懸掛式單軌大跨連續梁關鍵構造研究

陳麗莎CHEN Li-sha

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

1 概述

懸掛式單軌[1-4]作為一種新型軌道交通制式，具有占地少、對復雜地形環境的適應能力強、投資少、環境適應性高、觀光性好等優點。軌道梁作為懸掛式軌道系統的承載體，起到承載車輛、牽引電網載體和規定列車行駛路線等作用，這不僅是懸掛式軌道系統的基石，也是該系統有別于其他軌道交通系統的一大技術特點。大跨徑的懸掛式單軌橋梁，大多采用“梁軌合一”[5]的箱型截面，其既是車輛的承重結構，又是列車運行的軌道，兼有承載、導向和穩定車輛的多重功能。

本文針對懸掛式單軌大跨連續梁的軌道梁截面形式及線間橫向連接等關鍵構造展開研究，旨在為同類型懸掛式單軌連續梁設計提供參考。

2 軌道梁截面形式研究

以一孔（30+50+25）m 懸掛式單軌連續梁為例，為深入分析軌道梁截面形式對連續梁結構受力情況的影響，利用Midas Civil 2022 軟件建立（30+50+25）m 連續梁的梁單元有限元模型（圖1）。墩、蓋梁、橫梁與軌道梁均采用梁單元模擬。為了保證結構的安全性、提高行車舒適度，本章重點研究了截面形式對車橋耦合動力特性及結構剛度、應力狀態的影響。

圖1 連續梁有限元模型

2.1 截面形式對車橋耦合動力特性的影響

為研究截面剛度對車-橋振動響應的影響，分別計算時速40km/h、60km/h、80km/h 三種工況下（30+50+25）m 連續梁采用不同軌道梁截面時的動力響應。計算涉及的不同截面見圖2。

圖2 典型截面示意圖

匯總不同截面、不同車輛行駛速度下的連續梁車輛動力響應最大值計算結果，匯總見表1～表3。

表1 截面一（頂+側箱截面）車輛動力響應最大值計算結果

表2 截面二（側箱截面）車輛動力響應最大值計算結果

表3 截面三（頂箱截面）車輛動力響應最大值計算結果

提取在滿足乘車舒適性前提下，不同截面、不同車輛行駛速度下的橋梁振動位移和梁體加速度計算結果，匯總見表4～表6。

表4 截面一（頂+側箱截面）振動位移和加速度計算結果

表5 截面二（側箱截面）振動位移和加速度計算結果

表6 截面三（頂箱截面）振動位移和加速度計算結果

通過考慮三種不同軌道梁截面形式，對懸掛式單軌（30+50+25）m 連續梁橋進行車橋耦合動力仿真分析，得到如下結果：

①采用截面二（側箱截面）時，車輛只有在車速為80km/h 時，1 車的Sperling 平穩指標[6]超過了2.5，但小于3.0。車內乘客舒適性能達到較為理想的乘坐體驗，達到“優秀”的級別。橋梁豎向最大動位移達到27.51mm，為三種截面中橋梁動位移最大。

②采用截面三（頂箱截面）時，車輛以不同時速運行在連續梁橋上，車內乘客舒適性均能達到較為理想的乘坐體驗，達到“優秀”的級別。橋梁豎向最大動位移達到20.7mm。

③采用截面一（頂箱+側箱截面）時，車輛以不同時速運行在連續梁橋上，車內乘客舒適性均能達到較為理想的乘坐體驗，達到“優秀”的級別。橋梁豎向最大動位移為17.05mm，為三種截面中橋梁動位移最小。

2.2 截面形式對結構剛度及應力狀態的影響

為研究截面形式對結構剛度及應力狀態的影響，分別計算采用不同軌道梁橫截面的情況下，軌道梁在列車荷載、風荷載、溫度等作用下的剛度指標以及應力狀態，具體情況見表7～表9。

表7 不同截面軌道梁剛度指標對比（一）

表8 不同截面軌道梁剛度指標對比（二）

表9 不同截面軌道梁應力指標對比

對不同截面形式下的軌道梁結構剛度及應力水平數據進行分析，得到結果如下：

①三種截面形式的軌道梁在車輛荷載作用下的豎向撓跨比及梁端豎向轉角均在規范限值內，截面的豎向抗彎剛度滿足要求；在列車荷載、風荷載、溫度、離心力等作用下，三種截面的梁端橫向轉角均滿足要求；頂箱+側箱組合截面在各個剛度指標上均明顯優于其他截面。

②三種截面形式的軌道梁應力均滿足規范限值要求；僅設頂箱或僅設側箱截面，二者應力差距不大，頂箱+側箱組合截面軌道梁應力極值有明顯降低。

3 橫向連接構造研究

以一孔（30+50+25）m 懸掛式單軌連續梁為例，軌道梁采用左右線連續梁雙幅布置，線間采用橫梁連接以增強結構的整體剛度和穩定性。為了保證結構的安全性、提高結構的經濟性，本章重點研究線間橫梁的截面形式及空間分布對結構剛度和應力狀態的影響。

3.1 橫梁截面形式

按三跨連續梁中跨等間距設置2 道橫梁、兩邊跨各等間距設置1 道橫梁考慮（圖3～圖4），橫梁截面分別采用如圖5 所示工字型截面與閉口箱型截面進行比選研究。箱型截面為寬864mm、高550mm 的單箱單室矩形截面，頂、底板厚20mm，腹板厚24mm；工字型截面頂、底板厚20mm，腹板厚24mm，高度為550mm，頂、底板寬度為600mm。

圖3 邊跨橫梁布置形式

圖4 中跨橫梁布置形式

圖5 閉口箱型橫梁截面（左）與工字型橫梁截面（右）（單位：mm）

采用Midas Civil 2022 軟件建立（30+50+25）m 連續梁的梁單元有限元模型（圖6），對采用不同截面型式的雙線軌道梁進行計算，各項指標對比結果見表10～表11。

表10 橫梁工字型截面與閉口箱型截面剛度指標對比

表11 橫梁工字型截面與閉口箱型截面應力指標對比

圖6 Midas 模型（閉口箱型橫梁截面與工字型橫梁截面）

計算結果表明，結構分別采用工字型橫梁與閉口箱型橫梁截面時，活載作用下軌道梁的豎向撓度以及主力作用下的應力相差不大，但就橫向整體剛度而言，閉口箱型截面的橫向撓跨比相對較小，箱型截面優于工字型截面。此外，當采用閉口箱型截面時，主力作用下橫梁應力為61.1MPa，較工字型截面橫梁應力80.5MPa 降低約30%。因此，研究推薦線間橫梁采用閉口箱型截面。

3.2 橫梁分布個數

為進一步探明閉口箱型截面橫梁的跨間分布個數對結構橫向剛度及應力狀態的影響，分別考慮在（30+50+25）m 連續梁中跨等間距設置1～3 道橫梁，計算結果對比見表12～表13。

表12 橫梁分布個數對結構剛度的影響

表13 橫梁分布個數對結構應力水平的影響

上述結果表明，當結構中跨分別設置1～3 道閉口箱型截面橫梁時，結構的橫向剛度分別為11020.5kN/m、12645.4kN/m 以及13939.2kN/m，結構橫向剛度隨著橫梁數目的增加而增大。主力作用下軌道梁的應力分別是-112.7～121.1MPa、-103.5～113.2MPa 以 及-111.6～119.0MPa，就整體而言，主梁應力、豎向撓度以及梁端豎向折角與橫梁數目之間的相關性較弱。

4 結論與建議

本文通過對懸掛式單軌（30+50+25）m大跨連續梁進行研究，從結構剛度、應力水平、車橋耦合動力特性等角度對比分析了軌道梁截面型式、軌道梁線間橫向連接構造等對橋梁受力及運營的影響，得到主要結論及建議如下：

①總體而言，頂箱+側箱組合截面結合了頂箱截面與側箱截面的共同優勢，車內乘客舒適性能達到較為理想的乘坐體驗，在車輛橫、豎向平穩性上均表現優異，達到優秀品級。

②頂箱+側箱組合截面在各種剛度指標上均明顯優于其他兩種截面，體現出良好的抗彎、抗扭性能。

③軌道梁截面同時設置封閉頂箱和封閉側箱后，其應力水平有明顯降低，但同時也意味著需要更多的用鋼量。在設計懸掛式單軌大跨連續梁、尤其是線路位于曲線上時，建議軌道梁采用頂箱+側箱組合截面，結構的力學性能會更優。

④橫梁采用閉口箱型截面時結構的橫向整體剛度優于工字型截面，豎向撓度以及軌道梁應力相差不大；推薦采用閉口箱型橫梁。

⑤結構橫向剛度隨著橫梁數目的增加而增加，建議軌道梁跨中橫梁數目以及空間分布方案的擬定應綜合考慮經濟性與安全性。