跨座式單軌軌道梁支座設(shè)計研究

李金凱 高靜青 劉永鋒 金正凱

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

橋梁支座按照結(jié)構(gòu)形式可分為：弧形支座、搖軸支座、輥軸支座、板式橡膠支座、四氟板式橡膠支座、盆式橡膠支座、球型支座等。弧形支座、搖軸支座和輥軸支座由于支座結(jié)構(gòu)和傳力方式不合理，目前在新建鐵路中已較少采用[1]。近年來，盆式橡膠支座和球型支座在我國公路、鐵路及城市軌道交通橋梁中得到了廣泛使用。相較于過去的鑄鋼輥軸支座，盆式橡膠支座和球型支座具有傳力效果好、水平位移量大、轉(zhuǎn)動靈活等優(yōu)點，同時施工安裝方便，更換維修容易。

跨座式單軌線路全部由軌道梁組成，軌道梁既是承載結(jié)構(gòu)，又是車輛的運(yùn)行軌道，具有截面尺寸小、線形精度要求高等特點[2]。支座是軌道梁與下部結(jié)構(gòu)連接的關(guān)鍵部位。目前，軌道梁使用較普遍的是鑄鋼拉力支座，見圖1。該支座是一種特殊設(shè)計的輥軸支座，重慶單軌建設(shè)過程中對其進(jìn)行了國產(chǎn)化應(yīng)用。

除鑄鋼拉力支座以外，重慶單軌的車輛基地軌道梁還采用過承拉橡膠支座，見圖2。承拉橡膠支座以橡膠為主要制作材料。通過上承拉組件、盆式橡膠支座組件(固定支座、單向活動支座)、套筒組件及柔性拉桿組件的結(jié)合，使支座各個部(組)件功能單一且受力明確，并發(fā)揮各組成主要材料的最佳使用性能[3]。然而，盆式橡膠支座耐久性較差，抗傾覆能力也較低，只能在要求較低的特殊路段使用。

圖2 承拉盆式橡膠支座

柳州單軌以連續(xù)梁體系為主，通過在雙線兩榀梁之間設(shè)置橫聯(lián)來減小傾覆彎矩，采用雙螺柱圓柱面抗拉支座，見圖3。在圓柱面抗拉支座的基礎(chǔ)上，通過雙螺柱實現(xiàn)豎向調(diào)高功能，通過底座板的墊片，實現(xiàn)水平調(diào)整功能。

圖3 雙螺柱圓柱面抗拉支座

綜上所述，跨座式單軌橋梁支座的發(fā)展相對滯后，仍停留在鑄鋼輥軸支座的時代。由于其功能性復(fù)雜，新型支座的研發(fā)難度大。在蕪湖單軌軌道梁支座設(shè)計過程中，在保證安全、可靠的前提下，結(jié)合橋梁支座發(fā)展的趨勢，對鋼-混結(jié)合軌道梁支座進(jìn)行了研究及創(chuàng)新。

2 軌道梁支座特點

一般橋梁支座主要為承壓結(jié)構(gòu)，能夠承受一定的水平荷載并具備轉(zhuǎn)動及平動功能，故軌道梁支座的受力復(fù)雜程度及功能性要求均高于一般橋梁支座[4]。重慶單軌軌道梁梁寬850 mm，蕪湖單軌軌道梁梁寬690 mm，見圖4。由于軌道梁橫向尺寸較小，在橫向風(fēng)荷載、搖擺力等作用下，容易導(dǎo)致支座一側(cè)受拉、一側(cè)受壓。梁端狹小的情況下，還需與防落梁協(xié)同設(shè)計。軌道梁線形精度要求較高，梁部與墩臺之間的施工誤差只能靠支座的線形調(diào)整功能消除，故支座不僅需要具備豎向調(diào)高能力，還需具備縱、橫向調(diào)整功能。除此以外，軌道梁支座還應(yīng)滿足單軌列車平穩(wěn)行駛、低噪聲等要求，能夠承受列車荷載反復(fù)變化的疲勞作用。

圖4 軌道梁標(biāo)準(zhǔn)截面(單位：mm)

3 蕪湖單軌支座方案研究

3.1 PC軌道梁支座

蕪湖單軌PC軌道梁支座設(shè)計過程中，部分地段沿用了技術(shù)成熟的重慶單軌鑄鋼拉力支座的結(jié)構(gòu)模式。采用鉸軸式結(jié)構(gòu)，用上下擺雙肢的孔和鉸(輥)軸的承壓傳遞軌道梁的豎向壓力和上拔拉力；用上下擺雙肢的孔和鉸(輥)軸的轉(zhuǎn)動適應(yīng)軌道梁在列車作用下引起的梁端轉(zhuǎn)角；用輥軸和上擺雙肢孔承壓板間的滾動滿足軌道梁的縱向位移。豎向壓力經(jīng)凸輪繼續(xù)向下傳遞，拉力則通過錨桿傳遞至錨固在墩臺混凝土中的錨箱。錨箱采用空心薄壁鋼箱結(jié)構(gòu)，錨桿在錨箱中可水平移動，以實現(xiàn)支座的水平調(diào)整功能。調(diào)整完畢后，通過支座下擺與暗銷之間的楔緊塊將支座固定，以保障運(yùn)營時車輛的平穩(wěn)行駛、降低噪音；通過在凸輪下面填塞鋼墊板的方式，實現(xiàn)支座的調(diào)高功能。在地震發(fā)生時，暗銷可提供較強(qiáng)的抗剪能力，防止落梁。這種拉、剪分離的結(jié)構(gòu)模式，實現(xiàn)了軌道梁支座的線形調(diào)整、防落梁等附加功能的要求。

蕪湖單軌軌道梁的標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸為690 mm×1 600 mm(寬×高)，重慶單軌軌道梁的標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸為850 mm×1 500 mm(寬×高)。截面寬度的減小給支座構(gòu)造的設(shè)計增加了難度，截面高度的增加也增大了支座所承受的橫向彎矩荷載。對于曲線軌道梁支座，由于橫向彎矩的作用，曲線外側(cè)壓力較大。在設(shè)計過程中，通過縮小支座橫向尺寸，提高支座材料等級，合理匹配曲線內(nèi)外側(cè)鉸軸及輥軸的接觸長度(曲線外側(cè)由于壓力大、拉力小，擺支采用變截面設(shè)計，見圖5)來解決上述問題。

圖5 鑄鋼拉力支座示意(活動支座)

3.2 鋼-混結(jié)合軌道梁支座

日本單軌、重慶單軌的簡支鋼軌道梁仍采用與PC軌道梁類似的鑄鋼拉力支座。由于鑄鋼拉力支座構(gòu)造復(fù)雜，支座價格較高。為了降低工程造價，研究一種球型支座代替鑄鋼拉力支座的方案。由于普通球型支座無法適用于拉-壓疲勞荷載的作用，蕪湖單軌雙線簡支鋼-混結(jié)合軌道梁通過加強(qiáng)兩榀軌道梁之間的橫聯(lián)剛度，使其在橫向荷載作用下，支座位置不再產(chǎn)生拉力；單線簡支鋼-混結(jié)合軌道梁通過設(shè)置梁端橫梁增大梁端支座的橫向間距，并灌注混凝土壓重，使支座位置不產(chǎn)生拉力。

雖然梁端拉力的問題得到了解決，但當(dāng)軌道梁曲線半徑較小時，抗傾覆安全系數(shù)仍然難以滿足規(guī)范要求。為此研發(fā)了抗拉球型支座，將抗拉能力作為安全儲備，提高軌道梁的抗傾覆能力。同時，創(chuàng)新性地對抗拉球型支座、承壓球型支座分別設(shè)置了線形調(diào)整機(jī)構(gòu)，以滿足軌道梁線形調(diào)整的需求。具體設(shè)計方案如下。

(1)抗拉球型支座

①在支座側(cè)面擋條端部增加抗拉板，抗拉板一端通過螺栓與下座板擋條連接，另一端勾住上座板盆凸，在拉力出現(xiàn)時保持支座的整體性(見圖6～圖8)。

圖6 抗拉球型支座構(gòu)造(順橋向)

圖7 抗拉球型支座構(gòu)造(橫橋向)

圖8 抗拉裝置示意

②當(dāng)抗拉板直接壓在盆凸上時，將影響支座的轉(zhuǎn)動能力，在保證支座轉(zhuǎn)動能力的情況下，抗拉板與盆凸之間需設(shè)置較大的間隙，在拉力出現(xiàn)時，間隙會造成支座上下座板的脫離，影響結(jié)構(gòu)安全和使用。通過在盆凸上鑲嵌抗拉滑板，利用滑板的壓縮變形保障支座的轉(zhuǎn)動能力，抗拉滑板和不銹鋼板組合使用，可保障支座轉(zhuǎn)動后不影響活動支座的平動。

③在支座底面設(shè)置軸套、軸套壓板及底座板，見圖9。通過調(diào)整軸套上的螺栓孔位置，實現(xiàn)支座的水平位置調(diào)整；通過在支座頂面與梁底之間填塞鋼板實現(xiàn)支座的豎向高度調(diào)整。支座的水平及豎向調(diào)整能力可滿足軌道梁線形調(diào)整的需求。

圖9 支座水平調(diào)整裝置示意

④支座水平調(diào)整時，根據(jù)調(diào)整量，重新對軸套上的螺栓孔位進(jìn)行加工。利用三維千斤頂頂起軌道梁，使支座本體與底座板之間脫離，將軌道梁頂移到設(shè)計位置后，更換軸套，再擰緊連接螺栓。軸套和下座板之間利用軸套壓板連接。

(2)承壓球型支座

①在普通球型支座底面增加了凹槽式的底座板及限位鋼板，見圖10～圖12。通過調(diào)整下座板四周限位鋼板的厚度來實現(xiàn)支座水平位置調(diào)整；通過在支座頂面與連接架之間填塞鋼板來實現(xiàn)支座豎向高度調(diào)整。支座的水平及豎向調(diào)整能力可滿足軌道梁線形調(diào)整的需求。

圖10 承壓球型支座構(gòu)造(順橋向)

圖11 承壓球型支座構(gòu)造(橫橋向)

圖12 支座水平調(diào)整裝置示意

②支座水平調(diào)整時，利用千斤頂擠壓限位鋼板中的楔緊塊，限位鋼板頂推支座下座板實現(xiàn)支座的水平移動。線形終調(diào)后，將楔緊塊擠緊焊牢。

③支座底座板構(gòu)造簡單，可直接鑄造成形或機(jī)械加工成形。

4 安裝工藝

4.1 PC軌道梁支座安裝

(1)軌道梁支座通過上擺的錨固鋼筋與梁體相連。

(2)下擺、上擺由銷軸連接成一體，在軌道梁制作時，錨固鋼筋和梁體澆筑在一起。

(3)支座安裝時其類形、規(guī)格、位置和方向等符合梁部要求，安裝后支座與臺車接縫處應(yīng)密封良好。

(4)把球形螺母座裝入錨桿，使用螺釘插入球形螺母座兩半圓孔內(nèi)，然后放入錨箱內(nèi)。

(5)安裝蓋板、活動板、凸輪，調(diào)整凸輪間距至設(shè)計位置，在相鄰兩凸輪上放上平尺，測量平尺與凸輪圓弧接觸點處高程。如超差，可更換不同厚度的調(diào)整片調(diào)節(jié)高程，以保證兩點處高程相同。

(6)用吊具吊起梁體(含支座)，使4個錨桿穿過支座下擺螺孔。粗調(diào)梁體縱向和橫向位置。

(7)裝入楔緊塊，楔緊塊厚度可現(xiàn)場配制，調(diào)整支座縱向和橫向位置至符合要求后，固定四方楔緊塊。

(8)安裝球面墊圈、鎖緊螺母，用手提住錨桿，旋轉(zhuǎn)90°，使錨桿頭部扁方垂直于PC梁縱向方向。提起錨桿，鎖緊螺母至球面墊圈接觸。用手轉(zhuǎn)動錨桿，應(yīng)能感覺到球面螺母座扁方卡入連接板槽中，此時，方可旋緊鎖緊螺母，施加預(yù)緊扭矩[13]。

4.2 鋼-混結(jié)合軌道梁支座安裝

鋼-混結(jié)合軌道梁支座的安裝工藝與普通球型支座類似：在墩臺施工時，只需預(yù)留支座錨栓孔，支座通過連接螺栓、套筒及錨栓與墩臺連接。預(yù)留錨栓孔尺寸稍大于錨栓尺寸，可消除制梁及架梁的施工誤差，提高安裝精度。支座通過連接螺栓安裝在梁底，落梁后通過重力式灌漿法灌注支座錨栓孔，實現(xiàn)支座錨栓在墩臺上的錨固，完成支座安裝[14]。

5 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

5.1 PC軌道梁支座

由于材料、加工模具、工藝熟練程度等因素的影響，鑄鋼拉力支座的數(shù)量越多、單價越低。根據(jù)對蕪湖單軌項目實際工程費用的調(diào)查，單個鑄鋼拉力支座造價約3萬元，雙線造價約600萬元/km。

5.2 鋼-混結(jié)合軌道梁支座

鋼-混結(jié)合軌道梁球型支座重量輕、用料少、制造工藝較簡單。根據(jù)對蕪湖單軌項目實際工程費用的調(diào)查，單個球型支座價格約1.5萬元，雙線每km造價約200萬元(按平均跨度30 m的軌道梁計算)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)僅為傳統(tǒng)鑄鋼拉力支座的33%左右，且安裝工藝簡單、定位精度高。

6 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

6.1 PC軌道梁支座關(guān)鍵技術(shù)

(1)活動支座的輥軸既能夠傳遞拉壓荷載，又能夠?qū)崿F(xiàn)支座的轉(zhuǎn)動及平動。由于處于線接觸狀態(tài)，對材料的強(qiáng)度要求較高，需通過化學(xué)熱處理提高材料的表面硬度。

(2)支座承受拉壓疲勞荷載，通過對錨桿施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，以降低錨桿的疲勞應(yīng)力幅值。

(3)支座錨桿抗拉能力強(qiáng)，但抗剪能力差，應(yīng)與基座板垂直安裝，防止傾斜后發(fā)生拉剪破壞。下擺與暗銷之間的楔緊塊也應(yīng)填塞牢固，確保行車過程中不會松動，并能夠有效傳遞水平力。

(4)為保證支座錨桿只受拉、不受剪，要求錨桿與基座板垂直安裝，并采用球面螺母，以適應(yīng)安裝誤差。

(5)支座錨箱底部周圍混凝土主拉應(yīng)力較大，需布置一定的加強(qiáng)鋼筋。

通過對PC軌道梁支座的設(shè)計及使用情況進(jìn)行總結(jié)，未來可優(yōu)化的方向主要有以下兩點：①將活動支座輥軸的線接觸改為面接觸，避免應(yīng)力集中，提高其耐久性；②減小錨箱、錨桿等錨固系統(tǒng)的體積和重量，降低對下部結(jié)構(gòu)施工的干擾，同時降低支座造價。

6.2 鋼-混結(jié)合軌道梁支座

球型支座本不具備直接應(yīng)用于跨座式單軌軌道梁的條件，通過對其進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，使其成功應(yīng)用于簡支鋼-混結(jié)合梁。其關(guān)鍵技術(shù)主要包含以下幾點。

(1)通過抗拉板和抗拉滑板的設(shè)置，使球型支座具備抗拉能力，且不影響支座的轉(zhuǎn)動。

(2)通過支座底座板、螺栓軸套、壓板的設(shè)置，使抗拉球型支座具備水平調(diào)整功能。

(3)通過支座底座板和限位鋼板的設(shè)置，使承壓球型支座具備水平調(diào)整功能。

鋼-混結(jié)合軌道梁球型支座具有傳力途徑明確、結(jié)構(gòu)尺寸小、構(gòu)造簡單、便于生產(chǎn)和質(zhì)量控制、安裝方便、定位精度高等優(yōu)點。并且較傳統(tǒng)鑄鋼拉力支座造價低，具有明顯的社會、經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語

目前，蕪湖單軌1號線已全線貫通，軌道梁支座各項性能良好。在本項目中，采用了新型球型支座。由于雙線兩榀PC軌道梁之間設(shè)置橫聯(lián)的施工難度較大，不能采用鋼-混結(jié)合軌道梁的方案進(jìn)行設(shè)計， PC軌道梁仍保守地采用傳統(tǒng)的鑄鋼拉力支座。傳統(tǒng)鑄鋼拉力支座雖具有功能性強(qiáng)、傳力途徑明確、安全可靠等優(yōu)點，但同時也具有構(gòu)造復(fù)雜、接觸應(yīng)力集中等缺陷。

跨座式單軌簡支體系中，鑄鋼拉力支座在PC軌道梁總造價中占比較大，故研發(fā)受力性能好、價格低的PC軌道梁新型支座，對跨座式單軌制式的推廣使用具有重要意義。