悬挂式单轨交通轨道梁结构设计

徐 亮

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110015)

1 概述

悬挂式单轨交通系统又称空中列车，是一种全新的轨道交通模式。该轨道梁桥结构主要包括轨道梁、桥墩、承台及基础以及连接件等。其中轨道梁、桥墩及连接件一般均采用钢结构，承台采用钢筋混凝土结构，桩基础采用钢筋混凝土钻孔灌注桩结构。

悬挂式轨道交通作为一种轻型、中运速、中运量的新型公共交通方式，能够与常规地面公共交通、轨道交通等交通方式有效实现在空间上的空中、地面与地下的互补和完善。同时该交通系统的列车运行轨道处于半封闭轨道梁内，所以不受地面交通以及恶劣天气的影响，当遇到拥堵、暴雨、大雪、下雾、冰冻及路面积水等环境时，仍可以正常运行；其次其结构简单，工厂预制模块化、标准化程度高，现场快速吊装拼接，施工周期短，施工时对地面交通影响小，同时其可拆卸、可移动、可重复利用，有效降低资源浪费；其造型美观，乘车环境敞亮舒适，通过亮化能有效融合和提升周围环境；另外其采用空中运行模式，其轨道梁与桥墩结构占用空间较小，能有效节约拆迁费用；同时其可根据交通量的增长变化，调整列车的编组数量，后期调整适应性强。

悬挂式单轨交通系统能与旅游景区环境更好地融合，在宁夏中卫市沙坡头旅游观光设施工程项目中最终决定采用该结构形式作为设计方案，方案效果图如图1所示。通过对标准跨径L=25m轨道梁进行设计及计算，总结其结构设计中的要点，以便指导将来轨道梁的设计与施工。

图1 沙坡头旅游景区悬挂式轨道梁方案效果图

2 轨道梁结构设计

宁夏中卫市沙坡头旅游观光设施工程项目采用环线轨道梁交通系统，环线总长度约11.9km，采用平行双线设计，双线轨道梁横向间距5.5m。轨道梁标准跨径为25m，结构形式均为简支梁结构。轨道梁为底部开口的箱形截面梁，内部净宽780mm，净高1250mm，底板开口宽度为210mm。

轨道梁结构均采用Q345qE钢材。基本板厚设置情况如下：直线梁腹板厚24mm，顶板厚24mm，底板厚32mm；底板设置纵向加劲肋，厚度为32mm，高度为90mm；轨道梁横向设置环形加劲肋，纵向间距为1.6m，厚度为32mm，高度为170mm。跨径L=25m轨道梁横断面如图2所示。

图2 轨道梁横断面图

3 轨道梁结构计算分析

利用MIDAS Civil 2019有限元软件建立轨道梁模型进行计算。根据设计要求，对轨道梁结构的强度、刚度及预拱度、梁端竖向转角及梁端水平折角、稳定性、抗疲劳、连接件局部验算等进行计算。

3.1 轨道梁设计标准

3.1.1设计荷载

(1)恒载

①自重：钢材的容重为78.5kN/m3。

②二期恒载：轨道梁内部及外部管线自重按机车、通信、信号等专业提供资料取用，取1.5 kN/m计算。

(2)活载

①列车竖向静活载：本项目列车采用三节列车一编组，前后轴距离如图3所示。超员时车辆轴重P取5.5t，定员时车辆轴重P取5.0t，空车时车辆轴重P取4.125t。线路左、右线按照超员状态计算；考虑疲劳和地震力影响时，按照定员状态计算；考虑车挡影响时，按照空车状态计算。

图3 车辆轴重分布图示(单位：cm)

(3)离心力

根据《悬挂式单轨交通设计标准》规定，位于曲线上的轨道梁桥应考虑列车离心力，大小等于列车静活载乘以离心力率C，C值按下式计算：

式中：V—列车通过曲线段的最大速度(km/h)。

经计算单墩所承受最大离心力：F离心力=29.74kN。

(4)横向摇摆力

根据《悬挂式单轨交通设计标准》规定，列车横向摇摆力荷载宜按列车设计荷载单轴重的25%计，一列车以一个水平集中荷载，在轨道梁车辆走行面位置以水平集中力的形式作用于线路法线方向，作用于最不利位置。

经计算横向摇摆力：F摇摆力=0.25×5.5×10=13.75kN。

(5)附加力

①制动力或牵引力

根据《悬挂式单轨交通设计标准》第7.3.10条，按列车竖向静荷载的15%计算。

②风力

桥上有车时，轨道梁风荷载按照标准值的80%取值。轨道梁设计按单线计算轨道梁和列车的风荷载。

③温度荷载

3.1.2荷载工况组合

参照《铁路桥涵设计规范》第4.1条，工况组合的原则考虑为最不利效应叠加；按照《悬挂式单轨交通设计标准》第7.3.3条根据不同荷载组合，材料基本容许应力可乘以不同的提高系数；其中只有弯梁进行离心力的组合，直梁不进行离心力的组合，具体荷载工况如下：

(1)恒载组合

组合1(提高系数取1.0)：自重+二期恒载

(2)主力组合

组合2(提高系数取1.0)：组合1+列车竖向静活载+列车竖向动力作用+摇摆力(或离心力)

(3)主力+附加力组合(仅考虑主力与一个方向的附加力组合)

组合3(提高系数取1.15)：组合2+温度作用+风荷载

组合4(提高系数取1.20)：组合2+温度作用+制动力或牵引力

(4)疲劳荷载组合

组合5(提高系数取1.0)：组合1+列车疲劳活载+列车竖向动力作用+摇摆力(或离心力)

3.2 建立空间模型

轨道梁利用MIDAS Civil 2019有限元软件建立空间板单元和梁单元两种计算模型，进行各个工况下的模拟分析，得到相应的计算结果。其中以空间板单元计算模型为主，而梁单元计算模型主要提取梁体竖向位移与梁端转角结果同时对空间板单元计算模型进行比较印证，计算模型详见图4与图5。

图4 L=25m跨直线轨道梁板单元计算模型

图5 L=25m跨直线轨道梁梁单元计算模型

3.3 轨道梁强度计算及结果

按照容许应力法在荷载组合3：主力+横向最大附加力作用下，轨道梁桥最大拉应力值σ=149.9MPa<[σ]×1.15=241.5MPa，最大压应力值σ=-123.8MPa<[σ]×1.15=241.5MPa，最大剪应力值τ=63.5MPa<[τ]×1.15=138MPa，均满足规范要求。轨道梁正应力及剪应力计算结果见图6～图8，应力值均满足规范要求。

图6 板单元模型：组合3(主力+横向附加力作用)作用下板单元最大拉应力云图

图7 板单元模型：组合3(主力+横向附加力作用)作用下板单元最大压应力云图

图8 板单元模型：组合3(主力+横向附加力作用)作用下板单元最大剪应力云图

3.4 轨道梁刚度及预拱度计算及结果

根据《悬挂式单轨交通设计标准》规定，简支轨道梁在静活载作用下竖向变形容许值应满足挠度

根据Midas civil梁单元模型，提取出对应不同荷载的结构竖向位移、梁端转角，详见图9～图11及表1。在静活载作用下，轨道梁竖向挠度值、梁端竖向转角均满足规范要求。

图9 梁单元模型：恒载作用下竖向位移值(mm)

图10 梁单元模型：静活载作用下竖向位移值(mm)

图11 梁单元模型：静活载作用下梁端竖向转角(rad)

表1 位移计算结果汇总

3.5 疲劳计算及结果

疲劳计算根据恒载+定员列车活载以及横向摇摆力(或离心力)的作用，计算结果见表2，经计算，γdγn(σmax-σmin)<γt[σ0]，满足应力要求。

表2 疲劳应力计算结果汇总

上述为悬挂式轨道交通系统中轨道梁整体计算的基本过程，对于轨道梁中车桥耦合计算、车挡计算、轨道梁销轴与桥墩连接吊板验算及钢结构稳定性计算等，以及钢桥墩计算、钢桥墩与承台之间锚栓连接、轨道梁施工等设计，限于篇幅，不再赘述。

4 结论及展望

至今悬挂式轨道交通的工程应用在国内仍属研究探索阶段，由于其本身的优点在观光旅游景区、码头货物自动化运输、大型博览会[1]等交通运输领域拥有极好的实施和发展的潜力与空间。同时悬挂式轨道交通结构简单，外形简洁流畅美观，乘车敞亮舒适，必将成为城市中一道美丽的风景线。