǎn)化為焊縫的壓應(yīng)力，可明顯改善焊縫的受力狀態(tài)。座板與耳板的內(nèi)側(cè)焊縫為雙重性焊縫，即焊縫既起連接作用又起傳力作用。在焊縫設(shè)計(jì)時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可不考慮座板與耳板內(nèi)側(cè)焊縫的工作應(yīng)力。

錨固鋼筋與支座上擺結(jié)構(gòu)體通過(guò)焊接連接，澆筑在軌道梁內(nèi)。錨固鋼筋起到支座上擺與軌道梁的連接作用，將軌道梁的荷載傳遞給支座上擺。

圖2 支座上擺和下擺結(jié)構(gòu)

2.1.2 鉸軸、承壓板

如圖3所示，鉸軸和承壓板配套使用，用于支座上擺、下擺的連接。采用滑動(dòng)承壓面接觸，提高接觸承載力，有利于支座的內(nèi)部構(gòu)件受力。

圖3 鉸軸、承壓板安裝

鉸軸、承壓板需采用耐磨耐腐蝕低溫多元共滲處理，使化合物層深為15～20 μm，鉸軸硬度≥HV530，承壓板硬度≥HV580，總滲層深不小于0.3 mm。在多元共滲前，鉸軸調(diào)質(zhì)硬度為HRC29～HRC34，承壓板調(diào)質(zhì)硬度為HRC35～HRC39。

2.1.3 凸輪板組件

凸輪板組件由上、下凸輪板和調(diào)整墊板組成。上、下凸輪板組成一套凸輪板副，配套使用，改善了支座下擺支撐面的受力狀態(tài)。

上、下凸輪板需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理HRC30～HRC35，并采用熱浸鍍鋅處理，鋅膜厚度為80～200 μm。

凸輪板組件用于支座在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的位置和姿態(tài)調(diào)整。上凸輪板在支座下擺制作時(shí)組焊在下擺相應(yīng)部位，并與下擺整體加工。

2.1.4 基座總成

基座總成由基座板組件、錨箱、錨固鋼筋、鍥緊塊、錨固螺栓等組成。基座板組件為組焊件，由基座板、加勁板、抗剪榫組焊而成?；逯胁拷M裝抗剪榫，下端裝有錨固鋼筋。

錨箱為箱形組焊件，墩柱墩臺(tái)施工時(shí)利用安裝支架將錨箱預(yù)埋安裝。錨固螺栓采用可更換方式，螺栓上下端螺母設(shè)計(jì)有防松裝置。支座橫橋向水平的位置調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)整錨固螺栓與基座板之間的橫向位置實(shí)現(xiàn)，而縱橋向水平的位置調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)整支座下擺與基座板總成之間的縱向位置實(shí)現(xiàn)。

2.2 支座工作原理

支座承受著車輛高速運(yùn)行產(chǎn)生的縱橫向荷載、扭轉(zhuǎn)荷載及沖擊荷載等多種荷載組合。支座上、下擺之間通過(guò)鉸軸連接，并利用其間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)滿足軌道梁受力時(shí)梁端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角，活動(dòng)支座的縱向位移通過(guò)鉸軸與安裝在下擺承壓板之間的相對(duì)滑移實(shí)現(xiàn)?？缱杰壍懒汉附永瓑褐ё墓ぷ髟砣缦?。

（1）支座類型轉(zhuǎn)換。鉸軸支撐端兩側(cè)均設(shè)有楔緊塊，其可通過(guò)安裝/拆除楔緊塊實(shí)現(xiàn)固定支座與活動(dòng)支座的轉(zhuǎn)換。

（2）水平縱向滑移?；顒?dòng)支座通過(guò)鉸軸與承壓板構(gòu)成平面摩擦副，實(shí)現(xiàn)支座上擺和下擺間的水平滑移。與鑄鋼拉壓活動(dòng)支座相比，其消除了輥軸的線接觸應(yīng)力。

（3）支座轉(zhuǎn)動(dòng)。支座上擺與鉸軸之間為軸孔間隙配合的柱面轉(zhuǎn)動(dòng)副，鉸軸與下擺之間為柱面固定連接（固定支座）/水平縱向滑移（活動(dòng)支座），其通過(guò)柱面轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)支座的轉(zhuǎn)動(dòng)。較鑄鋼拉壓支座，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力體系明確、可靠性高。

（4）承受豎向拉力。支座上擺和下擺通過(guò)鉸軸連接，支座下擺和基座板通過(guò)錨固螺栓連接，支座的豎向拉力通過(guò)各構(gòu)件依次傳遞到基座總成及橋墩蓋梁上。

3 支座技術(shù)特點(diǎn)及主要指標(biāo)

跨座式單軌交通軌道梁焊接拉壓支座與現(xiàn)有鑄鋼拉壓支座相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）該支座采用整體焊接結(jié)構(gòu)，制造成本可降低30%～50%，制造周期可縮短40%～60%，且制造過(guò)程環(huán)保節(jié)能。

（2）該支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用小間隙公差配合的卯榫結(jié)構(gòu)+焊縫連接形式，可明顯改善焊縫的受力狀態(tài)。

（3）支座鉸軸采用兩端正方形截面、中間圓柱形截面的結(jié)構(gòu)形式。與中間圓柱形截面匹配的支座上擺耳板也采用圓柱形截面，與兩端正方形截面匹配的支座下擺采用矩形截面+承壓板結(jié)構(gòu)，以此傳遞豎向荷載和橫向扭矩產(chǎn)生的拉拔力荷載，從而改變了鉸軸的接觸方式，即由原技術(shù)方案的線接觸變成了面接觸，提高了接觸承載力；受力面無(wú)須采用高強(qiáng)度、高硬度的材料。

（4）通用性強(qiáng)。該支座在力學(xué)指標(biāo)上可實(shí)現(xiàn)直線梁/曲線梁通用，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可實(shí)現(xiàn)固定支座/活動(dòng)支座的快速轉(zhuǎn)換。

（5）適用范圍廣。該支座下部結(jié)構(gòu)為混凝土蓋梁，通過(guò)對(duì)基座總成結(jié)構(gòu)的連接接口設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)支座在鋼立柱或鋼蓋梁上端的安裝；另外，通過(guò)在建筑物上設(shè)計(jì)預(yù)埋件，可實(shí)現(xiàn)支座在橋建合一結(jié)構(gòu)物上的使用。該支座上部結(jié)構(gòu)為混凝土軌道梁，通過(guò)采用螺栓連接副接口設(shè)計(jì)，本支座可適用于鋼軌道梁。

跨座式單軌交通軌道梁焊接拉壓支座的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

4 支座有限元計(jì)算分析

4.1 支座有限元模型

4.1.1 網(wǎng)格模型及零件材料參數(shù)

本文通過(guò)三維建模軟件建立焊接式拉壓活動(dòng)支座整體模型，為準(zhǔn)確計(jì)算支座下部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，建立混凝土模型，并使用有限元軟件對(duì)支座進(jìn)行校核。支座結(jié)構(gòu)傳力體系明確，部分結(jié)構(gòu)可通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值仿真進(jìn)行相互校核?？紤]到支座的實(shí)際受力狀況，對(duì)鉸軸等主要的受力部位網(wǎng)格劃分做了加密處理，模型采用SOLID186六面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)量為502 658個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為633 275個(gè)，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.842 34。網(wǎng)格傾斜率為0.238 73。支座有限元模型如圖4所示。

表1 焊接拉壓支座的主要技術(shù)指標(biāo)

圖4 支座有限元模型

零件材料參數(shù)如表2所示。

表2 零件材料參數(shù)

4.1.2 計(jì)算荷載

根據(jù)支座的實(shí)際工況，錨固螺栓采用預(yù)緊力加載，預(yù)緊力取值為101 kN。支座上擺的上端面加載力和扭矩分別為：豎向荷載1 239 kN，橫向水平力162 kN，橫向扭矩460 kN·m（折合至支座鉸軸中心），荷載及邊界施加如圖 5所示。

圖5 荷載及邊界施加

4.1.3 邊界條件

根據(jù)支座的實(shí)際受力工況，主力、附加力及特殊荷載通過(guò)PC軌道梁傳遞到支座上擺，上擺和下擺通過(guò)鉸軸傳遞，支座下擺再通過(guò)錨固螺栓傳遞給基座板總成，進(jìn)而傳遞到墩柱蓋梁上。HRB400錨固鋼筋為螺紋狀，與混凝土采用綁定接觸。錨固螺栓在施工時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙施加預(yù)緊力矩，按照實(shí)際工況對(duì)錨固螺栓采用預(yù)緊力加載。

在支座下擺連接的混凝土模型上施加位移和轉(zhuǎn)動(dòng)約束，同時(shí)在支座上擺施加橫橋向轉(zhuǎn)動(dòng)約束。根據(jù)支座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將各活動(dòng)構(gòu)件間使用摩擦接觸（摩擦系數(shù)為 0.2）。

4.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

經(jīng)過(guò)有限元軟件分析，得到支座整體及主要構(gòu)件的應(yīng)力分布，如圖6所示。

圖6 支座整體及主要構(gòu)件的應(yīng)力分布云圖（單位：MPa）

（1）由圖6a和圖6b可知，最大應(yīng)力位于鉸軸截面變化圓角位置，最大應(yīng)力為592.51 MPa，小于材料的設(shè)計(jì)容許應(yīng)力。由于鉸軸承受彎矩、剪力共同的作用，截面變化位置存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)材料力學(xué)公式計(jì)算的承壓側(cè)銷軸的最大名義應(yīng)力為267.4 MPa，而有限元計(jì)算應(yīng)力為592.51 MPa，從而得出銷軸集中系數(shù)為592.51/267.4=2.22。查《應(yīng)力集中系數(shù)手冊(cè)》，本結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)為2.25，由此可知，有限元和理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，結(jié)構(gòu)傳力分析結(jié)果可信度較高。

（2）由圖6c可知，上擺的最大應(yīng)力為242.35 MPa，小于材料的設(shè)計(jì)容許應(yīng)力，位于鉸軸孔邊緣。上擺左側(cè)部位承受荷載較大，鉸軸孔邊緣存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其余部分受力均較小。

（3）由圖6d可知，下擺的最大應(yīng)力為161.49 MPa，也小于材料的設(shè)計(jì)容許應(yīng)力，位于下擺與承壓板接觸面內(nèi)側(cè)。此部位受壓力荷載較大，其余部分受力均較小。

4.3 結(jié)構(gòu)剛度分析

經(jīng)過(guò)有限元軟件分析，得到支座整體及構(gòu)件的變形分布。支座變形主要分布于上擺座板、上擺耳板端部、下擺耳板端部。最大變形位于上擺座板處，最大位移值為0.895 mm。從分析結(jié)果可以看出，支座整體及構(gòu)件變形均較小，滿足使用要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)跨座式單軌交通軌道梁焊接拉壓支座的設(shè)計(jì)研究和有限元分析，可得出以下結(jié)論：

（1）基于跨座式單軌交通軌道梁支座的功能需求和傳力特性，提出的焊接拉壓支座方案合理、原理清晰，同時(shí)滿足軌道梁支座的安裝及后期維護(hù)時(shí)豎向高度、水平位置、橫向坡度的調(diào)節(jié)；

（2）通過(guò)理論計(jì)算、有限元模型仿真，對(duì)支座整體和各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行計(jì)算，得出支座整體及各構(gòu)件均滿足使用要求；

（3）焊接拉壓支座克服了鑄鋼拉壓支座的缺陷，具有優(yōu)良的工作性能，制造成本低、周期短、制造過(guò)程環(huán)保節(jié)能，有利于批量生產(chǎn)和市場(chǎng)推廣。