跨座式单轨交通轨道梁焊接拉压支座设计研究

2021-02-28

现代城市轨道交通 2021年2期

（中铁宝桥集团有限公司，陕西宝鸡 721006）

1 研究背景

跨座式单轨交通系统采用高架敷设、梁轨合一，车辆在走行轮、导向轮、稳定轮的作用下跨于轨道梁上方行驶，行驶过程中会对轨道梁桥产生3个方向的作用荷载（竖向荷载、横桥向荷载、纵桥向荷载）。支座布置于轨道梁和桥墩（立柱）之间，将二者可靠连接在一起，并将轨道梁所承受的列车荷载进行有效传递和支撑。为满足单轨车辆安全、可靠、平稳、低噪的行车要求，支座需要较强的强度和刚度，以及耐疲劳、耐磨和防腐性能，因此其材料、工艺、结构等要求比一般桥梁支座的要求都高。

目前，国内的重庆市轨道交通2号、3号线，以及国外的日本、美国、澳大利亚和韩国等国的跨座式单轨交通轨道梁支座均采用铸钢拉压支座。铸钢拉压支座在国内跨座式单轨交通中运行了近20年，存在以下不足之处。

（1）上摆和下摆均采用铸钢件，铸造缺陷多，生产工期长，成本高，且生产过程污染严重。随着新型城市轨道交通市场的快速发展和国家对环保监管力度的进一步加大，铸钢拉压支座已经难以满足环保的要求和市场需求。

（2）现有支座技术中，销轴和腰形孔的接触面属于线接触型滚动摩擦副，主要的构件易损坏且不易更换，而且生产成本及后期维护成本较高。

本文基于中铁宝桥集团有限公司对重庆跨座式单轨PC梁铸钢支座、比亚迪厂内试验线PC梁铸钢支座的设计研发，参照其研制的某跨座式单轨系统试验线项目焊接支座，采用理论设计+有限元的方法进行新型支座设计，消除了铸钢拉压支座的诸多缺陷。

2 支座构造及工作原理

2.1 支座构造

如图1所示，焊接拉压支座采用铰轴式结构，由支座上摆、支座下摆、铰轴、凸轮板组件和基座总成等组成。支座上摆与支座下摆均采用焊接结构，上摆通过锚固钢筋预埋在PC轨道梁上，基座总成预埋在墩柱盖梁上，而支座下摆与基座总成通过锚固螺栓连接、与支座上摆通过铰轴连接。支座下摆与基座总成之间设有凸轮板组件，为圆弧面-平面的线接触，通过调整凸轮板组件下方的调整垫片，可以在一定范围内调节支座的横向坡度。凸轮板组件与基座总成之间设有调整垫片，实现支座的安装调高和后续维护调高功能。

图1 焊接拉压支座

焊接式拉压支座根据结构型式分为固定支座与活动支座，其区别在于铰轴与支座下摆的连接关系。支座上摆与铰轴采用轴孔小间隙配合，支座下摆与铰轴采用面面接触，其通过约束铰轴与支座下摆的相对滑移即可实现固定支座的功能。

2.1.1 支座上摆和下摆

如图2所示，支座上摆由座板、耳板、加劲板和锚固钢筋组成，支座下摆由座板、耳板和加劲板组成。座板和耳板采用小间隙公差配合的卯榫结构+焊缝连接形式。

耳板根部加工有台阶，用于承受支座的压力。座板与耳板的外侧焊缝为工作焊缝，将支座的拉力转化为焊缝的压应力，可明显改善焊缝的受力状态。座板与耳板的内侧焊缝为双重性焊缝，即焊缝既起连接作用又起传力作用。在焊缝设计时，为简化计算，可不考虑座板与耳板内侧焊缝的工作应力。

锚固钢筋与支座上摆结构体通过焊接连接，浇筑在轨道梁内。锚固钢筋起到支座上摆与轨道梁的连接作用，将轨道梁的荷载传递给支座上摆。

图2 支座上摆和下摆结构

2.1.2 铰轴、承压板

如图3所示，铰轴和承压板配套使用，用于支座上摆、下摆的连接。采用滑动承压面接触，提高接触承载力，有利于支座的内部构件受力。

图3 铰轴、承压板安装

铰轴、承压板需采用耐磨耐腐蚀低温多元共渗处理，使化合物层深为15～20 μm，铰轴硬度≥HV530，承压板硬度≥HV580，总渗层深不小于0.3 mm。在多元共渗前，铰轴调质硬度为HRC29～HRC34，承压板调质硬度为HRC35～HRC39。

2.1.3 凸轮板组件

凸轮板组件由上、下凸轮板和调整垫板组成。上、下凸轮板组成一套凸轮板副，配套使用，改善了支座下摆支撑面的受力状态。

上、下凸轮板需进行调质处理HRC30～HRC35，并采用热浸镀锌处理，锌膜厚度为80～200 μm。

凸轮板组件用于支座在现场安装时的位置和姿态调整。上凸轮板在支座下摆制作时组焊在下摆相应部位，并与下摆整体加工。

2.1.4 基座总成

基座总成由基座板组件、锚箱、锚固钢筋、锲紧块、锚固螺栓等组成。基座板组件为组焊件，由基座板、加劲板、抗剪榫组焊而成。基座板中部组装抗剪榫，下端装有锚固钢筋。

锚箱为箱形组焊件，墩柱墩台施工时利用安装支架将锚箱预埋安装。锚固螺栓采用可更换方式，螺栓上下端螺母设计有防松装置。支座横桥向水平的位置调节通过调整锚固螺栓与基座板之间的横向位置实现，而纵桥向水平的位置调节通过调整支座下摆与基座板总成之间的纵向位置实现。

2.2 支座工作原理

支座承受着车辆高速运行产生的纵横向荷载、扭转荷载及冲击荷载等多种荷载组合。支座上、下摆之间通过铰轴连接，并利用其间的相对转动满足轨道梁受力时梁端产生的转角，活动支座的纵向位移通过铰轴与安装在下摆承压板之间的相对滑移实现。跨座式轨道梁焊接拉压支座的工作原理如下。

（1）支座类型转换。铰轴支撑端两侧均设有楔紧块，其可通过安装/拆除楔紧块实现固定支座与活动支座的转换。

（2）水平纵向滑移。活动支座通过铰轴与承压板构成平面摩擦副，实现支座上摆和下摆间的水平滑移。与铸钢拉压活动支座相比，其消除了辊轴的线接触应力。

（3）支座转动。支座上摆与铰轴之间为轴孔间隙配合的柱面转动副，铰轴与下摆之间为柱面固定连接（固定支座）/水平纵向滑移（活动支座），其通过柱面转动副实现支座的转动。较铸钢拉压支座，其结构简单、受力体系明确、可靠性高。

（4）承受竖向拉力。支座上摆和下摆通过铰轴连接，支座下摆和基座板通过锚固螺栓连接，支座的竖向拉力通过各构件依次传递到基座总成及桥墩盖梁上。

3 支座技术特点及主要指标

跨座式单轨交通轨道梁焊接拉压支座与现有铸钢拉压支座相比具有明显的优势，具体表现在以下几点。

（1）该支座采用整体焊接结构，制造成本可降低30%～50%，制造周期可缩短40%～60%，且制造过程环保节能。

（2）该支座的结构设计采用小间隙公差配合的卯榫结构+焊缝连接形式，可明显改善焊缝的受力状态。

（3）支座铰轴采用两端正方形截面、中间圆柱形截面的结构形式。与中间圆柱形截面匹配的支座上摆耳板也采用圆柱形截面，与两端正方形截面匹配的支座下摆采用矩形截面+承压板结构，以此传递竖向荷载和横向扭矩产生的拉拔力荷载，从而改变了铰轴的接触方式，即由原技术方案的线接触变成了面接触，提高了接触承载力；受力面无须采用高强度、高硬度的材料。

（4）通用性强。该支座在力学指标上可实现直线梁/曲线梁通用，在结构设计上可实现固定支座/活动支座的快速转换。

（5）适用范围广。该支座下部结构为混凝土盖梁，通过对基座总成结构的连接接口设计可实现支座在钢立柱或钢盖梁上端的安装；另外，通过在建筑物上设计预埋件，可实现支座在桥建合一结构物上的使用。该支座上部结构为混凝土轨道梁，通过采用螺栓连接副接口设计，本支座可适用于钢轨道梁。

跨座式单轨交通轨道梁焊接拉压支座的主要技术指标如表1所示。

4 支座有限元计算分析

4.1 支座有限元模型

4.1.1 网格模型及零件材料参数

本文通过三维建模软件建立焊接式拉压活动支座整体模型，为准确计算支座下部结构的受力状态，建立混凝土模型，并使用有限元软件对支座进行校核。支座结构传力体系明确，部分结构可通过理论计算和数值仿真进行相互校核。考虑到支座的实际受力状况，对铰轴等主要的受力部位网格划分做了加密处理，模型采用SOLID186六面体实体单元进行网格划分，单元数量为502 658个，节点数量为633 275个，网格平均质量为0.842 34。网格倾斜率为0.238 73。支座有限元模型如图4所示。

表1 焊接拉压支座的主要技术指标

图4 支座有限元模型

零件材料参数如表2所示。

表2 零件材料参数

4.1.2 计算荷载

根据支座的实际工况，锚固螺栓采用预紧力加载，预紧力取值为101 kN。支座上摆的上端面加载力和扭矩分别为：竖向荷载1 239 kN，横向水平力162 kN，横向扭矩460 kN·m（折合至支座铰轴中心），荷载及边界施加如图 5所示。

图5 荷载及边界施加

4.1.3 边界条件

根据支座的实际受力工况，主力、附加力及特殊荷载通过PC轨道梁传递到支座上摆，上摆和下摆通过铰轴传递，支座下摆再通过锚固螺栓传递给基座板总成，进而传递到墩柱盖梁上。HRB400锚固钢筋为螺纹状，与混凝土采用绑定接触。锚固螺栓在施工时根据设计图纸施加预紧力矩，按照实际工况对锚固螺栓采用预紧力加载。

在支座下摆连接的混凝土模型上施加位移和转动约束，同时在支座上摆施加横桥向转动约束。根据支座的结构特点，将各活动构件间使用摩擦接触（摩擦系数为 0.2）。

4.2 结构强度分析

经过有限元软件分析，得到支座整体及主要构件的应力分布，如图6所示。

图6 支座整体及主要构件的应力分布云图（单位：MPa）

（1）由图6a和图6b可知，最大应力位于铰轴截面变化圆角位置，最大应力为592.51 MPa，小于材料的设计容许应力。由于铰轴承受弯矩、剪力共同的作用，截面变化位置存在较大的应力集中现象。根据材料力学公式计算的承压侧销轴的最大名义应力为267.4 MPa，而有限元计算应力为592.51 MPa，从而得出销轴集中系数为592.51/267.4=2.22。查《应力集中系数手册》，本结构的应力集中系数为2.25，由此可知，有限元和理论计算结果基本吻合，结构传力分析结果可信度较高。

（2）由图6c可知，上摆的最大应力为242.35 MPa，小于材料的设计容许应力，位于铰轴孔边缘。上摆左侧部位承受荷载较大，铰轴孔边缘存在应力集中现象，其余部分受力均较小。

（3）由图6d可知，下摆的最大应力为161.49 MPa，也小于材料的设计容许应力，位于下摆与承压板接触面内侧。此部位受压力荷载较大，其余部分受力均较小。