云巴轨道梁桥结构选型研究

2020-12-26贾伦学

铁道建筑技术 2020年10期

贾伦学

(中铁四院集团西南勘察设计有限公司云南昆明 650200)

1 概论

胶轮有轨电车系统特指比亚迪云巴系统(以下简称“云巴”)。云巴是一种具有独立路权的新型小运量轨道交通，具有转弯半径小、建造周期短、造价低、占地面积小等显著优势。云巴与现有的城市公共交通系统充分结合，可显著提高城市交通网密度及覆盖面积，改善城市公共交通结构，为居民出行提供便利。云巴相比常规有轨电车系统，其独立路权性质凸出，在便捷性、准点率和舒适度方面更有保障；而与上一级的轻轨系统相比，其投资更省、转弯半径更小、爬坡能力更强，具有更强的适应性和安全性，应用前景广阔。

2 主要技术标准

(1)主要技术参数及标准

运营速度:最高运行速度80 km/h。

设计荷载单轴重:62.5 kN。

轨道梁断面形式:轨道梁采用全钢结构，断面为“H”型；单线轨道梁宽1 700 mm；20～30 m梁高取值为1 000～1 200 mm，如图1所示[1-6]。

轨道梁材料:钢材牌号按《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)结合项目区域选取[7-8]。

设计规范选取:云巴的走形轮和导向轮均为橡胶轮胎，与汽车在公路及城市桥梁行驶相似，从经济、美观的角度建议选择公路和市政桥梁相关的设计规范[9]，并参照城市轨道交通桥梁设计规范[10]。

图1 轨道梁断面(单位:mm)

(2)列车荷载分布

本次研究的列车荷载形式选用厂家提供的3辆编组形式。由于列车走行轮为橡胶轮胎，与汽车在公路桥梁上行驶时对桥梁的冲击作用类似，冲击系数按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)选取。

3 总体设计

从对城市景观的影响程度来看，上部结构的跨径适当放大，可有效减少桥墩的数量，线路行进在道路中央时能尽量减少对道路两侧视线的遮挡；从墩梁组合的比例来看，跨径与墩高的比例取2～2.5较为适宜，视觉效果较好。一般城市轨道交通桥墩高度在12～15 m、上部结构跨径在25～30 m时给人的视觉感受较为舒适。

4 轨道梁相关技术研究

4.1 轨道梁选型

(1)材料

本文主要研究钢结构轨道梁。钢结构材料强度高、延性好，具有良好的力学性能。钢结构一般采用工厂加工制造，现场吊装施工，质量好、精度高、周期短。但钢轨道梁刚度小，车辆走行在钢轨道梁上时，振动和冲击作用较大。

日本单轨建设时，在汽车吊不能吊装的地段大多采用钢箱梁在现场拼装，因而应用实例较多。两线钢轨道梁的主梁间采用横梁和下平联连接，有利于增加横向刚度和稳定性[11-12]。

(2)结构体系

轨道梁选择采用刚构体系，属超静定结构体系，受力复杂，体系温度变化以及基础沉降均会在结构中产生附加内力。结构系统与目前世界上已运营和在建的单轨交通体系有所不同，我国的重庆市、韩国大邱市以及日本多地的单轨都采用简支轨道梁。

云巴轨道有公路桥梁的特点，参考公路桥梁选用连续结构体系。连续梁体系支座数量少于简支体系，特别是由于连续梁设置的伸缩缝较少，行车舒适性好。

(3)标准跨径

基本跨度主要通过综合考虑沿线的既有道路和规划道路、景观、标准化施工工法和经济技术指标等几个方面，参照国内外工程实践经验确定。

经济性:经济跨度一般与结构受力、地质情况和规模化生产等相关。根据国内各城市经验，区间标准梁的经济跨度为20～30 m。我国重庆、日本的单轨交通，采用简支轨道梁，其常用跨径在20 m左右，最大跨径为22 m。

景观和视线要求:从桥梁美学角度，合理的高跨比为1/3～1/2单轨轨面与地面高差一般在10 m左右，即一般跨径取25 m较为合适。

施工进度:采用较大的跨度，可以减少桥墩数量。

综上所述，25 m跨径在经济、景观方面占有优势；但30 m跨可以减少桥跨数量，施工进度占优，且跨径较大，跨越条件相对较好。因此，重点对25 m和30 m跨径进行对比研究。

4.2 桥墩选型

云巴轨道制式大部分在既有或规划道路路中敷设，墩柱位于道路中央分隔带上(部分道路路中没有分隔带可调整为路侧布置)，对墩柱的整体景观要求较高。云巴钢轨道梁桥墩在市区时推荐采用钢结构或者钢混结构，设计选取了“Y”形圆柱钢管混凝土双线“花瓶”形桥墩。

4.3 连续刚构体系研究

为确定不同的桥墩类型、不同跨度及高度对云巴轨桥梁结构的影响，桥墩选取不同直径和不同跨径进行分析。

4.4 结构比选

本文遵循以下原则建立轨道梁结构的有限元模型:(1)选取合适的单元精准模拟实际结构的几何特征；(2)建立的模型需准确模拟荷载和约束情况；(3)进行有效的网格划分以保证结构分析的精度。采用Midas Civil建立几何模型，并考虑桩土共同作用，在承台底节点赋予桩基刚度矩阵，能较好地反映轨道梁结构的真实受力状态，见图2。

图2 标准跨径有限元模型

为确定不同跨度对轨道梁结构的影响，列车采用3辆编组，依照车辆转向架尺寸等因素初步设计轨道梁横截面形式，如图1所示。钢材厚度一定，各板件板厚如表1所示。加劲肋间距和墩高保持一定，跨度分别取20 m、25 m、30 m。不同跨径、墩径、桩径的直线梁有限元分析结果见表2。

表1 轨道梁主要部位板厚度统计

表2 不同跨径、墩径、桩径直线梁有限元分析结果

由表2可知，随着跨度增大，轨道梁竖向振动的频率逐渐减小，上部跨径越大及联长越长时上部结构基频偏低；随着钢管直径和桩径增加，竖向振动频率随之增加，下部对结构动力的贡献增加。可以看出，轨道梁的跨径宜选用25 m，3孔25 m结构的横弯基频和竖弯基频分别为3.04 Hz和4.3 Hz。

5 云巴轨道梁桥梁部结构设计

通过单项结构参数的变化初步拟定轨道梁标准跨度为25 m。

钢轨道梁跨度为3×25 m，轨道梁高度为1.0 m。上、下翼缘钢板厚度为25 mm，腹板钢板厚度为12 mm，轨道梁之间横联采用H型钢，标准横联之间间距为1.38 m。桥墩采用双圆柱钢管混凝土桥墩，刚构墩基础为单排桩基，桩径为D1.2 m。

(1)轨道梁承载能力极限状态验算

根据计算，初拟的轨道梁结构尺寸能满足各种工况下应力验算的要求。应力计算结果见表3～表4。

表3 轨道梁应力值 MPa

表4 轨道梁横联应力值 MPa

按照《公路钢结构桥梁设计规范》验算，顶板最大应力σ＝188.006 MPa

(2)挠度验算

按照《公路钢结构桥梁设计规范》规定，计算竖向挠度时，应按结构力学并采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值，频遇值系数为1.0。计算挠度值不应超过L/800的限值，经验算最大挠度出现在边跨跨中附近，挠度值为14.522 mm，对应的最大挠度允许值为30.8 mm，满足要求。

(3)疲劳验算

钢轨道梁车辆疲劳荷载取定员轴重，按现行《公路钢结构桥梁设计规范》疲劳荷载计算模型Ⅱ进行计算，轨道梁单线加载。经验算疲劳应力幅能满足要求，但根据疲劳细节需调整钢板厚度。结构在疲劳荷载下应力包络图见图3。

图3 疲劳荷载下结构上翼缘应力包络图

对腹板与顶底板的焊缝以及底板加劲肋与底板的焊缝进行疲劳验算。根据《公路钢结构桥梁设计规范》附录C中确定疲劳细节，底板与横隔板焊缝处取70 MPa，对应力幅较大的截面进行验算。选择伸缩缝、边跨跨中、中支点和中跨跨中截面进行疲劳验算，除伸缩缝截面外其它三个截面均为拉-压循环截面。伸缩缝截面到伸缩缝的距离D<6 m，取动力系数Df＝0.3。验算顶底板与腹板的焊接截面时，允许应力幅73.68/1.35＝54.58 MPa，顶、底板与横隔板焊接截面允许应力幅值为51.6/1.35＝38.2 MPa。

腹板厚度为12 mm时，疲劳荷载下结构上下翼缘应力幅、顶底板角应力幅分别见表5～表6。