軌建合一新型軌道交通拉壓支座的設計研究

牛均寬

(中鐵寶橋集團有限公司，陜西寶雞　721006)

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軌建合一新型軌道交通拉壓支座的設計研究

牛均寬

(中鐵寶橋集團有限公司，陜西寶雞721006)

摘要:通過對北斗星城觀光線軌道支座的設計邊界、使用要求和安裝特點進行分析研究，介紹一種線路軌道修建于建筑樓體上軌建合一新型軌道交通拉壓支座的研究設計，結合線路獨特的結構特點制定支座設計應考慮的基本原則，其中就支座的降振減噪、自適應性重點對支撐組件、滑移轉動副、緊固裝置進行詳細闡述。經過使用過程中實際檢測驗證，該支座為在軌建合一的軌道系統中首次成功應用，其理念和方法為軌道交通的縱向發展和橫向拓展提供一些啟示。

關鍵詞:新型軌道交通; CBD商業區;軌建合一;拉壓支座

1　概述

北斗星城觀光線是我國國內目前首條建于建筑樓體上的觀光軌道交通線路［1］，其功能集旅游觀光、短途接駁服務于一體，實現CBD商業區內住宅小區、商業和辦公建筑等不同功能區間客流的運輸銜接，其工程創意突破了常規的同類產品功能模式，強調提升項目的日常使用功能，著力發揮衍生功能和帶動效應，其嶄新體驗方式，具有較強的感召力和吸引力。觀光線設計規劃［2］效果圖見圖1。

圖1　觀光線設計規劃效果圖

此觀光軌道線起始于CBD商業區北端，穿梭修建于CBD商業區建筑群的二樓樓頂面，橫跨鐵路專用線終止于主城區廣播電視塔，線路呈閉合環形扁條狀，全長5.6 km。目前已完成CBD商業區內2.5 km線路的建造。4節車輛定員52人，最大載重240 kN，車輛最大運行速度30 km/h，持續運行速度25 km/h。軌道線路雙線并行區段線間距最小為2.75 m，平曲線最小半徑25 m，線路最大縱坡不超過3‰，觀光線線路平面布局見圖2，線路軌道支座除7個設置于獨立立柱上外其余全部設置在建筑物9 m×11 m的柱網上，軌道梁梁跨設計考慮線路周邊規劃布局和總體建筑物柱網的尺寸布局要求，對數種梁跨設計方案，采用有限元結構內力影響線法、包絡值法進行了反復比對，最終確定了同一建筑物樓頂和北端頭燈泡線采用連續梁、跨相鄰樓宇采用簡支梁的總體設計方案。由于線路要修建在CBD商業區一樓商鋪樓頂、二樓步行商業街旁，直接連接軌道與樓體的線路支座合理設計就顯得尤為關鍵［3］，一方面保證支座與連接軌道、樓體柱網合理可靠聯接，另一方面必須盡量減少振動降低噪聲。

圖2　觀光線線路平面布局

2　支座設計邊界計算

2.1荷載組合

北斗星城觀光線制式為跨座式，由于本項目構造尚屬首例，目前尚無系統、成熟的設計規范可供使用。因此在設計中結合工程實際分別依照《游樂設施安全規范》(GB8408—2008)［4，5］和《跨座式單軌交通設計規范》(GB50458—2008)［6］進行了荷載計算，荷載組合見表1、表2。

表1　依據《游樂設施安全規范》(GB8408—2008)進行計算的荷載組合

表2　依據《跨座式單軌交通設計規范》(GB50458—2008)進行計算的載荷組合

2.2支座設計邊界計算

本項目使用MIDAS CIVIL軟件對軌道梁按梁單元進行建模，并對軌道梁［7］按照上述兩種體系11種荷載組合進行車輛移動荷載作用下影響線法分析計算，得出線路軌道每處支座沿X、Y、Z三個方向反力Fx、Fy、Fz和繞3個方向反力矩Mx、My、Mz，并對軌道梁在各組合包絡作用下的計算分析得到軌道梁在每一支座處繞三個方向剛度變形引起的最大轉角θx、θy、θz，以上三個方面的計算結果即為支座設計邊界。

3　支座結構設計

基于此線路獨特的結構特點，對于支座設計考慮了如下原則:①支座各個部(組)件應功能明確盡可能單一，并發揮其組成主要材料的最佳使用性能;②具有良好的安全可靠性、技術經濟指標和運營性能高、造價低;③需充分考慮支座和建筑物的連接形式及安裝精度;④須綜合考慮景觀要求，最大限度減小支座外輪廓尺寸，結構通透、輕巧。

通過此線路的整體受力體系計算，常用的搖軸支座、輥軸支座、板式橡膠支座、盆式橡膠支座、球型支座、鉛芯橡膠支座，因連接關系、外形尺寸、支座承載拉壓功能分配比例等方面均不能直接滿足此線路軌道需求。因此需特殊設計一種新型拉壓支座，既能承受較大的豎向壓力和豎向拉力，又能實現一定程度的自由滑動和轉動，可以有效地釋放軌道梁自身產生的溫度應力和基礎的不均勻沉降，且具足夠的降振減噪功效。

3.1支座設計的結構形式

依據觀光線工程的線路設計、軌道梁分段、各支承點反力及下部樓體柱網結構，分別設計了不同型式的支座。典型支座結構形式見圖3，其結構形式為:預埋板下表面焊接有保證與混凝土足夠握裹力的螺紋鋼筋定位后與樓體柱網同時澆筑，作為支座安裝的基礎。支座底板通過配加工作為支座安裝高度、不平度的調整板，上表面縱橫方向設置4個測控基準點，精確測位后與預埋板焊接［8］，兩側支撐塊、壓板采用扣壓螺栓與支座底板連接，扣壓螺栓之間用防轉片聯接以起到防松的效果，通過壓板壓在與軌道梁栓接的橫梁兩端，作為抵抗軌道梁傳遞給支座的等效拉力，其中橫梁僅為滿足樓體與線路設計豎曲線高程設計，根據需要也可直接扣壓于軌道梁下蓋板，支撐組件使用限位擋條上下分別焊接在橫梁下表面和支座底板上表面，作為支座縱橫方面滑移限位擋塊。

圖3　典型支座結構形式

3.2支撐組件

支撐組件由非標設計、支座專業廠家制造的盆式橡膠支座［9］或球形鋼支座構成。兩者在滿足承載豎向荷載的基礎上，盆式橡膠支座利用被半封閉在鋼制盆腔內的彈性橡膠體在受力狀態下具有流體性質的特點，實現上部結構的轉動;依靠中間鋼板上的聚四氟乙烯板與上座板上的不銹鋼板之間的低摩擦系數來實現上部結構的水平位移。球型鋼支座通過球面板和球面四氟板之間的滑動實現轉動;通過上支座板與平面聚四乙氟板之間實現相對平面滑動。兩種支座根據線路運營狀態下模擬計算轉角和平面移動量大小組合使用了單向活動支座和固定支座。球形鋼支座僅用在為保證軌道過車平順的兩段梁接縫支座位，其余部位均采用盆式橡膠支座，以最大限度減輕軌道過車時對樓體的振動和直接沖擊。

圖4　滑移轉動副

3.3滑移轉動副與緊固裝置

為了保證支座與軌道梁一定約束狀態下的相對滑移和轉動適應性［10］，設計了如圖4的滑移轉動副，使用承壓和滑動性能良好的高力黃銅承壓板分別鑲嵌在支撐塊內側和壓板下表面，1Cr18Ni9鋼制作的滑板通過壓緊沉頭螺釘固定在橫梁或軌道梁下蓋板兩側上沿，實現壓板與軌道梁之間的相對滑動;承壓板采用小面積接觸型式，且壓板承壓板與滑條之間留有0.2 mm的設計間隙，實現壓板與軌道梁之間的自適應轉動。

為了保證支座兩端壓緊裝置的可靠性，建立了如圖5所示的壓緊機構計算模型，其中Fc為每個螺栓的軸向荷載，通過整體受力分析計算出每個壓板所能抗拉力F。借此依據各支點處軌道梁傳遞給支座的支反力計算結果，按照最大包絡原則依次將各支點在不同荷載組合下的最大正壓力和最大翻轉力矩折算為支座的抗拉力，通過全線路支座計算歸納，歸類標準化為支撐組件支距分別為0.55、0.85、1.15 m的Ⅰ型拉壓支座、Ⅱ型拉壓支座、Ⅲ型拉壓支座。線路軌道各支點部位支座形式可根據連接結構和受力大小自由組合或單獨使用。

圖5　壓緊機構計算模型(單位:mm)

另外，為保證扣壓螺栓對于支座整體連接強度，一方面提高螺栓的等級性能為10.9級，另一方面設計了如圖6所示的預埋錐形螺母嵌套結構，依據構造需求將材質為30CrMnSi的滿足自鎖角為14°的錐形螺母套嵌套于加工有錐形孔的支座底板上，上下各預留有1 mm的裝配間距，防止裝配干涉。

圖6　預埋錐形螺母嵌套結構

4　結語

在以上支座的設計研究的基礎上，順利完成了北斗星城觀光線支座的制造、安裝和調試。在試運營和截止目前一年多的正式運營過程中，通過對車輛通過時支座關鍵部位應力應變、振動頻率、線路軌道整體對于建筑樓體的振動［11］等項目的跟蹤測試驗證，車輛經過時軌道噪聲測試結果不大于65 dB，支座的實際應用完全滿足安裝調試［12］X、Y、Z三個方向0.5 mm精度和軌道對于支座在一定約束狀態下由于整體溫升、溫度梯度、過車荷載變形的適應性使用要求，與周圍建筑和環境和諧統一，達到了軌道交通服務、提高商業區功能需求的設計理念。此設計為類似軌道交通的建設提供了工程經驗，其理念為其他新型制式城軌交通系統適應性開發和推廣應用必將產生較大影響。

參考文獻:

［1］周世驚.城市軌道交通車站周圍土地合理開發強度研究［D］.北京:北京交通大學，2012.

［2］魏運，許雙牛，馮愛軍.我國城市軌道交通規劃問題與方法探討［J］.都市快軌交通，2011，23(6):44-47.

［3］中華人民共和國建設部.GB50017—2003鋼結構設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［4］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 8408—2008游樂設施安全規范［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［5］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 18166—2008架空游覽車類游藝機通用技術條件［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［6］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50458—2008跨座式單軌交通設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［7］楊飛，萬鵬愷.曲線橋梁設計的方法［J］.江西建材，2011 (3):169-170.

［8］《焊接手冊》編寫組.焊接手冊［M］.2版.北京:機械工業出版社，2005.

［9］趙衡平.跨座式單軌交通軌道梁承拉盆式橡膠支座［J］.都市快軌交通，2006(6):61-65.

［10］《機械設計手冊》編委會.機械設計手冊［M］.3版.北京:機械工業出版社，2005.

［11］郭文華.劉海濤.跨座式輕軌車與連續軌道梁空間振動分析［J］.振動與沖擊，2009，28(7):139-142.

［12］賽鐵兵.跨座式單軌PC軌道梁線形調整施工技術［J］.鐵道標準設計，2007(1):40-42.

Design and Research of Tensile-Compressive Support for New Urban Rail Transit Combined with Building

NIU Jun-kuan
(China Railway Baoji Bridge Group Co.，Ltd.，Baoji，Shaanxi 721006，China)

Abstract:Through analyzing the design boundary，usage requirements and installation features of the support for Tongling Dipper City Monorail，the design of tensile-compressive support for new urban rail transit combined with building is introduced.With reference to the unique track structural features，basic principles employed for the support design are established.This paper addresses support components，the rotational slip part and the fastening device with respect to vibration noise reduction and adaptability of the support.After practical validation，this support is successfully applied in the first time to the integrated system of track and building，which provides enlightenment to the full development of rail transit.

Key words:New urban rail transit; Central Business District; Combination of track and building; Tensile-compressive support

作者簡介:牛均寬(1971—)，男，高級工程師，1996年畢業于北京理工大學機械設計與制造專業，工學學士，E-mail:niujunkuan@ 126.com。

收稿日期:2015-07-21;修回日期:2015-08-04

文章編號:1004-2954(2016) 03-0069-03

中圖分類號:U239.5; U443.36

文獻標識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.015