懸掛式單軌軌道梁橋在列車制動力作用下的動力響應

王江浩

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，300308，天津 ∥ 工程師)

懸掛式單軌是一種新穎的軌道交通方式。與地鐵和輕軌等傳統城市軌道交通相比，懸掛式單軌具有建設周期短、投入小、占地少、復雜地形適應性強、噪聲低等優點。懸掛式單軌適用于中小運量客流運輸，可以作為中小城市或大城市非主要軌道交通的補充，也可以作為旅游景點觀光線路[1]。

懸掛式單軌交通系統采用“梁軌合一”的建設方式。軌道梁橋既作為列車的承載結構，又作為列車的走行通道，因此，軌道梁橋結構的安全和穩定是確保列車平穩、安全運行的關鍵。列車在懸掛式單軌上運行時，經常會出現制動、起動的情況，會對軌道梁橋產生縱向作用力。目前，針對懸掛式單軌的研究多數集中于靜力研究[2-3]和列車勻速過橋情況下的動力研究[4-5]，對懸掛式單軌軌道梁橋在縱向力作用下的動力響應的研究非常少。

本文以中唐懸掛式單軌試驗線為背景，采用有限元軟件建立全橋模型，分別計算3種制動力作用下軌道梁橋的動力響應。通過分析軌道梁橋結構在3種列車制動力作用下的動力響應，總結了不同制動力作用對軌道梁橋的影響，其分析結果可為該類結構的設計提供參考。

1 列車制動力計算

1.1 制動力率

列車在軌道梁橋上制動時，軌面制動力直接通過車輪與軌道梁走行面間的摩擦傳遞給軌道梁。國內外研究基本采用制動力率θ對列車制動力T進行定義[6]。θ和列車減速度a的對應關系為：

θ=T/W=a/g

(1)

式中：

W——所考慮范圍中的列車軸重；

g——重力加速度。

根據式(1)得知，當a已知時，便能獲得列車制動過程中的θ，進而求得T。

本文以一跨25 m的直線軌道梁作為目標軌道梁，根據T在城市軌道交通中的取值及傳遞規律[6]，分別使列車以0.05、0.10、0.15的制動力率進行制動，使列車在減速狀態下進入目標軌道梁，并確保列車停止在目標軌道梁上。應注意，當列車制動完成時，T迅速下降到0。列車制動力加載曲線如圖1所示。

圖1 列車制動力加載曲線

1.2 列車制動力作用

本文參考中唐懸掛式單軌試驗線的列車活載，按兩節列車進行編組，車輛軸重為4 t，能源小車軸重為1.5 t，加載長度為16.57 m。列車活載圖式見圖2。

圖2 列車活載圖式

由式(1)和圖1、圖2可以得到，從列車入橋至列車停止時不同時刻下列車制動力的大小。隨著列車駛入軌道梁，進入軌道梁的軸重逐漸增大，制動力也相應增大；列車全部進入軌道梁后，列車在所有軸重產生的制動力作用下繼續減速，直至停止，制動力迅速降為0。

2 計算模型的建立

中唐懸掛式單軌試驗線由四川大唐新能源公司投資興建，位于成都市雙流縣黃甲鎮大唐新能源公司生產基地內。新能源空鐵是以大容量動力蓄電池為動力的懸掛式單軌列車。沿試驗線可依次進行加減速、爬坡能力及防災救援試驗，并可簡單地模擬運營試驗。

試驗線正線及出入庫線均為高架結構，軌道梁和橋墩均采用鋼結構，基礎采用鉆孔灌注樁。軌道梁采用開口鋼箱梁，箱梁內腔凈高1 100 mm，凈寬780 mm，腹板厚24 mm，頂板厚24 mm，底板厚32 mm；軌道梁橫向布置有環形的加強筋，加強筋縱向間距為1.6 m，厚度為30 mm；單線橋墩為矩形截面倒“L”形鋼結構，雙線橋墩為“Y”形鋼結構。直線段軌道梁主要采用25 m跨度，曲線段軌道梁主要采用12 m、20 m兩種跨度。

結合中唐懸掛式單軌試驗線，并通過對多條空鐵線路調研，發現懸掛式單軌交通系統大多采用25 m跨度作為簡支梁標準跨度。因此，本文選取跨度為25 m的軌道梁作為研究的目標梁型。采用高10.5 m的單線橋墩支撐目標軌道梁，橋墩與軌道梁共同組成軌道梁橋體系。懸掛式單軌軌道梁橋及列車結構示意如圖3所示。

圖3 軌道梁橋及列車結構示意圖

根據軌道梁橋結構的材料及截面參數，采用有限元軟件建立結構模型，利用瞬態動力分析法模擬制動力的加載-卸載過程，得到了不同制動力作用下軌道梁橋的動力響應。軌道梁橋結構體系的約束參數見表1。表1中，Dx、Dy、Dz分別表示x、y、z軸方向的平移自由度；Rx、Ry、Rz分別表示繞x、y、z軸方向的旋轉自由度；0表示放松，1表示約束。

表1 軌道梁橋結構體系的約束參數

3 動力響應計算結果

列車在制動狀態下以不同的減速度進入目標軌道梁，當速度降至0時列車停止在目標軌道梁上。將列車軸重及3種類型制動力加載到軌道梁橋結構體系上，計算得到制動過程中軌道梁梁端位移、梁端速度、梁端加速度和墩底剪力。在3種制動力作用下，軌道梁橋結構的動力響應最大值見表2。

表2 3種制動力率作用下軌道梁橋的動力響應最大值

由表2可知，當θ為0.05時，軌道梁橋的梁端位移、速度、加速度及墩底剪力值均不大；當θ由0.05上升至0.10時，軌道梁橋的動力響應值出現大幅度提升；當θ由0.10上升至0.15時，軌道梁橋的動力響應值增速逐漸放緩，梁端位移及墩底剪力增幅在35%左右，梁端速度及加速度增幅在16%以內。

當列車制動完成時，作用在軌道梁上的制動力迅速減小到0，對軌道梁橋產生沖擊并引起結構的縱向振動。軌道梁橋的動力響應隨時間變化的規律能夠反映出沖擊作用對結構的影響。3種類型列車制動力作用過程中及制動完成之后的軌道梁的梁端位移、梁端速度、梁端加速度以及軌道梁橋墩底剪力隨時間的變化曲線見圖4～7。

圖4 軌道梁的梁端位移

圖5 軌道梁的梁端速度

圖6 軌道梁的梁端加速度

由圖4～7可知，列車在軌道梁橋上制動時，梁端位移值和墩底剪力值呈波浪式上升，梁端速度、加速度在0值附近呈正弦式變化；列車制動完成時制動力迅速降為0，對軌道梁造成沖擊，使軌道梁在縱向進行衰減振動，軌道梁橋的梁端位移、速度、加速度及墩底剪力呈規律性的衰減；隨著制動力率的增加，軌道梁梁端縱向位移、速度、加速度和軌道梁橋墩底剪力隨之增大，列車制動完成后的振幅也隨之增大；制動力率的大小對軌道梁橋的衰減周期不產生影響。

圖7 軌道梁橋墩底剪力

4 結語

1) 列車在軌道梁上制動會對軌道梁橋結構產生沖擊，使其產生縱向振動，且制動力越大，振幅亦越大，這對軌道梁橋的疲勞設計、伸縮縫等附屬設施的設計以及列車乘坐舒適性等提出了較高的要求。

2) 目前我國的懸掛式單軌交通列車型號并不統一，且列車編組與軸重均有增大的趨勢，那么隨之而來的則是列車制動力的增大，以及軌道梁振幅的增加。為了減少軌道梁大幅振動帶來的不利影響，可以考慮在軌道梁橋系統中適當增加耗能型阻尼器。目前已建成和正在設計中的懸掛式單軌普遍采用軌道梁簡支、橋墩墩底固結的方式，還未采用過任何耗能設備，因此，耗能型阻尼器的具體構造及相關參數有待進一步研究。