悬挂式单轨系统结构方案研究

王玉华 王孟君 谢宇杰

（南京铁道职业技术学院，江苏 南京 210000）

我国境内幅员辽阔，地形地貌复杂，不同城市道路分布情况迥异，对于城市轨道交通系统的选型和布置影响较大，而悬挂式单轨系统对于不同的地形地貌和道路分布情况均具有较好的适应性，在城市道路、机场道路、码头连接、旅游景点内部路等专用线路的连接中，悬挂式单轨系统也广泛应用[1-2]。实际工程中与悬挂式单轨车辆相配套的轨道梁整体结构形式为钢箱梁结构，箱梁下部设计为开口形式，车辆运行时悬挂在轨道梁下部，实现其平稳和顺利运行。悬挂式单轨系统的结构在构造和结构形式上可以分为轨道梁、桥墩、道岔等几部分。针对悬挂式单轨结构方案进行研究，对悬挂式单轨系统的工厂化生产与工业化制造及推广，具有极为重要的现实意义[3-6]。

1 轨道梁结构方案研究

1.1 轨道梁材质方案

结合已有的研究及国内外已经投产的悬挂式单轨系统，其轨道梁的构造大多采用下部开口的钢制箱梁构造，箱梁的内部空间用于车辆通行，设置专门的车辆走行轨道。部分国家和地区的轨道梁采用土木工程中常见的钢筋混凝土结构制作而成，但是相比于钢结构，钢筋混凝土用于轨道梁制作时存在以下问题：首先，混凝土结构的自重较同等条件下的钢结构自重大的多，跨越能力受限；其次，箱梁下部开口的设计形式，会在削弱结构的整体性与受力完整性，开口的导角及截面突变位置会导致相应部位出现极为严重的应力集中现象，对结构受力与承载不利；最后，相比于钢筋混凝土，钢结构具有轻质高强、施工便捷、结构美观、便于工厂化制作等优点，可以有效地降低施工成本与周期[7]。

1.2 轨道梁标准跨径对比分析

在进行悬挂式单轨轨道梁的跨径与基本跨度设计时，需要综合对比分析道路规划、地质条件、景观要求、规范限值、既有道路、建设经济技术指标等多个方面的因素。而悬挂式轨道交通系统在国内起步相对较晚，相关的规范与标准尚不完善，属于新兴事物，因此在参考国外相关悬挂式单轨系统结构的建设情况，一般情况下轨道梁的经济跨度都在35m以下。选择不同跨度的轨道梁布置方案，将影响下部结构布置，从而影响工期及总体工程造价，因此有必要比较采用不同标准跨作为布跨方案时总体工程量和造价上的差异，进而达到节约工期，减少工程造价的目的。本文分别取跨度为20m、25m、30m、35m 进行分析比较，以10km 线路方案为例[8]，工程数量见表1 所示。

可以看出：a.当轨道梁跨度为20m、25m 和30m 时，结构每延米用钢量差别较小，但是采用30m 跨径轨道梁时全线桥墩及基础数量较20m 跨径少144 个，较25m 跨径少57个，可以大大降低下部基础工程的造价，同时随着跨度的增大，伸缩装置的数量也相应减小；由于悬挂式空轨系统的轨道梁所采用的伸缩装置需要特殊制作，造价较高，因而适当采用较大跨度的轨道梁更为节约工程成本。

b.采用35m 跨度轨道梁虽然相比于比30m 梁少42 个墩及基础，但是其每延米用钢量大大增加，且其梁高达1.65 m，景观效果差，同时跨度越大也会增加节段运输及拼装的难度。

c.从加快施工进度来说，当采用较大的跨度，可以减少桥跨数量。当沿线地质处于不良土层时，如湿陷性黄土、软土、岩溶等，采用较大的跨度有利于减小施工风险。

1.3 轨道梁截面尺寸设计

悬挂式单轨系统工作时，由于其上部结构设计为整体性和受力整体性较好的梁轨一体形式，因此其梁部承担了轨道的功能。根据悬挂式单轨系统中常用的车辆形式、转向架尺寸、车辆及转向架的相应限界要求，在结合国内外相关的实例，本文轨道梁的内截面尺寸初步选定为常用的1250 毫米×780 毫米，箱梁的截面下开口宽度选定为240 毫米。根据承载能力与应力优化原则，内截面箱梁的下翼缘钢板厚度设计为32 毫米，同时在悬挂式单轨系统中承担轨道的功能。此外，考虑到轨道梁的截面刚度相对较小，在承受车辆荷载及冲击作用时部分位置会出现较大的应力集中，对结构整体受力不利。因此，轨道梁在设计时采用钢板加劲肋对结构进行加劲设计，以提高轨道梁的截面刚度。另外，为进一步提高结构承载能力，提高结构耐久性，在轨道梁上同时增设横向加劲肋，横向加劲肋的布置形式及位置为沿轨道梁内侧顶部和外侧左右两边布置。

2 桥墩结构方案研究

2.1 桥墩方案设计

悬挂式单轨轨道梁桥墩方案需结合桥梁上部结构所选择的截面形式以及线路沿线周边环境确定。如图1 所示，为悬挂式单轨系统结构采用单线设计时的倒L 形标准桥墩墩柱。

图1 单线L 型墩柱

如图2 所示，为悬挂式单轨轨道梁采用双线设计时的Y形标准桥墩墩柱。为了方便工厂预制、运输及现场吊装，Y形桥墩在墩顶附近断开，在工厂分别预制，运输至现场后在利用法兰通过高强螺栓将两者相连。桥墩界面形式为矩形空心截面，采用钢结构的形式在工厂内预制完成。

图2 双线Y 型墩柱

2.2 桥墩和轨道梁的连接

悬挂式单轨系统的轨道梁与桥墩常见的连接方式有支座和销轴连接两种形式。采用支座连接的方式时，轨道梁对应的梁部牛腿与桥墩顶部水平悬挑的牛腿采用支座对接的方式，实现轨道梁与桥墩顶部的有效连接。轨道梁和桥墩采用销轴连接的方式时，由于桥墩顶部水平悬挑梁向下伸出的吊板上设置有对应尺寸的方形槽，轨道梁的梁端销孔通过销轴预制对接，即可实现桥墩墩与轨道梁的精准、高效连接。若方形槽在插入销轴的两端间隙处采用楔形衬垫填充，则二者共同有效连接后共同形成固定支座；若保留该间隙，纵向设置限位板，销轴下设滑板，则形成活动支座。

综合上述两种连接方式：支座连接系统需在墩、梁上额外增设牛腿，增加工作量；轨道梁安装过程中存在的误差也将影响走行梁的平顺性，行车过程中将导致支座反力存在较大差异，且支座更换不方便。而销轴连接系统能有效的克服支座连接的缺点，且更加安全。

3 道岔结构方案研究

3.1 道岔主要设计原则

道岔的主要作用为改变并按照线路设计要求调整列车行驶方向。相对于高速铁路的道岔设计，悬挂式单轨道岔结构涉及车辆、轨道、桥梁、信号等专业及学科的知识，其组成较为复杂，是悬挂式单轨交通系统设计与施工中的控制因素与关键技术之一。结合国内外现有的研究成果及设计经验，其主要设计原则如下：

3.1.1 车辆运行时，道岔系统必须满足悬挂式单轨系统结构中车辆的平稳、安全、可靠的相关要求。

3.1.2 结构型式在设计时应该考虑到操作与管养维护的便捷性。

3.1.3 道岔应并具有系统检测、故障诊断、系统保护及相应的报警功能，同时为满足车辆运行的及操作的智能化和协调性，应该配套设计相关的集中控制功能。

3.1.4 道岔的转辙时间不大于15 秒，转辙时各节点应精确控制位移和定位，确保同步、准确，并能满足牢固锁定的要求。

3.1.5 道岔直向应满足区间直向地段列车行驶速度的要求，侧向最高通过速度与导曲线半径相匹配。

3.1.6 道岔的设计使用寿命不小于20 年。

3.1.7 在车辆竖向荷载、横向荷载、离心力及风荷载等共同作用下，为确保车辆安全并保证使用寿命，道岔在锁定状态下时车辆应具有足够的强度、刚度及抗倾覆能力。

3.2 道岔结构方案设计

根据道岔结构形式不同，并结合国内外现有的悬挂式单轨系统设计与施工经验，常见的道岔大致可以分为移动式、梯型辙叉式和倒T 形辙叉式三种[9-10]。

移动式道岔主要应用于跨座式单轨线路；梯型辙叉式道岔主要应用于德国多特蒙德空轨和日本千叶空轨线路，采用的悬挂系统中间布置形式；倒T 形辙叉式道岔主要应用于我国青岛四方试验线，采用的是悬挂系统中间布置的形式。对于三种结构形式道岔见表2 所示。

表2 单轨道岔结构形式

通过对比分析可以看出，移动式道岔具备转辙灵活、可实现多开等诸多优点，但其设计要充分考虑线型设计，并在一定程度受到地形地貌等地质条件的影响，结构复杂，体积庞大。

道岔梁、梯子型长心轨和短心轨等结构共同组成了梯型辙叉道岔，并支撑其发挥相应的轨道交通功能，为保证行车安全性及平稳性，大多数情况下在长、短心轨相接处设置锁闭点。梯型辙叉道岔的转辙原理与铁路道岔可动心轨类似。相比之下，倒T 形辙叉道岔与梯型辙叉道岔虽然在转辙原理方面差别不大，但倒T 形辙叉道岔的转辙结构在整体上可以分为可动轨和修正轨，因此与梯型辙叉道岔在设计细节、构造、施工程序等方面存在差异。

综上所述，结合移动式道岔、梯型辙叉、倒T 形辙叉道岔的各自特点及不足之处，考虑到倒T 形辙叉道岔在工作时，其修正轨配合可动轨底板为车辆的走行轮提供了连续的走行面，行车安全系、舒适性、平稳性等均大幅提高，因此推荐采用倒T 形辙叉道岔方案。

4 结论

随着我国近年来轨道交通的飞速发展及稳步推进，悬挂式单轨系统结构作为一种新型轨道交通制式，逐渐被应用到实际工程中，并存在大规模推广和工厂化制造的趋势。因此，为了更好的推广应用该系统，本文重点对悬挂式单轨的轨道梁、桥墩结构、以及道岔等结构方案进行了比选研究，主要结论包括：

4.1 轨道梁的内截面为的1250 毫米×780 毫米，箱梁的截面下开口宽度为240 毫米。根据承载能力与应力优化原则，下翼缘钢板厚度为32 毫米，同时在系统中承担轨道的功能。为进一步提高结构承载能力，提高结构耐久性，在轨道梁上同时增设横向加劲肋，横向加劲肋的布置形式及位置为沿轨道梁内侧顶部和外侧左右两边布置。

4.2 采用单线设计时，悬挂式单轨轨道梁桥墩采用倒L形墩柱，双线时为Y 形墩柱。轨道梁与桥墩采用销轴连接，能有效的克服支座连接的缺点，且更加安全。

4.3 悬挂式单轨道岔梁采用的倒T 形辙叉道岔在工作时，其修正轨配合可动轨底板为车辆的走行轮提供了连续的走行面，行车安全系、舒适性、平稳性等均大幅提高。