懸掛式單軌單肋式拱橋設計參數敏感性分析*

宋廣林

(中鐵上海設計院集團有限公司, 200040, 上海)

懸掛式單軌作為一種建設成本低、周期短、占地少的中低運量城市軌道交通(以下簡稱“城軌”),受到國內外建設方的青睞。目前,其在德國、日本已有一定的建設規模,在國內也建成了一些示范線[1]。依據目前的建設規模,常規跨徑為20～30 m的軌道梁是常見的結構形式。文獻[2]利用MATLAB軟件研究了不同加勁肋間距及不同板厚對30 m跨度軌道梁撓度的影響,得到了經濟合理的軌道梁構造。文獻[3]研究了城軌線路曲線半徑為60 m時,橫梁結構對不同跨徑梁安全性和經濟性的影響。文獻[4]分析了不同跨度下軌道梁的結構形式,確定了長度為30 m梁是懸掛式單軌的合理構造。文獻[5]介紹了常規懸掛式單軌梁的構造特點,并簡述了其制造工藝。然而隨著懸掛式單軌建設規模的擴大,以及對景觀、環保要求的提高,不可避免地出現跨越河道與古建筑景區的結構,傳統的小跨徑梁不再適用。文獻[6]對鐵路剛架拱橋進行了設計和總體分析,文獻[7]對鐵路提籃拱橋的設計參數和結構敏感性進行了研究。綜上,目前業內對于懸掛式單軌拱橋的相關研究較少。

本文以湖南某景區旅游空中列車項目為研究背景,設計了計算跨度為60 m的單肋式鋼箱拱剛性吊桿雙線軌道梁結構,建立了桿系和板殼單元三維模型。選取主梁底板、腹板及頂板的厚度以及加勁肋間距等不同數據為設計變量參數,對其進行剛度、應力及翹曲畸變敏感性評價,研究結果可為相關設計提供借鑒。

1 技術標準

現階段國內對懸掛式單軌尚無統一標準[8],四川、河南、江蘇、湖北、黑龍江等省份編寫的一些地方標準和征求意見稿等,大都以國內鐵路、地鐵標準為藍本。本文綜合各方因素,采用的技術標準如表1所示。

表1 技術標準

2 拱橋設計

2.1 設計思路

觀光空中列車的設計速度不大于 40 km/h,為游客提供了更好的游覽環境,使游客可以近距離觀賞美景。橋梁跨越景區湖泊,采用跨度為60 m的拱橋,避免了湖中設墩;采用富有形態美、協調美及人文美的拱橋結構,橋上觀湖、湖中映橋,使整個系統融入景區,成為景區一道美麗的風景線。

2.2 結構構造

單肋式拱橋立面圖、側視圖分別如圖1、圖2所示。計算跨度為60 m,拱橋為雙線橋,線間距為5.6 m,主拱采用鋼箱拱;共布置11對H型鋼剛性吊桿,吊桿縱向間距為5 m,吊桿設置為斜傾;主梁采用等截面U型截面,中橫梁和平聯采用工字梁,端橫梁采用鋼箱梁。其中:吊桿和中橫梁形成穩定的空間三角體系,增強了單肋式主拱的側向穩定;采用拱、梁、墩剛接形式,端橫梁與橋墩共用蓋梁,這相對傳統的采用軸銷和支座的形式,具有剛度大、簡潔美觀、施工方便的特點;橋墩采用上部鋼結構、下部混凝土的組合結構,增強了橋墩的防撞性及耐久性,使其具有更好的環境適應能力。

圖1 拱橋立面圖

尺寸單位:cm

2.3 敏感因子定義

剛度是城市軌道交通橋梁設計的重要指標[9]。大跨度單肋式鋼箱拱橋,其矢跨比,主梁高度,主拱、吊桿、橫梁及橋墩的寬度和高度等參數對剛度設計均有影響。主梁的鋼板厚度以及加勁肋間距等參數對于主梁的應力亦有影響。為定量分析各個參數對拱橋剛度和強度的影響程度,本文提出敏感因子計算式(見式(1))。各參數的敏感性評價見表2。

表2 單肋式拱橋各參數的敏感性評價

(1)

式中:

δ——敏感因子;

ΔA——對應參數計算結果的變化值;

A0——對應參數計算結果的初始值。

3 主橋剛度敏感性評價

3.1 參數選取

采用Midas軟件建立主橋桿系模型,如圖3所示。其中梁單元為282個,全橋鋼材均采用Q355,主拱采用圓曲線拱。為分析不同設計參數對主橋剛度的影響,對該模型的主要參數從小到大進行取值,見表3。

圖3 主橋桿系模型

表3 主橋桿系模型主要參數取值

3.2 主橋剛度敏感性分析

主橋在靜活載作用下的豎向撓度限值為60 mm,在搖擺力及風力作用下的水平位移限值為15 mm,梁端轉角要求不大于3‰。各參數的計算結果均滿足主橋剛度限值要求,只是δ各有不同。依據本文評價指標,對于豎向撓度,矢跨比的δ為15.8%,主拱尺寸的δ為7.2%,其余參數的δ均小于5%;對于水平位移,中橫梁尺寸的δ為31.9%,矢跨比的δ為8.9%,主梁高度的δ為10.1%,其余參數的δ均小于5%;對于梁端轉角,橋墩尺寸的δ為9.5%,主梁高度的δ為6.3%,主拱的δ為5.6%,其余參數的δ均小于5%。主橋剛度主要影響參數敏感性評價見表4。

表4 主橋剛度主要影響參數敏感性評價

針對剛接的單肋式拱橋,主梁的豎向撓度,矢跨比是敏感性參數,主梁高度對其影響次之,其余參數對其影響不大;對于主梁的水平位移,中橫梁尺寸是敏感性參數,矢跨比和主梁高度對其略有影響,其余參數對其影響不大;對于梁端轉角,橋墩尺寸是敏感性參數,其余參數對其影響不大。因此,采用等截面梁高1.1 m,主拱尺寸0.8 m(高度)×1.2 m(寬度),矢跨比1∶6等參數較小的取值即可滿足主橋設計要求。

4 主橋應力敏感性評價

4.1 參數選取

采用ANSYS軟件建立主橋板殼單元三維模型,見圖4。其中:主拱、主梁和橫梁采用shell63單元,吊桿和平聯采用beam189單元。主橋應力敏感性分析中的主要參數由小到大取值,見表5。

a) 整體圖

b) 梁端局部模型

表5 主橋應力敏感性分析中的主要參數取值

4.2 主橋應力敏感性分析

對主橋結構施加作用于跨中的雙線活載和自重。對于底板應力,加勁肋間距的δ為31.1%,底板厚度的δ為9.5%,腹板厚度的δ為5.4%,其余參數的δ均小于5%;對于頂板應力,頂板厚度的δ為16.1%,腹板厚度的δ為11.4%,底板厚度的δ為9.3%,其余參數的δ均小于5%;對于腹板應力,加勁肋間距的δ為35.1%,腹板厚度的δ為18.1%,底板厚度的δ為9.5%,其余參數的δ均小于5.0%。主橋應力主要影響參數敏感性評價見表6。

表6 主橋應力主要影響參數敏感性評價

加勁肋間距是底板和腹板應力計算中的敏感性參數。頂板的平均應力約16 MPa,應力較小,且應力集中出現在錨固點位置,可采用合理的局部構造進行處理。主橋加勁肋間距取1.25 m,鋼板厚度以14 mm為主即可。

4.3 主橋溫度應力計算

主橋為剛架拱橋[6],其中拱、梁、墩均采用剛接,因此其溫度應力是不可忽略的。拱橋主要部位的最大溫度應力計算結果見表7。結合自重和活載應力計算結果,驗證了拱橋結構應力滿足鋼材容許應力要求。

表7 拱橋主要部位的最大溫度應力

5 主梁翹曲畸變敏感性評價

主梁為開口的薄壁U型截面,存在翹曲畸變的特點[10]。主梁跨中截面橫向畸變位移云圖,如圖5所示。由圖5可見:在局部車輪壓力作用下,外側腹板有向內的側向位移,且越靠近底板側向位移越大;主梁跨中截面橫向畸變效應突出,端部截面縱向翹曲效應突出。對于主梁跨中截面的畸變,加勁肋間距的δ為95.9%,加勁肋厚度的δ為8.1%,腹板厚度的δ為7.8%,底板厚度的δ為5.5%,可見加勁肋間距對于主梁截面的橫向穩定性影響很大;對于主梁端部截面的翹曲,腹板厚度的δ為7.2%,其余參數的δ均小于5%。主梁翹曲畸變δ的計算結果見表8。

單位:m

軌道梁結構為開口的U型截面,其抗扭承載力較差,通過布置在U型截面外側的板式加勁肋提高其抗扭承載力。軌道梁結構內側橫梁和平聯的連接,提高了內側腹板的穩定特征,U型截面的受力特征類似于一邊固結后的L型截面的受力特征。

表8 主梁翹曲畸變δ計算結果

6 結論

1) 對于懸掛式單軌單肋式拱橋,其剛度要求相對應力要求更加控制拱橋設計。

2) 依據10%和5%分級劃分敏感因子來評價主要參數敏感性,矢跨比對主梁的豎向撓度敏感性高,橫梁尺寸對主梁水平位移的敏感性高,橋墩尺寸對梁端轉角的敏感性中等,加勁肋間距對主梁的應力和橫向畸變的敏感性高,腹板厚度對梁端翹曲的敏感性中等。

3) 薄壁結構主梁跨中存在橫向畸變,端部存在縱向翹曲。在中橫梁和平聯的作用下,U型截面主梁趨近于L型截面主梁的變形特點。

4) 主橋采用等截面且凈高為1.1 m的主梁,鋼板厚度以14 mm為主,加勁肋間距取1.25 m,矢跨比取1/6,拱橋剛度和強度均滿足要求。設計中拱橋不同部位宜選用合理的設計參數,避免過大的設計富余。