城市跨座式单轨的发展应用及挑战

康承磊，谢淼，李林飞，任兴伟

（1、中铁四院集团西南勘察设计有限公司昆明650200；2、中国地质大学（武汉）工程学院武汉430074）

跨座式单轨交通有着较低的工程造价，修建前后对周遭环境影响较小，采用桥跨方式导致其占地少，并且其爬坡能力不俗能适应较多地形，正是着上述众多优点，它成为当代城市轨道交通系统中重要的组成部分［1］。跨座式单轨交通走行系统独特，其车体跨坐于轨道梁之上，全部列车荷载由单条轨道梁承载。车辆下部前后各设有转向架，其每个转向架均配有橡胶材质充气轮胎，分别为沿轨道梁上部表层摩擦滑动的走行轮，轨道梁侧面配有导向轮和稳定轮，这一特点明显区别于其他城市轨道交通［2］。

作为从日本引进的交通技术，国内研究基础相对薄弱。尽管结合技术的转化出台了一版技术规范，但是由于后续的推广应用没有及时跟上，导致相关技术的深入研究和进一步提升也缓和下来。随着近段时间以来庞巴迪单轨列车、比亚迪云轨、云巴的推广应用，又一次唤醒了人们对于跨座式单轨交通相关应用技术的研发。本文旨在对跨座式单轨交通发展历史及其动力学研究进行一个系统性的梳理，为这一领域相关研究的发展提供一些有限的帮助。本文首先介绍了跨座式单轨交通的发展历史，结合其独特的结构和运行模式阐明其自身优势，之后介绍其结构的动力学研究现状，从结构形式、结构优化、动力学模型3 个方面阐述了目前国内外学者的研究现状，最后对研究现状做了简单总结，并对进一步的研究提出建议。

1 跨座式单轨发展历程及自身优势

1.1 发展历史

1876 年，现代跨座式单轨交通的鼻祖——蒸汽双层列车在美国百年纪念博览会上展出，其具有独特的结构形式并采用旋转蒸汽机式的驱动方式［3］，如图1 所示。虽然动力驱动效率低，但其独特的跨骑结构形式为现代跨座式单轨交通开创了先河。

世界上第一条跨座式单轨运行线路是在19 世纪80 年代末期铺设于爱尔兰巴利巴宁镇与里斯托尔镇之间，随后不断上涨的运营成本和公路运输的蓬勃发展，令该线路在不到40 年的运营时间里便被关闭［4］。1957 年瑞典的Axel Lennart Wenner-Gren 博士在前期单轨试验的基础上建立了著名的ALWEG 单轨系统，随后逐渐被世界各大城市所认可。1964 年日本日立公司在通过技术引进研发日立-ALWEG 系统后，成功建立了羽田机场线路［5］。该条线路不仅是跨座式单轨交通在世界上首次实际运用在城市交通中，同样也标志着跨坐式单轨交通这一方式开始成为城市轨道交通的组成部分。现如今世界上仍有许多国家都运营有跨座式单轨线路，例如日本、美国、澳大利亚等，本文针对其特点分为几类典型单轨车辆，如表1所示。

图1 美国百年纪念博览会上的蒸汽双层单轨车[3]Fig.1 Steam double-decker monorail at the Centennial American Expo

表1 典型跨座式单轨Tab.1 Typical Straddle Type Monorail

国内在本世纪初从日本引进跨座式单轨交通，虽然起步较晚，但其发展迅猛。近些年来国内跨座式单轨交通发展迅猛，其中以比亚迪生产的“云轨”系统为代表，其运量属于中小水平，能填补现有常用城市轨道交通以外的运输需求。此外，中车四方股份有限公司在吸收日本日立公司的双轴转向架单轨技术上已具备独立生产跨座式单轨列车的能力。而中车浦镇庞巴迪有限公司通过国际合作、技术引进和自主创新等多种方式也具备生产跨座式单轨系统的能力。这些公司的技术创新和研发为我国城市轨道交通事业发展带来极大助力。目前国内主要跨座式单轨列车如图2所示。

1.2 跨座式单轨交通的优势

跨座式单轨交通是一种优良的中运量轨道交通系统，具有环保性能优异、复杂地形地貌及城市密集区适应能力强、建设周期短投资低、桥跨大净空所带来的景观效果好等优点。

⑴ 环保性能优异，主要体现在对大气环境影响小以及运行产生噪声、振动小。由于跨座式单轨列车采用橡胶轮胎运行，其运行过程中会有轮胎磨损消耗，但何希和［6］通过对重庆跨座式单轨 2、3 号线全天运行环境进行PM2.5 监测，未发现橡胶轮胎对环境污染有显著影响；此外也有研究认为列车运行时橡胶轮胎磨耗形成的橡胶颗粒硬度和容重较大，无法形成飘散型可吸收颗粒物［7］。再者，跨座式单轨与城市机动车驱动方式相同，目前有报道［8］指出道路交通产生的轮胎磨耗粉尘不会形成大气污染，那么这说明跨座式单轨交通也不会产生粉尘污染。目前已广泛运营的地铁、轻轨以钢轮钢轨系统为主，而相比较前者，跨座式单轨所采用充气橡胶胶轮系统，可有效减少或消除滑动振动和噪声。此外，跨座式单轨普遍采用高架简支梁桥的建设模式，运行过程所产生的振动需要通过整体梁桥的传递衰减，因而其对周遭的振动影响小于地铁和地面轻轨［9］。

图2 国内单轨主要车型Fig.2 Main Domestic Monorail Models

⑵建设周期短、投资低。跨座式单轨交通工程造价相对较低［10］。目前国内跨座式单轨工程投资综合经济指标仅为城市地铁投资的三分之一不到。虽然跨座式列车运行成本中牵引耗能较高，但是地铁交通涵盖地下所需要的环控通风辅助耗能等综合投资成本远远高于以高架为主的跨座式单轨。因为跨座式单轨的轨道梁是模块结构，可组织工厂化生产和提前预制，并在夜间吊装架设，这些优势都有利于降低工程建设对日益恶化的城市地面交通的影响，缩短工程建设周期。

⑶地形地貌适应能力强。相比轻轨和地铁交通，跨座式单轨的爬坡性能更强以及所需的转弯半径更小，对复杂城市环境具有更好的适应性。这使得跨座式单轨在选线时地形制约小，以此能节省工程投资和避免拆迁工程。因此跨座式单轨不仅适合山城，也适合位于丘陵平原有着复杂城市环境或复杂工程水文地质条件的城市。

2 跨座式单轨结构动力研究

2.1 跨座式单轨结构形式

跨座式单轨交通主要由上部的车辆和轨道结构，下部则为高架梁桥、隧道、路基、附属设备以及站场和车场等组成。但是其中主要不同的要素主要是车体下部的转向架、道岔区结构和轨道梁这三部分。其原因是因为结构繁琐、制作工艺复杂、精度要求高被认为是跨座式单轨交通中三项最关键的技术［11］。跨座式单轨交通标准形式如图3所示。

图3 跨座式单轨交通简化示意图Fig.3 Simplified Schematic Diagram of Straddle-type Monorail Transportation

跨座式单轨列车由车体和下部前后两台转向架一同组成。转向架是车辆的核心部件，其两侧上方各设两个导向轮，下方各设一个稳定轮。车轴为单悬臂结构，固定在转向架上，每根轴上装有两个走行轮［12］。由于上述三种轮胎均采用橡胶轮胎并充入氮气、空气等气体，因此可以利用轮胎弹性替代一系悬挂的作用，二系悬挂装置也被空气弹簧替代承载作用［13］。转向架结构如图4所示。

图4 转向架结构Fig.4 Bogie Structure

目前，跨座式单轨交通桥梁主要有简支和连续刚构两种体系。以施工工艺为分类标准，轨道梁分为预应力混凝土轨道梁和普通钢筋混凝土轨道梁。预应力混凝土轨道梁多为工厂预制，其铺设形成线路的质量和精度较高，但其成本较高，多于正线中使用；普通钢筋混凝土轨道梁多为现场浇筑，和前者优缺点相反，不能在设置活动模板制梁的地段及挖方区基岩出露地段釆用［13］。为应对城市复杂的建设条件，需采取特殊的措施满足跨越的需求，导致工程造价高、工期长、桥梁景观效果差，且施工及运营期间对道路交通影响大，因此根据跨座式单轨交通桥梁特点合理选择轨道梁及结构体系，以提高其跨越能力，增强其适用性［14］。

跨座式单轨交通系统历经了多年的发展，国内外研究方向各有不同。国外学者对跨座式单轨交通系统的相关研究主要集中在系统介绍、运营成本和设计建设等方面。国内学者对跨座式单轨交通的研究基于重庆市轨道交通2/3 号线的修建，主要是关于轨道梁的优化设计、车辆-轨道自振特性及转向架的结构特点等。目前国内外学者对车辆与轨道梁动力相互作用的研究较少且缺乏较深入的探讨。随着科学技术的进步以及理论创新的步伐的加快，近些年来关于跨座式单轨交通系统的研究热点集中在单轨结构优化设计和轨道结构的动力响应等方面。虽然目前在这一领域取得一定的研究成果，但是随着我国城市交通系统建设脚步加快，所面临的问题愈发复杂和困难，亟需我们更加积极地探索解决关键技术问题。

2.2 跨座式单轨结构优化研究

跨座式单轨交通系统与普通铁路系统以及地铁系统相类似，但其在单轨车辆、轨道梁、道岔3 个方面有独特的表现［15］。跨座式单轨车辆除了转向架与铁路和地铁用车不同外，其他均类似。转向架在跨座式单轨车辆结构体系中有着举足轻重的地位。跨座式单轨交通安全正常的运行需要对其转向架进行定期必要的维修保养。综上针对跨座式单轨结构优化设计研究主要从车辆转向架、轨道梁和道岔区等三个方面进行论述。

跨座式单轨列车转向架优化。Per Wennhage［16］对三明治结构车体进行有限元建模，考虑多方面的因素进行减重优化。国内结构优化问题研究比较晚，但同样是针对减重优化设计。兆文忠等人［17］侧重于货物罐车，而吕俊［18］以板壳结构体模拟单轨车辆。两者在满足应力条件的前提下，均有不错的减重效果。跨座式单轨轨道梁优化。目前预应力钢筋混凝土轨道梁（PC 轨道梁）在跨座式单轨交通线路上占绝大多数。轨道梁的优化设计大多利用Midas、Anasys 数值模拟软件等对轨道梁的横截面尺寸、材料特性、结构体系等进行研究。张奎等人［19］以跨座式单轨简支梁桥的梁高与预应力钢筋面积作为设计变量，将单片梁的总造价作为目标函数，并取预应力混凝土正截面抗裂性与承载力作为约束条件建立数学模型，运用拉格朗日乘子法等对其进行优化分析与计算比较，推导出具有实用价值的计算公式，最终依据实际工程案例，采用Midas/Civil对计算结果检验；董艳彪等人［20］以一座连续钢箱轨道梁为对象，基于直接网格搜索法与ANSYS 来分析其力学特性。

跨座式单轨道岔的优化。张智栋［21］以道岔梁的模型为基础，对不同荷载下的结构强度进行有限元分析，进行优化设计。靳晓波［22］结合理论分析，数值模拟，模型试验等手段，分析研究了车辆的道岔通过性能，以研究结果为基础，提出了关节道岔的改进措施。

2.3 轨道结构动力学分析研究

轨道结构动力学问题一直是铁路、公路桥梁的核心部分，主要集中于车辆-桥梁耦合模型的振动响应分析，随着理论、电子计算机技术以及实验方法的不断进步，轨道交通结构的动力学分析研究趋近于多元化。相较于地铁高铁，跨座式单轨交通的动力学研究较少。考虑到跨座式单轨独特的走行系统，动力学分析建模成为了最重要的环节。研究者们基于车辆模型，轨道梁模型以及车桥耦合模型，采用不同的技术手段不断发展完善动力学建模理论与动力响应分析。

2.3.1 理论研究

⑴ 车辆模型。2000 年日本 Kenjiro Goda 等人［23］为研究车辆曲线通过性能，建立了车辆与轨道梁模型，其中车辆模型包括假设为刚体的车体和两个转向架，有三个自由度，为日后模型的发展奠定了基础。随后，Lee 等人［24］忽略纵向振动，设置了具有15 个自由度的车辆模型，由空气弹黃连接车体和转向架，转向架和轨道梁之间通过橡胶轮胎（走行轮轮对、导向轮轮对分别4 个，稳定轮轮对2 个）接触，空气弹黃和橡胶均简化为并联的弹簧和阻尼系统。我国任利惠等学者研究较早，他们考虑了轮胎的刚度，侧偏等效应，建立了车辆运动方程，利用MATLAB 编制了仿真程序［25，26］。赵晓亮［27］在车辆模型里增加了车钩缓冲装置，有效抑制了振动。

⑵轨道梁模型。跨座式单轨轨道梁多采用简支梁结构，少数为双层复合与钢结构。PC 混凝土是最常见的材料，除此之外还会附加钢。其尺寸比普通铁路桥梁要小，截面刚度小，振动更加明显。轨道梁主要受到车辆横向和竖向作用力，因此一般采用空间模型进行分析。2005年Lee等人［24］建立了桥梁的三维有限元模型，模型参照一座长约44 m的简支梁，钢-混凝土组合梁结构，计算跨径42.8 m。随后他们［28］参照了一座大阪长约36 m的简支钢桁梁桥，用同样的方法建立了模型。马继兵等人［29］研究了重庆单轨的PC轨道梁、下部承载结构的动力特性。不过上述研究均为直线桥梁，而现实中多以曲线梁为主，曲线梁独特的应力组合可能会导致两者的分析基础大不相同，因而曲线梁的动力分析更为迫切。张凯［30］，黄运华等人［31］，陈雅兰等人［2］通过坐标系变换等手段，建立了曲线桥梁模型。

⑶车桥耦合模型。只考虑单个车辆或是轨道的性质不足以反应跨座式单轨运行的真实情况，耦合模型更为接近实际。Lee等人［24］利用自己建立的车辆模型和轨道梁模型进行耦合，验证分析程序的可靠性。司学通［32］则以公路铁路桥梁为对象，分析了列车与汽车共同作用下的振动响应。张楠等人［33］在此基础上，采用蠕滑理论重新定义轮轨两个方向的作用力，以此建立了考虑动力相互作用的分析模型。乔志［34］建立了三维车辆模型和桥梁模型，以此编制了动力响应分析程序，突出研究轨道的不平顺性，而赵甲荐［35］则侧重于轮轨接触参数的影响。文孝霞等人［36］基于Hamilton 理论建立了轮与轨的三向附着接触耦合模型。陈雅兰［2］则基于全过程迭代法和坐标系转换法建立了列车—曲线桥梁振动耦合模型，以跨径为24 m、曲线半径为300 m 的曲线梁为对象，分析得到了单轨车辆通过曲线桥时的车桥振动特性和规律。除去基础的模型外，Chul-Woo 等人［37］研究了地震作用下的跨座式车辆-轨道梁耦合动力响应分析。张凯［30］同样研究了考虑地震作用下的车辆-曲线梁桥的耦合振动响应。刘羽宇等人［38］则研究了考虑风荷载作用下的跨座式单轨列车-轨道梁耦合振动响应，建立了横向风-车辆-轨道梁耦合分析模型。他们还在新模型中考虑了轮胎侧偏特性，认为该模型结果更接近实际［39］。

2.3.2 数值模拟

考虑到现场试验与模型试验的人力，物理消耗，数值模拟逐渐受到研究者们的青睐。以ADAMS，SIMPACK 等软件为基础建立模型来研究动力响应成为一种常见的手段。周君峰［40］在ADAMS 里建立了车轨模型，并基于从MATIAB 中得到的轨道不平顺数据，分析评价其运行平稳性和安全性。王行聪［41］基于SIMPACK 建立了整套列车的动力学模型以此分析车辆的运行性能。左长永［42］利用ADAMS 建立了车辆-轮胎-轨道梁耦合动力学模型，分析了车辆在最小半径曲线梁的通过性能。杜子学等人［43］基于ADAMS建立了单轨列车及平移式道岔曲线梁的耦合模型，并以计算得到的横向力来衡量硬件的动载荷强度。成金娜等人［44］基于Guyan 缩减法对跨坐式单轨有限元车体进行缩聚，并将模型导入SIMPACK 软件中建立其刚柔耦合模型。

基于上述模型与数值模拟手段，大多学者侧重于不同工况下列车的平稳性，舒适性和安全性以及耦合模型的振动响应特性。但是跨座式轨道交通实测数据相对较少，如何建立与验证精确的车辆-轨道梁耦合模型是重中之重。

3 目前研究面临的挑战

综上所述，跨座式单轨交通尽管具有不少优势，但一般城市的首选依然是地铁轨道交通，除去运输量大的特点外，地铁轨道交通的相关研究和理论已经比较成熟。目前，跨座式单轨交通的技术与理论研究仍然面临着不小的挑战：

⑴车辆-轨道梁耦合模型尚不准确，要考虑的因素有很多：①轨道不平顺。轨道不平顺一直是耦合模型侧向振动的主要激励源，很大程度上决定了车辆的稳定性，舒适性以及模型的准确性。由于跨座式交通独特的走行系统与单轨轨道，实测数据少，很难验证模型的准确性。②曲线梁桥。大部分的耦合模型与数值模拟中的桥梁均为直线型，现实中跨座式单轨多为曲线设计，模型中曲线坐标的转换显得很重要。③动力系数。动力系数是桥梁设计里重要的参数，与很多因素（跨度，车长，轨道不平顺）相关。跨座式轨道交通远远区别于其他桥梁交通，这种参数在国内尚未有统一的标准。④轮胎特性。跨座式单轨交通之所以与众不同，其中一点就是采用了橡胶轮胎，一般模型中将其简化为并联的弹簧和阻尼系统，但轮胎的磨损与结构特性等对列车的运行有影响，不能忽视。⑤其他激励源。除了轨道不平顺外，风荷载与地震荷载也对列车影响较大，但在这方面的研究尚未深入。

⑵实测参数少。①完整的车辆参数。研究多采用日本公布的车辆参数，与国内实际采用的车辆参数存在误差。②实测轨道不平性参数。轨道不平性是车辆的平稳性与舒适性的重要影响因素，目前国内尚无实测不平性样本。③轮胎技术参数。橡胶轮胎作为跨座式单轨交通的独特之处，轮胎的磨损性，结构特性等参数对模型的建立与车辆的运行有影响，但相关研究常常忽略这些作用。

⑶轨道梁的设计和优化复杂。轨道梁设计需要同时满足静力要求与动力要求，但这方面的参数和研究相对较少。PC 轨道梁系统需要在长期运营的情况下满足承载，抗疲劳，抗振动响应等条件。若采用有良好受力性能的钢构桥，又要解决超静定、墩梁固结处力学性能薄弱、桥墩弯矩大等问题。

⑷评判系统不完整。由于缺乏诸如轨道不平性的实测数据，很难精确评判跨座式单轨车辆运行的平稳性、曲线通过性与乘坐舒适性。除此以外，目前我国评判标准多采用《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范：GB 5599-85》，并没有一套完整乘坐舒适性评判标准。

⑸单轨相关规范有限且滞后。虽然新型单轨系统在国际、国内推广应用快速拓展，但是有关单轨系统的规范标准非常有限，同时在新标准的制定和老标准的修订完善方面更是明显滞后，比如《跨座式单轨交通设计规范：GB 50458-2008》里面只出现了比较详细的高架桥梁工程和少量的地下隧道工程方面的技术标准，而路基工程方面的技术标准规范里面没有出现，但是实际工程中并不能完全避开地面路基工程形式的出现。因此，研究这些特殊地段的路基结构形式和技术标准，补齐现有规范短板成为当务之急。

4 研究展望

尽管面临着上述问题，但跨座式单轨交通所具有的优势使其更适合成为二三线城市、地形复杂城市、旅游观光城市的骨干线路甚至于一线城市的非骨干线路。为了使各城市量力而行，选择合适自身需求的交通方式，跨座式单轨交通需要更进一步的发展，才能更好地解决一线城市末尾段和二三线城市交通压力。除了在环境方面需要注意减噪隔音、景观优化、节能减耗外，还需注意进一步研究：

⑴建立精确的车辆-轨道梁耦合模型。①桥梁模型，建立模型时考虑轨道不平顺和曲线桥梁与直线轨道桥梁的结合；②车辆模型，需要考虑轮胎的磨损性能，技术参数以及与轨道的接触理论，逐步完善轮胎对特性对模型计算结果的影响；③特殊荷载，建模时还是需要考虑地震荷载与风荷载，深入研究两者对跨座式单轨运行情况的影响。

⑵参数获取与评判完整化。①除了参照已有的资料外，对车辆参数，轨道不平性、轮胎特性参数的数据利用现有的技术手段进行实测，了解理论值与实际值的误差，为模型的准确性提供强有力的支持。②获取大量的参数后，为进一步建立符合跨座式单轨交通的统一乘坐舒适性和平稳性评定标准提供依据。

⑶进行轨道梁结构优化设计。需对预应力混泥土轨道梁、铸钢支座等进行系统的疲劳、破坏试验和动荷载振动研究等。这不仅在积累基础数据的同时，也可以对设计成果进行检验，更是为以后的工程积累经验。

⑷相关规范制定的提出和补充。首先需要明确目前路基结构及基础形式，然后对路基结构及基础的动力响应特征研究，获取路基结构设计、施工控制指标等关键参数合理范围和措施建议，最后依据研究结果对现有规范提出补充及修订建议。