代 豐，李忠繼，林紅松，李 周

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2.中建科工集團(tuán)有限公司，深圳 518054)

伴隨城市發(fā)展對(duì)公共交通和綠色交通的依賴，軌道交通已成為城市公共交通體系的重要組成部分，并逐漸形成多種軌道交通制式并存的格局。相較地鐵.輕軌和市域鐵路，懸掛式單軌因其具有占地面積小.工程造價(jià)低.環(huán)境污染小.施工周期短.攀爬能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，既可作為中小型城市的主要交通工具，又可成為大型城市交通運(yùn)輸方式的補(bǔ)充和延伸，更適于作為山地和水域較多地區(qū)的旅游基礎(chǔ)設(shè)施[1-5]。目前，懸掛式單軌已在日本.德國(guó)[6]和美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家城市具有較為成熟的應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)也已在青島.成都和開封等地建設(shè)單軌試驗(yàn)線，以期率先布局懸掛式單軌的商業(yè)運(yùn)營(yíng)規(guī)模。懸掛式單軌主要由軌道橋梁.道岔系統(tǒng).機(jī)車車輛和信號(hào)系統(tǒng)等部分組成，而道岔系統(tǒng)組成復(fù)雜.接口多樣，涉及軌道.橋梁.車輛.限界.供電和信號(hào)等多個(gè)專業(yè)，是懸掛式單軌交通的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，為促進(jìn)懸掛式單軌交通的推廣和發(fā)展，并為滿足單軌交通建設(shè)需求而做好技術(shù)儲(chǔ)備，有必要對(duì)懸掛式單軌道岔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展研究。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于懸掛式單軌的研究主要集中在空間線形[7-10].列車通過性能[11-17]及軌道梁類型[18]等方面，而就懸掛式單軌道岔的研究較少，既有文獻(xiàn)[19-20]也僅從道岔系統(tǒng)設(shè)計(jì)或者理論受力的角度，對(duì)道岔工作原理和梁體受力作簡(jiǎn)要介紹，缺乏從設(shè)計(jì)生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，圍繞懸掛式道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)全過程的綜合設(shè)計(jì)研究。結(jié)合具體實(shí)施的工程項(xiàng)目，從懸掛式單軌道岔的結(jié)構(gòu)類型.設(shè)計(jì)參數(shù).結(jié)構(gòu)方案.接口設(shè)計(jì)幾個(gè)方面，系統(tǒng)分析和總結(jié)了懸掛式單軌道岔結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)方法和要點(diǎn)，旨在為懸掛式單軌道岔系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)和方案優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 道岔結(jié)構(gòu)類型

懸掛式單軌道岔是改變單軌列車行駛方向的關(guān)鍵設(shè)備，是保證懸掛式單軌列車安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)?，F(xiàn)行的懸掛單軌道岔結(jié)構(gòu)方案主要分移動(dòng)式道岔.梯型轍叉道岔以及倒T形轍叉道岔。

移動(dòng)式道岔廣泛用于單軌交通，以道岔梁的整體平移，實(shí)現(xiàn)列車轉(zhuǎn)向的功能。移動(dòng)式道岔對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍動(dòng)力系統(tǒng)要求較高，相應(yīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移動(dòng)部分質(zhì)量大，轉(zhuǎn)轍速度較慢，道岔綜合造價(jià)較高。德國(guó)伍伯塔爾非對(duì)稱式懸掛式單軌采用的移動(dòng)式道岔如圖1所示。

圖1 移動(dòng)式道岔

梯型轍叉道岔的轉(zhuǎn)轍原理類似于鐵路道岔可動(dòng)心軌，通過可動(dòng)軌在箱梁內(nèi)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，引導(dǎo)列車行駛方向，其轉(zhuǎn)轍原理如圖2所示。當(dāng)車體一個(gè)走行輪通過梯型轍叉道岔長(zhǎng)心軌區(qū)域時(shí)，車體將短時(shí)間處于懸空狀態(tài)，依靠導(dǎo)向輪側(cè)向支承提供穩(wěn)定平衡。該型道岔內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，通過長(zhǎng)短心軌協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減小了道岔梁尺寸。德國(guó)多特蒙德工業(yè)大學(xué)校園線采用的梯型轍叉道岔，如圖3所示。

圖2 梯型轍叉道岔轉(zhuǎn)轍原理

圖3 梯型轍叉道岔

倒T形轍叉道岔與梯型轍叉道岔的轉(zhuǎn)轍原理大致相同，較梯型轍叉道岔梁長(zhǎng)度更短，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。日本湘南線懸掛式單軌采用的倒T形轍叉道岔，如圖4所示。倒T形轍叉道岔轉(zhuǎn)轍結(jié)構(gòu)主要由可動(dòng)軌和修正軌組成。倒T形轍叉道岔通過修正軌配合可動(dòng)軌底板，為走行輪提供連續(xù)走行面，使得列車通過道岔的平順性更好。因此，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，建議優(yōu)先選用倒T形轍叉道岔。

圖4 倒T形轍叉道岔

2 道岔設(shè)計(jì)參數(shù)

懸掛式單軌道岔設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括車輛最大軸重.道岔理論長(zhǎng)度.導(dǎo)曲線線型及半徑.道岔轉(zhuǎn)轍角度.道岔直向和側(cè)向最高通過速度以及道岔轉(zhuǎn)轍時(shí)間。確定道岔梁線型是開展懸掛式單軌道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，根據(jù)線路條件和行車需求，分別確定單開道岔和單渡線道岔線型。某懸掛式單軌工程單開和單渡線道岔線型分別如圖5和圖6所示。單開道岔理論長(zhǎng)度(梁縫中心線間距離)20 m，位于一孔梁上，道岔導(dǎo)曲線采用圓曲線線型，曲線半徑為60 m，道岔號(hào)碼為4號(hào)。道岔的最高側(cè)向通過速度為15 km/h，直向與區(qū)間直線通過速度相同。單渡線道岔理論長(zhǎng)度(梁縫中心線間距離)40 m，由兩組單開道岔梁拼接而成，在渡線道岔中部設(shè)置門式橋墩。道岔可動(dòng)件轉(zhuǎn)轍時(shí)間應(yīng)不大于6 s，包含轉(zhuǎn)轍.檢測(cè).鎖閉等總轉(zhuǎn)轍時(shí)間應(yīng)不大于15 s。

圖5 單開道岔線形(單位：mm)

圖6 單渡線道岔線形(單位：mm)

3 道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

懸掛式道岔系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于懸掛式單軌車輛走行部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和轉(zhuǎn)轍要求，設(shè)計(jì)特點(diǎn)包含3個(gè)方面：采用倒T形轍叉道岔，倒T形結(jié)構(gòu)翼緣為走行輪提供走行面，腹板為導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪提供導(dǎo)向和穩(wěn)定面；采用分段式設(shè)計(jì)滿足曲線前段提供導(dǎo)向功能，曲線中段及后段滿足導(dǎo)向和走行支撐的需求；采用補(bǔ)償軌和修正軌分別提供前端.后端走行面的補(bǔ)償和修正，確保走行面軌跡連續(xù)并符合直線.曲線線型要求，且輪胎不懸空，滿足夾鉗制動(dòng)需求。道岔無(wú)附加不平順，無(wú)有害空間，可以確保列車運(yùn)行平穩(wěn)性。

道岔系統(tǒng)主要由道岔梁.可動(dòng)軌.隨動(dòng)軌.補(bǔ)償軌.修正軌.動(dòng)力系統(tǒng).控制系統(tǒng).鎖定裝置等組成，如圖7所示。道岔系統(tǒng)部件與其組成功能如表1所示。當(dāng)列車直向或側(cè)向通過道岔時(shí)，道岔梁與道岔形成的轉(zhuǎn)向架走行空間滿足限界要求。通過車-岔系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析，在空車和重車工況下，列車過岔動(dòng)力響應(yīng)及道岔承受的動(dòng)荷載均未超過標(biāo)準(zhǔn)限值，滿足結(jié)構(gòu)使用要求。

圖7 道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表1 道岔結(jié)構(gòu)組成

4 道岔接口設(shè)計(jì)

懸掛式單軌道岔接口專業(yè)眾多，道岔接口設(shè)計(jì)是道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，應(yīng)重點(diǎn)考慮的接口設(shè)計(jì)主要包括道岔支座反力.供電軌斷開區(qū)間和道岔構(gòu)造加寬，配合橋墩.支座和供電軌接口設(shè)計(jì)，預(yù)留必要的運(yùn)維條件。

4.1 道岔支座反力

4.1.1 計(jì)算模型

作為橋梁專業(yè)設(shè)計(jì)重要的輸入?yún)?shù)，道岔支座反力決定道岔支座選型和橋墩設(shè)計(jì)。鑒于變截面道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，將道岔簡(jiǎn)化為六點(diǎn)簡(jiǎn)支的梁模型，采用Beam189單元模擬，在不考慮轉(zhuǎn)轍位置道岔梁變截面特性的情況下，從岔心位置分出側(cè)股道岔梁模型，支座考慮為與道岔梁相連的剛臂，道岔梁截面屬性按軌道梁截面考慮，由于道岔梁截面面積大于區(qū)間軌道梁截面，抗彎剛度更大，簡(jiǎn)化的計(jì)算模型偏保守，道岔梁計(jì)算模型如圖8所示。懸掛式單軌道岔梁計(jì)算參數(shù)如表2所示。

圖8 道岔梁計(jì)算模型(單位：mm)

表2 道岔梁計(jì)算參數(shù)

4.1.2 荷載工況

對(duì)計(jì)算模型施加的荷載工況分為2種，一種是僅考慮道岔自重，在道岔梁質(zhì)量為80 t，道岔梁直股和側(cè)股長(zhǎng)度合計(jì)估算為30.6 m的情況下，對(duì)道岔梁?jiǎn)卧┘雍奢d集度為26 kN/m的均布荷載以模擬道岔梁自重；另一種是在考慮自重的基礎(chǔ)上，對(duì)道岔梁施加如圖9所示的列車荷載(最大軸重)，集中荷載分別沿道岔梁直股起始端(1號(hào)節(jié)點(diǎn))和道岔梁側(cè)股終端(3號(hào)節(jié)點(diǎn))開始逐一施加在道岔梁上。

圖9 列車荷載作用位置(單位：mm)

4.1.3 計(jì)算結(jié)果

考慮兩種荷載工況的計(jì)算結(jié)果如表3所示。在兩種工況條件下，道岔梁直股起始端支座的支座反力最大，自重條件下的最大支座反力為146.75 kN，自重加列車荷載條件下的最大支座反力為246.64 kN。因此，在靜力計(jì)算條件下，列車對(duì)支座的作用力最大約為100 kN。若考慮動(dòng)力作用的影響，按動(dòng)力系數(shù)為3考慮，列車對(duì)支座的作用力計(jì)300 kN，道岔梁支座類型按300 kN考慮。若區(qū)間軌道梁設(shè)計(jì)支座反力最大達(dá)500 kN，為盡可能滿足全線支座統(tǒng)一采用類型一致的支座，道岔梁支座類型可仍按500 kN考慮。

表3 支座反力計(jì)算結(jié)果 kN

4.2 供電軌斷開區(qū)間

當(dāng)單軌列車采用供電軌供電時(shí)，為滿足道岔梁直股和側(cè)股供電需要，應(yīng)進(jìn)行供電軌布置設(shè)計(jì)，確定供電軌斷開區(qū)間范圍。懸掛式單軌道岔通過可動(dòng)軌轉(zhuǎn)轍實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，可動(dòng)軌為倒T形結(jié)構(gòu)，由立板和底板組成，當(dāng)?shù)啦礞i閉時(shí)，可動(dòng)軌立板與道岔梁腹板貼靠。由于道岔可動(dòng)軌轉(zhuǎn)轍需要貼靠道岔梁左右導(dǎo)向面，道岔梁內(nèi)可動(dòng)軌范圍內(nèi)不應(yīng)設(shè)置安裝在道岔梁內(nèi)側(cè)壁的供電軌，岔區(qū)供電軌斷開區(qū)間由岔心位置.供電軌高度和供電軌與可動(dòng)軌間的電氣間隙決定。某懸掛式單軌工程單開和單渡線道岔供電軌斷開區(qū)間布置分別如圖10和圖11所示。

圖10 單開道岔梁供電軌斷開區(qū)間(單位：mm)

圖11 單渡線道岔梁供電軌斷開區(qū)間(單位：mm)

4.3 道岔構(gòu)造加寬

在不考慮制造工差的前提下，考慮單軌車輛導(dǎo)向輪內(nèi)接時(shí)，轉(zhuǎn)向架中心與線路中心線存在偏移量。為確保單軌車輛懸吊裝置與道岔梁曲線走行面的限界要求，應(yīng)對(duì)曲線內(nèi)側(cè)道岔梁底部構(gòu)造加寬，加寬值根據(jù)導(dǎo)向輪軸距和道岔導(dǎo)曲線半徑確定，由式(1)計(jì)算。

(1)

式中f——理論加寬值；

L——導(dǎo)向輪軸距；

R——導(dǎo)曲線半徑。

道岔梁底部構(gòu)造加寬應(yīng)在直線地段內(nèi)完成線性過渡，過渡段長(zhǎng)度不小于2 m，如圖12所示。

圖12 加寬過渡方案(單位：mm)

5 結(jié)論

本文在對(duì)比既有懸掛式單軌道岔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，研究了懸掛式單軌道岔結(jié)構(gòu)類型和設(shè)計(jì)方案，得到如下結(jié)論。

(1)倒T形轍叉道岔運(yùn)行穩(wěn)定可靠，較移動(dòng)式.梯形轍叉道岔占用空間小.轉(zhuǎn)轍效率高.平順性更好，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，建議優(yōu)先選用倒T形轍叉道岔。

(2)懸掛式單軌道岔設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括車輛最大軸重.道岔理論長(zhǎng)度.導(dǎo)曲線線型及半徑.道岔轉(zhuǎn)轍角度.道岔直向和側(cè)向最高通過速度以及道岔轉(zhuǎn)轍時(shí)間。對(duì)于線間距為5.1 m的單軌工程，導(dǎo)曲線半徑為60 m.道岔理論長(zhǎng)度為20 m的4號(hào)道岔可滿足最高側(cè)向通過速度為15 km/h的單軌線路條件和行車需求。

(3)懸掛式單軌道岔結(jié)構(gòu)采用分段式設(shè)計(jì)滿足曲線前段提供導(dǎo)向功能，曲線中段及后段滿足導(dǎo)向和走行支撐需求，補(bǔ)償軌和修正軌的創(chuàng)新設(shè)計(jì)確保走行面軌跡連續(xù)并滿足直側(cè)向線型要求。道岔無(wú)附加不平順，無(wú)有害空間，可以確保列車運(yùn)行平穩(wěn)。

(4)懸掛式單軌道岔接口設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮與橋墩設(shè)計(jì)相關(guān)的道岔支座反力.與牽引動(dòng)力相關(guān)的供電軌斷開區(qū)間布置及為滿足限界要求的道岔構(gòu)造加寬，配合橋墩.支座和供電軌接口設(shè)計(jì)。