悬挂式单轨轨道梁关键结构参数优化研究

訾 力

（安徽省铁路投资有限责任公司，安徽 合肥 235300）

1 引言

相比其他公共交通形式，悬挂式单轨系统在天气适应性、建设周期、转弯半径、应用广泛性、乘坐舒适性、观光性、运量的适应性及系统维护保养等方面均有一定优势[1]，更适用于城市轨道交通辅助线或旅游观光线[2]。悬挂式单轨如图1所示。

图1悬挂式单轨示意图

对于悬挂式单轨，设计时相关工作人应重点关注轨道梁尺寸的取值问题。在德国，悬挂式单轨轨道梁采用跨度38m的标准梁，梁结构内轮廓尺寸为1100mm×780mm，列车在轨道梁上运行时最大挠度容许值为20mm。在日本，悬挂式单轨轨道梁结构内轮廓尺寸为1510mm×1490mm[3]。针对我国的实际情况，国内有学者提出，钢箱梁内轮廓尺寸为1550mm×1650mm的一种截面[4]。在悬挂式单轨设计中，对轨道梁结构参数进行优化显得尤为重要[5]。目前，国内对轨道梁结构参数的取值问题缺乏系统的研究，因此文章对轨道梁参数的取值问题展开了讨论。

2 悬挂式单轨轨道梁设计

2.1 设计要求

轨道梁的主要部分使用薄钢板制成，相比于板宽、板高及其跨度而言，板厚非常小，属于典型的薄壁单元。为保证列车运行的安全性和舒适性，需要对轨道梁的强度、刚度、稳定性进行整体和局部的校核[6]。根据《悬挂式单轨交通设计标准》（DBJ 51/T099—2018）规定，悬挂式单轨系统轨道梁的整体稳定、局部稳定的验算按照《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10091—2017）的规定执行[7]。

2.2 设计荷载与组合

设计时需要计算的荷载如表1所示[8]。

表1 轨道梁主要设计荷载

2.3 轨道梁尺寸拟定

我国城市人口众多且流动性大，悬挂式单轨需要具有较大的载客量。同时，城市环境较大地限制了轨道梁的跨度[9]。文章针对这些限值因素，提出轨道梁的截面尺寸为1261mm×884mm，如图2所示。为增加开口截面抗扭刚度，轨道梁外侧四周增设钢板加劲肋，同时，底板开口处的外侧也设置纵向钢板加劲肋。

3 轨道梁关键参数优化

3.1 基本参数

（1）单轨设计运行速度：80km/h。

（2）列车竖向静活载：按照超员、定员、空车三种状态考虑，轴重分别为50kN、48kN、35kN。按最不利轴重进行计算，超员状态下为50kN。

（3）位移限值：轨道梁的竖向位移应小于L/900，横向位移应小于L/1800[10]。

（4）轨道梁所用钢材为16Mn钢，容许应力300MPa，屈服强度为345MPa。

3.2 优化方案

通过控制变量法计算不同参数组合情况下的梁体应力及变形。具体如下：

（1）优化轨道梁跨度L：取25m、30m、35m三个跨度等级分别进行计算。若因跨度较大，原始截面刚度不满足设计要求时，则采取加大截面刚度的措施[11]。

（2）优化轨道梁的板厚tb：顶腹板厚度取28mm、30mm、32mm三个等级，底板厚度取34mm、36mm两个等级。

（3）优化轨道梁的加劲肋间距h：考虑12mm和14mm两种加劲肋板厚，加劲肋间距为0m（无加劲肋）、1.0～2.5m（加劲肋厚14mm时，加取3.0～5.0m）[12]。

（4）优化轨道梁的加劲肋板厚tr：加劲肋板厚分别取10mm、12mm、14mm、16mm四个等级进行比较分析。

3.3 轨道梁跨度比选分析

图2 轨道梁截面尺寸图示（单位：mm）

加劲肋间距选择1.5m，加劲肋板厚选择12mm，轨道梁的顶板、腹板厚取30mm，底板厚取36mm，轨道梁跨度分别取25m、30m和35m。

当轨道梁跨度为35m时，在结构自重和二期恒载作用下轨道梁的挠度为40.7mm，大于轨道梁竖向位移的限值：L/900=38.9mm。因此，跨度增加时，需增大截面抗弯刚度[13]。计算结果如表2所示。

由表2可知：

表2 轨道梁不同跨度受力分析结果

（1）不同跨度方案的轨道梁受力分析，最大应力均满足要求。

（2）当跨度为35m时，需要同时选择增设U型加劲肋和加大梁高，才能满足位移设计要求。其中竖向位移限值为L/900=38.9mm，横向位移限值为L/1800=19.4mm。

（3）当跨度为30m时，截面选择加大梁高时，每km轨道梁的用钢量最小，应力满足要求，但横向位移为24.4mm超出限值要求，其中横向位移限值为L/1800=16.7mm。

（4）当跨度为25m，截面选择原截面，每km轨道梁的用钢量适中，位移及应力满足要求，其中竖向位移限值为L/900=27.8mm，横向位移限值为L/1800=13.8mm。

当跨度为35m时，用钢量较大不进行研究。当跨度为30m，截面选择加大梁高时，此时位移超限，但用钢量较小。可通过增大顶腹板厚度，进行进一步优化。优化计算结果如表3所示。

由表3分析可知，轨道梁跨度为30m，轨道梁的顶腹板的板厚取36mm，底板的板厚取36mm时，若采用加大梁高方案，每km的轨道梁总的用钢量为125.11m3，横向位移为20.4mm（＞30000/1800=16.7mm），不满足要求。采用在走行轨底板下增设U肋方案，位移满足要求，但用钢量较大，可通过降低U肋厚度进行进一步优化[14]。轨道梁跨度为30m，计算结果如表4所示。

表3 轨道梁不同截面加强方案受力分析结果

表4 轨道梁不同U肋板厚受力分析结果

由表4可知，当轨道梁顶腹板厚36mm、底板厚36mm，U肋板厚度大于28mm时，梁体竖向变形才能满足要求，其中竖向位移限值为L/900=33.3mm。

综上所述：

（1）轨道梁跨度取25m，采用原截面满足设计要求，每km轨道梁的用钢量为128.76m3；

（2）轨道梁跨度取30m，需要加大截面抗弯刚度才能满足要求。当顶腹板厚为36mm，梁高加大400mm时，用钢量为125.11m3，用钢量与采用25m跨度方案的用钢量基本相同，但横向位移不满足要求。若在走行轨底板下增设厚度为28mm的U肋，满足设计要求，此方案轨道梁的用钢量为169.16m3/km；

（3）轨道梁跨度取35m，需增大截面的高度且要在走行轨底板下增设U型加劲肋才满足设计要求，此方案轨道梁总的用钢量为176.91m3/km。

根据以上总结可知，在满足校核要求的情况下，轨道梁的跨度选用25m，每km轨道梁的用钢量较少。

3.4 轨道梁的板厚比选分析

轨道梁的跨度选择25m，加劲肋的板厚取12mm，布置间距取1.5m，顶腹板厚度分别取28mm、30mm、32mm，底板厚度分别取34mm和36mm进行分析。计算结果如表5所示。

表5 轨道梁不同顶底板厚受力分析结果

由表5分析可知，随着轨道梁板厚的增加，梁体最大应力减小，刚度增大，轨道梁的用钢量增大。

当顶腹板厚≥30mm，且底板厚度≥36mm时，梁体的横向位移和竖向位移才满足设计要求[15]。据此，应选择较小的板厚，即顶腹板板厚取30mm，底板板厚取36mm。

3.5 轨道梁加劲肋间距比选分析

轨道梁跨度取25m，加劲肋板厚分别取12mm、14mm，加劲肋间距分别取1.0m、1.2m、1.5m、1.6m、2.0m、2.5m。当加劲肋板厚取14mm时，增加3.0m、3.5m、4.0m、4.5m、5.0m五种加劲肋间距方案。计算结果如表6和表7所示。

表6 轨道梁板厚取12mm时不同加劲肋间距受力分析结果

根据以上分析结果可知：

（1）当轨道梁跨度取25m、加劲肋板厚为12mm时，不同加劲肋间距的梁体应力和竖向变形均能满足要求。加劲肋板厚为14mm时，加劲肋间距取3.0～5.0m时，轨道梁竖向最大位移已不满足竖向挠度限值为25000/900=27.7mm。

（2）轨道梁最大应力均小于许用应力300MPa，且富余量较大，当加劲肋间距从1.0m变化到2.5m时，最大应力值呈小幅减小趋势，减小幅度在1.2%左右。

（3）轨道梁竖向最大位移变化微小，竖向位移和应力对加劲肋的间距变化不敏感。

（4）不设加劲肋时，横向位移达到14mm，加劲肋间距从1.0m变化到2.5m时，横向最大位移增大，增幅在19.0%左右。据此分析，横向变形量一部分是由走行轨的翻转引起的，间接证明了加劲肋间距的大小对轨道梁走行轨的翻转变形影响较大。

表7 轨道梁板厚取14mm时不同加劲肋间距受力分析结果

随着加劲肋间距的增大，梁体应力及竖向位移变化幅度不大，每km轨道梁用钢量减小，但梁体横向最大位移呈现增大趋势，梁走行面翻转失效的可能性越大，综合考虑轨道梁走行轨翻转失效安全性，加劲肋间距取1.5m较为适宜。

3.6 轨道梁加劲肋的板厚比选分析

当轨道梁跨度取25m，加劲肋间距取1.5m，选择不同的加劲肋板厚进行计算。结果如表8所示。

表8 轨道梁不同加劲肋板厚受力分析结果

从表8可知，当轨道梁跨度取25m，加劲肋间距为1.5m时，不同加劲肋板厚的轨道梁应力和竖向变形均能满足要求。随着加劲肋板厚的增大，梁体应力呈小幅增大趋势，竖向位移变化不明显，每km轨道梁用钢量增大，但梁体横向最大位移呈现减小趋势。综合考虑，加劲肋板厚取12mm较为适宜。

3.7 稳定性复核

轨道梁整体和局部稳定性均满足《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10091—2017）的规定。

4 结束语

文章首先阐述了建设悬挂式单轨交通的重要意义，然后利用钢结构知识，采用有限元软件计算分析，通过改变主要的轨道梁参数，不同的参数组合成不同的轨道梁，根据安全性和经济性原则，尝试性地对轨道梁进行优化设计。主要结论如下：

（1）考虑结构刚度、用钢量，轨道梁跨度选用25m较为适宜。

（2）当轨道梁跨度选用25m时，顶腹板板厚选用30mm，底板板厚选用36mm较为适宜。

（3）加劲肋的布置间距选用1.5m时，加劲肋板厚选用12mm较为适宜。

（4）采用上述参数组合时，轨道梁的强度、刚度、稳定性均满足要求，钢量为128.76m3/km。

综上，轨道梁采用跨度为25m、加劲肋布置间距为1.5m、板厚12mm、顶腹板板厚30mm、底板板厚36mm时，系统使用钢材较少、轨道梁的造价较低，这一结论可作为我国悬挂式单轨轨道梁标准设计的参考。