單軌交通系統鋼梁荷載分析

張建軍 高定軍 張 盟 王翊毅 蘇 關 馬素鵬

(1.中國兵器工業規劃研究院，北京 100053； 2.中國五洲工程設計集團有限公司，北京 100053； 3.北京興國環球認證有限公司，北京 100068)

單軌交通系統鋼梁荷載分析

張建軍1高定軍1張 盟2王翊毅1蘇 關1馬素鵬3

(1.中國兵器工業規劃研究院，北京 100053； 2.中國五洲工程設計集團有限公司，北京 100053； 3.北京興國環球認證有限公司，北京 100068)

經查閱大量有關單軌交通系統軌道梁相關資料，結合我國的軌道交通發展現狀及使用情況，對跨座式單軌交通系統中鋼軌道梁進行受力分析，其復雜受力情況與現有規范不相符，主要進行五個方面的荷載受力進行分析。

跨座式單軌交通系統，鋼軌道梁，荷載分析

1 概述

我國第一條跨座式軌道交通系統重慶市單軌交通系統較新線上部分軌道梁為鋼軌道梁。該工程有兩跨計算跨度為39.2 m的直線型鋼軌道梁[1,4,5]。在設計時鋼軌道梁的受力荷載種類、分布情況及荷載大小與我國現有規范不完全一致，因此本文對軌道梁的荷載情況進行了研究。鋼軌道梁的的受力荷載種類較多，一般分為主要荷載和附加荷載。結合鋼軌道梁的實際情況，對鋼軌道梁上的荷載主要考慮五種情況進行分析。

2 軌道梁荷載類型及設計要求

荷載類型及設計方法有如下幾個方面。

2.1橋梁結構自重(主梁自重+二期附加荷載)

橋梁結構靜荷載分為主梁自重荷載和二期附加荷載。材料的種類及重量如表1所示。參照國外設計規范及日本多摩線跨座式單軌交通系統，主要包括：線路設備(含鋼軌、扣件、承軌臺)按15 kN/(線·m)計算，橋面兩側電纜、防噪屏及支架等按5 kN/(側·m)計算，橋面排水坡按10 kN/m計算[2]。

表1 材料的單位重量

2.2活荷載

單軌交通系統中的鋼軌道梁的活荷載依據不同的車輛選型取不同的荷載值，同時應考慮站臺位置的分布荷載。以B型車輛舉例，假設本交通系統的最高運行速度80 km/h，軸重暫按140 kN采用。車輛荷載圖式如圖1所示。設計時車輛荷載應該按照無限長的連行荷載進行計算。

其載荷的計算方法如下[2,3]:

設計車輛的荷載為編成隊的并行荷載，主橫梁計算時在材料產生最不利的應力處加載。橋面板計算時是采用有限元循環加載的方法。B型車輛活荷載規定采用滿員時的荷載取p=140 kN。考慮疲勞影響時，活荷載為p=120 kN。車站處要進行單線荷載或復線荷載狀態的檢算。復線的情況包括單線停止狀態、其他線行車狀態兩種的情況。考慮地震影響時，活荷載為平均荷載(p=120 kN)。對于復線結構以單線結構進行考慮。車站檢算單線荷載和復線荷載時，不計算設計車輛的沖擊作用。

站臺位置的分布荷載[2]。

在進行軌道梁的計算時不考慮分布荷載，主要用于橋面板計算。本文簡單介紹分布荷載，其特點是簡化為等分布載荷，其取值如下：

在停車場平臺的分布荷載：

1)設計平臺的地板、地板組的情況是300 kgf/m2(3.0 kN/m2)。

2)主梁和下部構造設計的情況是200 kgf/m2(2.0 kN/m2)，不過在和地震組合的情況是100 kgf/m2(1.0 kN/m2)。

在停車場的臺階、中央大廳、聯絡通道處作用如下分布荷載。不過，必須是依據立體橫斷設施技術基準進行這些設計：

1)地板、地板組設計的情況是500 kgf/m2(5.0 kN/m2)。

2)主梁和下部構造設計的情況是350 kgf/m2(3.5 kN/m2)。不過，在地震影響和組合考慮的情況為150 kgf/m2(1.5 kN/m2)。

2.3沖擊荷載

活荷載產生沖擊。其中分布荷載不考慮沖擊。參考多摩市南北線實測數據。對B型車輛沖擊系數依據材料及跨度計算。計算公式如下：

鋼

(1)

i=

(2)

其中,L為跨距，m。具體要求見表2。

表2 跨距

2.4車輛橫向荷載

跨座式單軌交通系統與普通鐵路不同，因為沒有軌距加寬，僅在轉彎半徑處有超高，軌道車行走面非常光滑，水平輪為橡膠輪胎，沖擊力較小。參考多摩市南北線實測數據，取設計鋼軌道梁時車輛橫向荷載大小取單軸重的25%[2,6]。此荷載為作用在鋼軌道梁上的移動的荷載，產生的力矩為：

Mtlf=0.25·Pl·yt

(3)

其中，Pl為軸重，暫按140 kN計算;yt為軌道梁頂到形心的距離,m。

2.5離心荷載

離心荷載主要作用在曲線鋼梁上，在較新線上不涉及。但是曲線鋼軌道梁更常見，故本文參考多摩市南北線的設計綱要領的實測數據進行說明，假定離心荷載作用距離行走面1.30 m的位置處，計算時與沖擊作用荷載不同時組合。作用于車輛的重心高度處，并水平地作用于垂直軌道的方向。

為了平衡此離心力，使車輛安全、穩定的行走，需設計黃曲線，并在曲線軌道上設置超高，設計的曲線的超高是按照設計所定的平均速度設置。因為有欠超高或過超高現象，由此產生離心力。此離心力大部分力通過設計鋼軌道梁設置超高的緩和曲線來平衡[2]。其計算方法為依據設計超高計算本曲線的曲線半徑。并通過曲線半徑求出緩和曲線的長度。單軌交通系統的曲線半徑以100 m以上為原則。如果因為地形的狀況等因素，在沒有障礙的情況時，可以縮小到50 m。在站臺部位的曲線半徑必須在300 m以上。在特殊的情況時，能縮小到250 m。所計算的曲線為需要是回旋曲線。此曲線的長度必須在下式求出的數值以上。

(4)

其中，L為緩和曲線長，m；V為曲線的通過的設計速度，km/h;R為曲線半徑，m。

另外，在傾斜的軌道梁上作用車輛荷載的情況，考慮車輛停在停車平臺時有如圖2所示的相對于曲線內側的扭轉力矩。

(5)

HVL=HL×cosθ

(6)

LL=HL×sinθ

(7)

這個荷載是車輛平臺時發生的，不能和車輛行走時的沖擊荷載及離心荷載的同時組合。但是要考慮到單軌交通系統上軌道梁為復線形式時，此時有一個單線停止，另一個單線在行走的情況。還有在風、地震時產生的橫向荷載作用情況。在計算時需要考慮對上述荷載做適當的組合進行結構設計。

3 結語

1)鋼軌道梁的受力荷載類型與荷載大小和車輛類型、車輛布置等情況有關，與現有規范不完全一致，需深入研究。2)本文是參考國內外已有軌道交通系統中鋼軌道梁的計算方法，對主要的計算荷載計算方法的總結。3)鋼軌道梁橋的荷載計算時，需按照實際情況參考已有結論綜合分析。

[1] 張建軍.鋼軌道梁中的平聯設計分析[J].鐵道建筑，2005(12)：128-130.

[2] 東京都北多摩北部建設事務所.多摩都市モノレ—ル多摩南北線詳細設計(その3)橋單純鋼軌道桁設計ㄆ算書[M](その1).1990：29-30.

[3] 賀拴海.橋梁結構理論與計算方法[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4] 張建軍.鋼軌道梁的整體結構設計[J].山西建筑，2011，37(30)：39-41.

[5] 張建軍.鋼軌道梁橋橋面板設計[J].鐵道建筑，2012(5)：166-167.

[6] 郭 峰.跨座式單軌交通應急軌道梁選型及受力性能研究[D].北京:北京交通大學,2014.

Theloadanalysisfortrackbeamofmonorailtrafficsystem’ssteelrailbeam

ZhangJianjun1GaoDingjun1ZhangMeng2WangYiyi1SuGuan1MaSupeng3

(1.ChinaWeponsIndustryPlanningandResearchInstitute,Beijing100053,China; 2.ChinaWuzhouEngineeringDesignGroupCo.,Ltd,Beijing100053,China； 3.BeijingXingguoGlobalCertificationCo.,Ltd,Beijing100068,China)

In this paper, a large number of related information on track beam of monorail traffic system’s steel rail beam are reviewed. In combination with the development status and usage of rail transit in our country, the stress analysis of steel rail beam in cross-seat single rail transit system is carried out. Its complex forces are not consistent with existing norms, in this paper, the load force of five aspects is analyzed.

a cross-seat monorail system, steel rail beam, load analysis

1009-6825(2017)28-0133-02

2017-07-25

張建軍(1978- )，男，高級工程師

U232

A