基于預應力錨栓技術的懸掛式單軌鋼柱腳設計

陳敏剛

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著中國城市化進程的深化，越來越多的城市加入到軌道交通建設的隊伍之中。軌道交通對于改善出行環境、拓展城市空間、提升城市形象有著不可替代的重要意義。

但傳統的軌道交通橋梁存在著施工過程中占地范圍大、施工周期長等問題，使得本就擁堵的城市現狀交通雪上加霜。

近年來隨著預制拼裝技術在我國市政建設領域的逐步成熟，為城市軌道交通建設帶來了新的思路。

懸掛式單軌交通系統通常采用鋼立柱+ 鋼制軌道槽形梁的結構形式，并采用工廠預制現場拼裝的施工工藝，擁有施工便捷快速、質量穩定可靠、對交通影響小等特點。因而，懸掛式單軌交通系統的推廣，能有效地緩解城市軌道交通建設過程中的陣痛，并且可以實現現場施工對周圍環境的零污染和零排放，綠色環保。

1 懸掛式單軌結構特點與發展歷程

懸掛式單軌交通系統的車輛懸掛在軌道梁的下方，通過車輛上部的走行輪沿著開口軌道梁內的軌道進行移動。由于走行系統位于箱體內部，噪音比常規輕軌小。同時軌道梁的墩柱可利用現有地面道路中央分隔帶，占地面積小，對城市地面交通系統運行空間影響小。

懸掛式單軌交通系統，最早起源于德國。1893年德國人Eugen Langen 發明了單軌交通系統。1901年世界上第一條懸掛式單軌交通線路在德國伍珀塔爾市落成。伍珀塔爾線全長13.3km，全線共有車站20 座，至今仍在運行使用。

二戰結束以后，日本開始著手研究懸掛式單軌交通系統。日本在德國技術的基礎上，發展出了適合自己國家特點的懸軌制式。目前日本已建成有上野動物園線、湘南線、千葉線等線路，成為世界上擁有懸軌線路最長的國家。

我國懸掛式單軌起步較晚，最近10 年才逐步開始研究并建設，但發展速度很快。2016 年9 月由西南交通大學、中唐空鐵等國內多家單位聯合研制的國內首條懸掛式單軌試驗線在四川成都落成。由于車輛外觀形似熊貓，又被稱為“熊貓空鐵”。同年11 月，陜西韓城懸掛式單軌項目也正式啟動。韓城懸掛式單軌項目由中車青島四方機車公司提供技術支持。

目前，全國范圍內還有武漢、開封、寧波杭州灣新區等地正在同時積極開展懸掛式單軌的規劃建設。

鑒于鋼結構施工快速、節省空間、安裝方便等優點，目前國內外新建的懸掛式單軌交通項目全部采用鋼立柱的結構形式。

2 鋼柱腳設計的現狀

鋼柱腳按照柱腳構造形式可分為外露式、外包式、埋入式和插入式四種[1]；鋼柱腳按受力情況可分為鉸接和剛接柱腳兩種形式。外包式、埋入式和插入式柱腳均為剛接柱腳，而外露式柱腳可做成鉸接式也可做成剛接式。各種鋼柱腳形式中，以外包式與外露式最為常見，如圖1 所示。

圖1 常見鋼柱腳形式圖

外包式鋼柱腳在鋼立柱安裝完成后，需要搭設模板并綁扎柱腳外包腳鋼筋，最終澆筑混凝土完成整個安裝過程。外包式鋼柱腳由外包混凝土保護，耐久性優于外露式鋼柱腳。同時，鋼立柱與外包混凝土可形成組合截面，提高了柱腳的整體剛度，屬于比較理想的剛接柱腳。

在外包式鋼柱腳安裝過程中，需要綁扎鋼筋、澆筑混凝土等工序，施工速度較慢，而懸掛式單軌交通系統線路長、立柱數量多，采用外包式鋼柱腳將消耗大量工期。同時，外包式鋼柱腳尺寸是四種柱腳形式中尺寸最大的，對城市道路斷面的空間需求也是最大。因此，目前國內懸掛式單軌項目多數采用外露式鋼柱腳。

3 懸掛式單軌鋼立柱設計的改進

常規外露式鋼柱腳應用于懸掛式單軌交通系統有三個缺點。

缺點一，懸掛式單軌橋梁上部結構通常采用鋼結構，自重較輕，但列車荷載占總體荷載比重大，活載產生的應力幅大，且車輛活荷載作用時間短，具有明顯的沖擊效應。而普通錨栓在擰緊時處于拉、扭復雜應力狀態，長期承受較大動力荷載，容易產生疲勞斷裂。

缺點二，列車雙線交替運行時，鋼柱腳將交替承受正負彎矩的作用，而柱腳螺栓將交替承受拉力與壓力，容易導致螺栓螺母松動，為車輛安全運行帶來風險。

缺點三，懸掛式單軌交通系統的正常運行對軌道梁的變形有較高的要求。目前，國內規范（《懸掛式單軌交通設計標準》DBJ51/T 099—2018）對軌道梁在橋墩頂橫橋向水平位移差引起的軌道梁梁端水平折角限制為4‰。而下部立柱剛度，對在橫橋向水平力作用下軌道梁水平折角影響較大。而常規外露式鋼柱腳，在彎矩作用下，鋼柱腳底板受拉錨栓一側將在一定程度上與混凝土脫離接觸，實際外露式鋼柱腳并非完全剛接，而是存在一定的轉動剛度，而柱腳微小的轉動變形傳遞到上部軌道梁就會有可觀的變形。

基于以上三點，現提出采用預應力錨栓的鋼柱腳形式來解決常規外露式鋼柱腳應用于軌道交通結構的弊端。

首先，預應力錨栓一般采用直接張拉法進行施工，可以解決常規錨栓復雜受力的問題，大大提高錨栓抗疲勞性能[2]。

其次，預應力錨栓采用專用設備張拉，初始張拉力遠大于常規地腳螺栓，錨栓螺母松動脫落的可能性將大大降低[3]。

最后，對錨栓施加足夠的預拉力以后，可以保證柱腳底板始終與混凝土表面密貼，混凝土表面始終處于受壓狀態，從而保證柱腳從受力模式上接近于理想剛接，有效提高了鋼立柱整體剛度。

4 預應力錨栓鋼柱腳的計算

為保證預應力錨栓鋼柱腳底板混凝土始終處于受壓狀態而不脫空，即保證柱腳剛接，則需滿足以下條件：

式中：n 為預應力錨栓總數量；P 為單個預應力錨栓張拉力設計值；A 為柱腳底板面積；W 為柱腳底板抗彎模量；N、M 分別為柱腳承受的軸力設計值與彎矩設計值。

同時，為保證柱腳下法蘭板與承臺混凝土的接觸面不發生局部破壞，應滿足下列條件：

式中：fc為混凝土軸心抗壓強度設計值。

對于預應力錨栓的計算[4]，應滿足下列條件：

5 結語與展望

根據懸掛式單軌結構橋梁的結構特點，采用更為合理的預應力錨栓柱腳形式，與常規外露式柱腳錨栓連接形式相比，不但能加大柱腳節點的剛度、加強基礎的整體性，還能提高柱腳在列車往復荷載作用下的抗疲勞性能，提高鋼柱腳的耐久性。同時，預應力錨栓鋼柱腳與埋入式或插入式鋼柱腳相比，又能大大縮短施工周期，減少項目施工對城市交通的運行壓力。

綜上，預應力錨栓鋼柱腳充分結合了外露式柱腳與埋入式柱腳的優點，必將在未來的城市軌道交通建設中大放異彩。