懸掛式單軌交通軌道梁結構設計

2021-01-19 06:27:48徐亮

北方交通 2021年1期

徐亮

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司沈陽市 110015)

1 概述

懸掛式單軌交通系統又稱空中列車，是一種全新的軌道交通模式。該軌道梁橋結構主要包括軌道梁、橋墩、承臺及基礎以及連接件等。其中軌道梁、橋墩及連接件一般均采用鋼結構，承臺采用鋼筋混凝土結構，樁基礎采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁結構。

懸掛式軌道交通作為一種輕型、中運速、中運量的新型公共交通方式，能夠與常規地面公共交通、軌道交通等交通方式有效實現在空間上的空中、地面與地下的互補和完善。同時該交通系統的列車運行軌道處于半封閉軌道梁內，所以不受地面交通以及惡劣天氣的影響，當遇到擁堵、暴雨、大雪、下霧、冰凍及路面積水等環境時，仍可以正常運行；其次其結構簡單，工廠預制模塊化、標準化程度高，現場快速吊裝拼接，施工周期短，施工時對地面交通影響小，同時其可拆卸、可移動、可重復利用，有效降低資源浪費；其造型美觀，乘車環境敞亮舒適，通過亮化能有效融合和提升周圍環境；另外其采用空中運行模式，其軌道梁與橋墩結構占用空間較小，能有效節約拆遷費用；同時其可根據交通量的增長變化，調整列車的編組數量，后期調整適應性強。

懸掛式單軌交通系統能與旅游景區環境更好地融合，在寧夏中衛市沙坡頭旅游觀光設施工程項目中最終決定采用該結構形式作為設計方案，方案效果圖如圖1所示。通過對標準跨徑L=25m軌道梁進行設計及計算，總結其結構設計中的要點，以便指導將來軌道梁的設計與施工。

圖1 沙坡頭旅游景區懸掛式軌道梁方案效果圖

2 軌道梁結構設計

寧夏中衛市沙坡頭旅游觀光設施工程項目采用環線軌道梁交通系統，環線總長度約11.9km，采用平行雙線設計，雙線軌道梁橫向間距5.5m。軌道梁標準跨徑為25m，結構形式均為簡支梁結構。軌道梁為底部開口的箱形截面梁，內部凈寬780mm，凈高1250mm，底板開口寬度為210mm。

軌道梁結構均采用Q345qE鋼材。基本板厚設置情況如下：直線梁腹板厚24mm，頂板厚24mm，底板厚32mm；底板設置縱向加勁肋，厚度為32mm，高度為90mm；軌道梁橫向設置環形加勁肋，縱向間距為1.6m，厚度為32mm，高度為170mm。跨徑L=25m軌道梁橫斷面如圖2所示。

圖2 軌道梁橫斷面圖

3 軌道梁結構計算分析

利用MIDAS Civil 2019有限元軟件建立軌道梁模型進行計算。根據設計要求，對軌道梁結構的強度、剛度及預拱度、梁端豎向轉角及梁端水平折角、穩定性、抗疲勞、連接件局部驗算等進行計算。

3.1 軌道梁設計標準

3.1.1設計荷載

(1)恒載

①自重：鋼材的容重為78.5kN/m3。

②二期恒載：軌道梁內部及外部管線自重按機車、通信、信號等專業提供資料取用，取1.5 kN/m計算。

(2)活載

①列車豎向靜活載：本項目列車采用三節列車一編組，前后軸距離如圖3所示。超員時車輛軸重P取5.5t，定員時車輛軸重P取5.0t，空車時車輛軸重P取4.125t。線路左、右線按照超員狀態計算；考慮疲勞和地震力影響時，按照定員狀態計算；考慮車擋影響時，按照空車狀態計算。

圖3 車輛軸重分布圖示(單位：cm)

(3)離心力

根據《懸掛式單軌交通設計標準》規定，位于曲線上的軌道梁橋應考慮列車離心力，大小等于列車靜活載乘以離心力率C，C值按下式計算：

式中：V—列車通過曲線段的最大速度(km/h)。

經計算單墩所承受最大離心力：F離心力=29.74kN。

(4)橫向搖擺力

根據《懸掛式單軌交通設計標準》規定，列車橫向搖擺力荷載宜按列車設計荷載單軸重的25%計，一列車以一個水平集中荷載，在軌道梁車輛走行面位置以水平集中力的形式作用于線路法線方向，作用于最不利位置。

經計算橫向搖擺力：F搖擺力=0.25×5.5×10=13.75kN。

(5)附加力

①制動力或牽引力

根據《懸掛式單軌交通設計標準》第7.3.10條，按列車豎向靜荷載的15%計算。

②風力

橋上有車時，軌道梁風荷載按照標準值的80%取值。軌道梁設計按單線計算軌道梁和列車的風荷載。

③溫度荷載

3.1.2荷載工況組合

參照《鐵路橋涵設計規范》第4.1條，工況組合的原則考慮為最不利效應疊加；按照《懸掛式單軌交通設計標準》第7.3.3條根據不同荷載組合，材料基本容許應力可乘以不同的提高系數；其中只有彎梁進行離心力的組合，直梁不進行離心力的組合，具體荷載工況如下：

(1)恒載組合

組合1(提高系數取1.0)：自重+二期恒載

(2)主力組合

組合2(提高系數取1.0)：組合1+列車豎向靜活載+列車豎向動力作用+搖擺力(或離心力)

(3)主力+附加力組合(僅考慮主力與一個方向的附加力組合)

組合3(提高系數取1.15)：組合2+溫度作用+風荷載

組合4(提高系數取1.20)：組合2+溫度作用+制動力或牽引力

(4)疲勞荷載組合

組合5(提高系數取1.0)：組合1+列車疲勞活載+列車豎向動力作用+搖擺力(或離心力)

3.2 建立空間模型

軌道梁利用MIDAS Civil 2019有限元軟件建立空間板單元和梁單元兩種計算模型，進行各個工況下的模擬分析，得到相應的計算結果。其中以空間板單元計算模型為主，而梁單元計算模型主要提取梁體豎向位移與梁端轉角結果同時對空間板單元計算模型進行比較印證，計算模型詳見圖4與圖5。

圖4 L=25m跨直線軌道梁板單元計算模型

圖5 L=25m跨直線軌道梁梁單元計算模型

3.3 軌道梁強度計算及結果

按照容許應力法在荷載組合3：主力+橫向最大附加力作用下，軌道梁橋最大拉應力值σ=149.9MPa<[σ]×1.15=241.5MPa，最大壓應力值σ=-123.8MPa<[σ]×1.15=241.5MPa，最大剪應力值τ=63.5MPa<[τ]×1.15=138MPa，均滿足規范要求。軌道梁正應力及剪應力計算結果見圖6～圖8，應力值均滿足規范要求。