懸掛式單軌軌道梁研究

王 臣 高靜青 鄒永偉

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

懸掛式單軌是一種高架敷設(shè)的輕型單軌制式,列車懸掛于軌道梁下,車輪沿著軌道梁內(nèi)部空間走行,屬于輕型、中小運(yùn)量軌道交通,較符合二、三線城市應(yīng)用條件[1-3]。懸掛式單軌具有安全、環(huán)保、快捷、造價(jià)低、施工周期短、占地少、全天候運(yùn)行、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),符合城鎮(zhèn)化建設(shè)需要[4-5]。

1.1 國外研究

懸掛式單軌在國外已有上百年的應(yīng)用歷史,德國和日本擁有較為成熟的懸掛式單軌交通系統(tǒng),并已經(jīng)成功運(yùn)營了多條線路。

按走行方式不同,德國懸掛式單軌系統(tǒng)可分為非對(duì)稱懸掛鋼輪-鋼軌型和對(duì)稱懸掛膠輪型兩種。

非對(duì)稱懸掛式單軌最早于1901 年在德國伍珀塔爾建成,長13.3 km,最高速度為60 km/h,日客運(yùn)量8.2 萬人次,年載客量達(dá)到2 500 萬,迄今為止已安全運(yùn)行百年時(shí)間。

對(duì)稱懸掛式單軌于1984 年在德國多特蒙德建成運(yùn)營,線路長3 km,最高速度65 km/h,日客運(yùn)量5 000 人次。2002 年德國建成開通杜塞爾多夫懸掛式單軌線路,線路全長2.5 km,采用無人駕駛,最高速度50 km/h,日客運(yùn)量1.1 萬人次。

日本于1950 年開始研究懸掛式單軌,在德國膠輪型單軌交通基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。日本湘南懸掛式單軌開通于1970 年,全長6.6 km,共8 站,日客運(yùn)量3 萬人次;日本千葉懸掛式單軌2 號(hào)線于1988 年建成通車,1999 年懸掛式單軌1 號(hào)線建成通車,2 條線路總長度15.2 km,共18 座車站,日客運(yùn)量在4 萬人次以上。

1.2 國內(nèi)研究

國內(nèi)多家企業(yè)通過“產(chǎn)學(xué)研用”合作,共同開展懸掛式單軌交通車輛、道岔、軌道梁和支柱等關(guān)鍵技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收和自主研發(fā)[6-7],已建立多條試驗(yàn)線,并有景區(qū)旅游單軌開工建設(shè)。

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司投資建造了廠內(nèi)懸掛式單軌試驗(yàn)線[8],線路長度890 m。線路最大縱坡60‰,最小曲線半徑50 m。

中唐空鐵集團(tuán)有限公司,綜合采用動(dòng)力電池技術(shù),開發(fā)出新能源懸掛式空中軌道交通系統(tǒng),并建造了廠內(nèi)試驗(yàn)線[9]。線路長度1461 m,全線最小曲線半徑30 m,最大上坡坡度104‰。

國內(nèi)外懸掛式單軌交通的主要技術(shù)參數(shù)見表1。由表1 可知,德國懸掛式單軌以小型運(yùn)量為主,日本及國內(nèi)以中、大型運(yùn)量為主;軌道梁與橋墩的連接方式,德國以銷軸連接方式為主,日本及國內(nèi)以支座連接為主。軌道梁截面均采用開口鋼箱的形式,內(nèi)部?jī)艨找詽M足車輛轉(zhuǎn)向架的行駛要求為主;標(biāo)準(zhǔn)跨度均為25 m。

表1 國內(nèi)外懸掛式單軌技術(shù)對(duì)比

2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)正線數(shù)目:單線;

(2)設(shè)計(jì)活載:SA2 型車;

(3)設(shè)計(jì)速度:80 km/h;

(4)直線曲線:直線;

(5)溫度:最高氣溫取40 ℃,最低氣溫取-40 ℃;

(6)車輛荷載:梁軌式車輛主要有2 類,SA1 型車,軸重≤7.5 t;SA2 型車,軸重≤5.5 t,上述軸重均為超員狀態(tài)。國內(nèi)已建成的試驗(yàn)線及大部分旅游專用線以SA2 型車為主[10],為更好滿足國內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目的需求,本研究設(shè)計(jì)活載采用SA2 車型(定員75 人,超員100 人)列車荷載,4 輛編組。荷載圖示見圖1。

3 軌道梁設(shè)計(jì)

3.1 跨度及截面尺寸

經(jīng)調(diào)查,國內(nèi)外已建成的懸掛式軌道梁標(biāo)準(zhǔn)跨度以25 m、30 m 為主,國內(nèi)車輛以中小型運(yùn)量為主,車輛要求軌道梁內(nèi)部?jī)艨招铦M足1 200 mm 高度的要求[11-12]。故軌道梁跨度及內(nèi)部?jī)艨找笠膊捎么藰?biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)開展。軌道梁板厚及加勁肋間距等經(jīng)過多種工況的有限元計(jì)算及比較后確定,開口鋼箱方案的軌道梁截面見圖2。

圖2 軌道梁截面(單位:mm)

3.2 軌道梁板厚

以25 m 直線鋼軌道梁為例,研究軌道梁截面不同板厚組合對(duì)其剛度及強(qiáng)度的影響,確定軌道梁最優(yōu)截面。

取軌道梁內(nèi)部?jī)艨諡? 200 mm(高度),橫向加勁肋間距為1.6 m。

利用專用軟件Midas Civil 進(jìn)行25 m 跨度鋼軌道梁的板單元模型計(jì)算,板厚組合見表2。

表2 軌道梁截面板厚組合

計(jì)算結(jié)果見圖3～圖5。

圖3 豎向撓度比較

圖4 橫向撓度比較

圖5 底板縱肋應(yīng)力及疲勞比較

由計(jì)算結(jié)果可知,滿足最小凈空要求的梁高已滿足設(shè)計(jì)要求,無需增加梁高。當(dāng)腹板板厚及橫向加勁肋板厚、間距不變時(shí),隨著底板及底板縱肋板厚的加大,有以下規(guī)律:方案1 用鋼量大且底板縱肋疲勞應(yīng)力超過限值,方案2 與方案3 相比,更節(jié)約鋼材,雖然方案2 主梁橫向位移及底板縱肋應(yīng)力等方面較方案3 略大,但均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,綜合考慮選用方案2 的板厚作為標(biāo)準(zhǔn)梁的截面。

3.3 軌道梁橫向加勁肋

以25 m 直線鋼軌道梁為例,研究橫向加勁肋間距變化對(duì)鋼軌道梁的影響,確定軌道梁合理的加勁肋間距。

利用專用軟件Midas Civil 進(jìn)行25 m 跨度鋼軌道梁的板單元模型計(jì)算,取加勁肋間距分別為1.2 m、1.6 m 及2 m。

圖6 豎向撓度比較

圖7 底部開口位移比較

圖8 橫向撓度比較

圖9 底板縱肋應(yīng)力比較

圖10 底板縱肋疲勞比較

由以上計(jì)算結(jié)果可知,隨著加勁肋間距加大,鋼梁豎向剛度變化不大,開口剛度及橫向剛度逐漸較小。

由于底板縱肋橫向支撐位置逐漸加大,底板縱肋應(yīng)力逐漸加大,且疲勞應(yīng)力接近并超過限值。因此,為了控制縱肋疲勞,將縱肋間距定為1.6 m。

3.4 鋼桁梁軌道梁方案

軌道梁除采用開口鋼箱方案外,還可采用半穿式鋼桁梁方案[13](見圖11),轉(zhuǎn)向架在鋼桁梁內(nèi)部行駛。上、下弦桿及豎桿均采用焊接H 型鋼,上平聯(lián)及斜腹桿采用熱軋圓形鋼管。桿件之間采用對(duì)接焊縫連接。

圖11 鋼桁梁方案

鋼桁梁方案的主要計(jì)算結(jié)果見表3,由表3 可知,兩種方案均滿足設(shè)計(jì)要求,相較于鋼箱方案,在相同用鋼量的情況下,鋼桁梁方案具有更好的橫向剛度及相近的豎向剛度。

表3 軌道梁計(jì)算結(jié)果對(duì)比

鋼桁梁方案焊縫長度及種類較多,不易使用機(jī)械化焊接,人工焊接時(shí)間較長,焊縫質(zhì)量不易保證,造價(jià)較高[14],故推薦采用開口鋼箱方案。

4 軌道梁梁端吊點(diǎn)研究

4.1 吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

目前,國內(nèi)外所有已建成的懸掛式單軌項(xiàng)目中,簡(jiǎn)支梁梁端與鋼墩的連接方式只有兩種,銷軸連接或支座連接[15]。

德國多特蒙德線、杜塞爾多夫線,中唐空軌成都試驗(yàn)線及北京中建空列集團(tuán)開封示范線均是采用銷軸連接;日本千葉線、湘南江島線及中車青島四方試驗(yàn)線均是采用支座連接。

兩種連接方式示意見圖12、圖13。

圖12 銷軸連接(單位:mm)

圖13 支座連接(單位:mm)

4.2 方案比較

(1)銷軸連接

優(yōu)點(diǎn):適應(yīng)大坡度的線路縱坡,不必再單獨(dú)設(shè)置防落梁擋塊,節(jié)省鋼梁及橋墩的用鋼量。

缺點(diǎn):橋墩沉降引起的線路線形變化不易調(diào)節(jié);所有荷載均通過銷軸傳遞,銷軸不易更換;對(duì)安裝精度要求較高,施工工藝復(fù)雜。

(2)支座連接

優(yōu)點(diǎn):牛腿位于梁側(cè)腹板,可增強(qiáng)鋼梁的橫向剛度;可通過調(diào)節(jié)支座高度調(diào)節(jié)線路線型;牛腿與鋼梁端部連接焊縫較長,不易產(chǎn)生應(yīng)力集中,可適用于活載較大的線路。

缺點(diǎn):造價(jià)較高。

5 結(jié)論

通過調(diào)查研究大量國內(nèi)外已建成的懸掛式單軌相關(guān)資料,確定滿足國內(nèi)建設(shè)需求的車輛荷載,并對(duì)不同截面類型的軌道梁進(jìn)行計(jì)算分析,得出下列結(jié)論。

(1)確定鋼軌道梁的截面形式及尺寸,截面為開口鋼箱型,板厚為頂板26 mm,底板及底板縱肋為30 mm,腹板及橫向加勁肋為24 mm,橫向加勁肋間距為1.6 m。

(2)鋼桁梁軌道梁方案用鋼量較少,但焊縫長度及種類較多,不易使用機(jī)械化焊接,焊縫質(zhì)量不易保證,綜合造價(jià)較貴。

(3)提出兩種常用吊點(diǎn)的適用條件,當(dāng)線路縱坡較大、設(shè)計(jì)活載較小、地質(zhì)條件較好時(shí),可采用銷接連接;當(dāng)線路縱坡較小、設(shè)計(jì)活載較大時(shí),可采用支座連接。