懸掛式單軌軌道梁關鍵結構參數優化研究

訾 力

（安徽省鐵路投資有限責任公司，安徽 合肥 235300）

1 引言

相比其他公共交通形式，懸掛式單軌系統在天氣適應性、建設周期、轉彎半徑、應用廣泛性、乘坐舒適性、觀光性、運量的適應性及系統維護保養等方面均有一定優勢[1]，更適用于城市軌道交通輔助線或旅游觀光線[2]。懸掛式單軌如圖1所示。

圖1懸掛式單軌示意圖

對于懸掛式單軌，設計時相關工作人應重點關注軌道梁尺寸的取值問題。在德國，懸掛式單軌軌道梁采用跨度38m的標準梁，梁結構內輪廓尺寸為1100mm×780mm，列車在軌道梁上運行時最大撓度容許值為20mm。在日本，懸掛式單軌軌道梁結構內輪廓尺寸為1510mm×1490mm[3]。針對我國的實際情況，國內有學者提出，鋼箱梁內輪廓尺寸為1550mm×1650mm的一種截面[4]。在懸掛式單軌設計中，對軌道梁結構參數進行優化顯得尤為重要[5]。目前，國內對軌道梁結構參數的取值問題缺乏系統的研究，因此文章對軌道梁參數的取值問題展開了討論。

2 懸掛式單軌軌道梁設計

2.1 設計要求

軌道梁的主要部分使用薄鋼板制成，相比于板寬、板高及其跨度而言，板厚非常小，屬于典型的薄壁單元。為保證列車運行的安全性和舒適性，需要對軌道梁的強度、剛度、穩定性進行整體和局部的校核[6]。根據《懸掛式單軌交通設計標準》（DBJ 51/T099—2018）規定，懸掛式單軌系統軌道梁的整體穩定、局部穩定的驗算按照《鐵路橋梁鋼結構設計規范》（TB 10091—2017）的規定執行[7]。

2.2 設計荷載與組合

設計時需要計算的荷載如表1所示[8]。

表1 軌道梁主要設計荷載

2.3 軌道梁尺寸擬定

我國城市人口眾多且流動性大，懸掛式單軌需要具有較大的載客量。同時，城市環境較大地限制了軌道梁的跨度[9]。文章針對這些限值因素，提出軌道梁的截面尺寸為1261mm×884mm，如圖2所示。為增加開口截面抗扭剛度，軌道梁外側四周增設鋼板加勁肋，同時，底板開口處的外側也設置縱向鋼板加勁肋。

3 軌道梁關鍵參數優化

3.1 基本參數

（1）單軌設計運行速度：80km/h。

（2）列車豎向靜活載：按照超員、定員、空車三種狀態考慮，軸重分別為50kN、48kN、35kN。按最不利軸重進行計算，超員狀態下為50kN。

（3）位移限值：軌道梁的豎向位移應小于L/900，橫向位移應小于L/1800[10]。

（4）軌道梁所用鋼材為16Mn鋼，容許應力300MPa，屈服強度為345MPa。

3.2 優化方案

通過控制變量法計算不同參數組合情況下的梁體應力及變形。具體如下：

（1）優化軌道梁跨度L：取25m、30m、35m三個跨度等級分別進行計算。若因跨度較大，原始截面剛度不滿足設計要求時，則采取加大截面剛度的措施[11]。

（2）優化軌道梁的板厚tb：頂腹板厚度取28mm、30mm、32mm三個等級，底板厚度取34mm、36mm兩個等級。

（3）優化軌道梁的加勁肋間距h：考慮12mm和14mm兩種加勁肋板厚，加勁肋間距為0m（無加勁肋）、1.0～2.5m（加勁肋厚14mm時，加取3.0～5.0m）[12]。

（4）優化軌道梁的加勁肋板厚tr：加勁肋板厚分別取10mm、12mm、14mm、16mm四個等級進行比較分析。

3.3 軌道梁跨度比選分析

圖2 軌道梁截面尺寸圖示（單位：mm）

加勁肋間距選擇1.5m，加勁肋板厚選擇12mm，軌道梁的頂板、腹板厚取30mm，底板厚取36mm，軌道梁跨度分別取25m、30m和35m。

當軌道梁跨度為35m時，在結構自重和二期恒載作用下軌道梁的撓度為40.7mm，大于軌道梁豎向位移的限值：L/900=38.9mm。因此，跨度增加時，需增大截面抗彎剛度[13]。計算結果如表2所示。

由表2可知：

表2 軌道梁不同跨度受力分析結果

（1）不同跨度方案的軌道梁受力分析，最大應力均滿足要求。

（2）當跨度為35m時，需要同時選擇增設U型加勁肋和加大梁高，才能滿足位移設計要求。其中豎向位移限值為L/900=38.9mm，橫向位移限值為L/1800=19.4mm。

（3）當跨度為30m時，截面選擇加大梁高時，每km軌道梁的用鋼量最小，應力滿足要求，但橫向位移為24.4mm超出限值要求，其中橫向位移限值為L/1800=16.7mm。

（4）當跨度為25m，截面選擇原截面，每km軌道梁的用鋼量適中，位移及應力滿足要求，其中豎向位移限值為L/900=27.8mm，橫向位移限值為L/1800=13.8mm。

當跨度為35m時，用鋼量較大不進行研究。當跨度為30m，截面選擇加大梁高時，此時位移超限，但用鋼量較小。可通過增大頂腹板厚度，進行進一步優化。優化計算結果如表3所示。

由表3分析可知，軌道梁跨度為30m，軌道梁的頂腹板的板厚取36mm，底板的板厚取36mm時，若采用加大梁高方案，每km的軌道梁總的用鋼量為125.11m3，橫向位移為20.4mm（＞30000/1800=16.7mm），不滿足要求。采用在走行軌底板下增設U肋方案，位移滿足要求，但用鋼量較大，可通過降低U肋厚度進行進一步優化[14]。軌道梁跨度為30m，計算結果如表4所示。

表3 軌道梁不同截面加強方案受力分析結果

表4 軌道梁不同U肋板厚受力分析結果

由表4可知，當軌道梁頂腹板厚36mm、底板厚36mm，U肋板厚度大于28mm時，梁體豎向變形才能滿足要求，其中豎向位移限值為L/900=33.3mm。

綜上所述：

（1）軌道梁跨度取25m，采用原截面滿足設計要求，每km軌道梁的用鋼量為128.76m3；

（2）軌道梁跨度取30m，需要加大截面抗彎剛度才能滿足要求。當頂腹板厚為36mm，梁高加大400mm時，用鋼量為125.11m3，用鋼量與采用25m跨度方案的用鋼量基本相同，但橫向位移不滿足要求。若在走行軌底板下增設厚度為28mm的U肋，滿足設計要求，此方案軌道梁的用鋼量為169.16m3/km；

（3）軌道梁跨度取35m，需增大截面的高度且要在走行軌底板下增設U型加勁肋才滿足設計要求，此方案軌道梁總的用鋼量為176.91m3/km。

根據以上總結可知，在滿足校核要求的情況下，軌道梁的跨度選用25m，每km軌道梁的用鋼量較少。

3.4 軌道梁的板厚比選分析

軌道梁的跨度選擇25m，加勁肋的板厚取12mm，布置間距取1.5m，頂腹板厚度分別取28mm、30mm、32mm，底板厚度分別取34mm和36mm進行分析。計算結果如表5所示。

表5 軌道梁不同頂底板厚受力分析結果

由表5分析可知，隨著軌道梁板厚的增加，梁體最大應力減小，剛度增大，軌道梁的用鋼量增大。

當頂腹板厚≥30mm，且底板厚度≥36mm時，梁體的橫向位移和豎向位移才滿足設計要求[15]。據此，應選擇較小的板厚，即頂腹板板厚取30mm，底板板厚取36mm。

3.5 軌道梁加勁肋間距比選分析

軌道梁跨度取25m，加勁肋板厚分別取12mm、14mm，加勁肋間距分別取1.0m、1.2m、1.5m、1.6m、2.0m、2.5m。當加勁肋板厚取14mm時，增加3.0m、3.5m、4.0m、4.5m、5.0m五種加勁肋間距方案。計算結果如表6和表7所示。

表6 軌道梁板厚取12mm時不同加勁肋間距受力分析結果

根據以上分析結果可知：

（1）當軌道梁跨度取25m、加勁肋板厚為12mm時，不同加勁肋間距的梁體應力和豎向變形均能滿足要求。加勁肋板厚為14mm時，加勁肋間距取3.0～5.0m時，軌道梁豎向最大位移已不滿足豎向撓度限值為25000/900=27.7mm。

（2）軌道梁最大應力均小于許用應力300MPa，且富余量較大，當加勁肋間距從1.0m變化到2.5m時，最大應力值呈小幅減小趨勢，減小幅度在1.2%左右。

（3）軌道梁豎向最大位移變化微小，豎向位移和應力對加勁肋的間距變化不敏感。

（4）不設加勁肋時，橫向位移達到14mm，加勁肋間距從1.0m變化到2.5m時，橫向最大位移增大，增幅在19.0%左右。據此分析，橫向變形量一部分是由走行軌的翻轉引起的，間接證明了加勁肋間距的大小對軌道梁走行軌的翻轉變形影響較大。

表7 軌道梁板厚取14mm時不同加勁肋間距受力分析結果

隨著加勁肋間距的增大，梁體應力及豎向位移變化幅度不大，每km軌道梁用鋼量減小，但梁體橫向最大位移呈現增大趨勢，梁走行面翻轉失效的可能性越大，綜合考慮軌道梁走行軌翻轉失效安全性，加勁肋間距取1.5m較為適宜。

3.6 軌道梁加勁肋的板厚比選分析

當軌道梁跨度取25m，加勁肋間距取1.5m，選擇不同的加勁肋板厚進行計算。結果如表8所示。

表8 軌道梁不同加勁肋板厚受力分析結果

從表8可知，當軌道梁跨度取25m，加勁肋間距為1.5m時，不同加勁肋板厚的軌道梁應力和豎向變形均能滿足要求。隨著加勁肋板厚的增大，梁體應力呈小幅增大趨勢，豎向位移變化不明顯，每km軌道梁用鋼量增大，但梁體橫向最大位移呈現減小趨勢。綜合考慮，加勁肋板厚取12mm較為適宜。

3.7 穩定性復核

軌道梁整體和局部穩定性均滿足《鐵路橋梁鋼結構設計規范》（TB 10091—2017）的規定。

4 結束語

文章首先闡述了建設懸掛式單軌交通的重要意義，然后利用鋼結構知識，采用有限元軟件計算分析，通過改變主要的軌道梁參數，不同的參數組合成不同的軌道梁，根據安全性和經濟性原則，嘗試性地對軌道梁進行優化設計。主要結論如下：

（1）考慮結構剛度、用鋼量，軌道梁跨度選用25m較為適宜。

（2）當軌道梁跨度選用25m時，頂腹板板厚選用30mm，底板板厚選用36mm較為適宜。

（3）加勁肋的布置間距選用1.5m時，加勁肋板厚選用12mm較為適宜。

（4）采用上述參數組合時，軌道梁的強度、剛度、穩定性均滿足要求，鋼量為128.76m3/km。

綜上，軌道梁采用跨度為25m、加勁肋布置間距為1.5m、板厚12mm、頂腹板板厚30mm、底板板厚36mm時，系統使用鋼材較少、軌道梁的造價較低，這一結論可作為我國懸掛式單軌軌道梁標準設計的參考。