跨座式单轨轨道梁支座设计研究

李金凯 高静青 刘永锋 金正凯

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

桥梁支座按照结构形式可分为：弧形支座、摇轴支座、辊轴支座、板式橡胶支座、四氟板式橡胶支座、盆式橡胶支座、球型支座等。弧形支座、摇轴支座和辊轴支座由于支座结构和传力方式不合理，目前在新建铁路中已较少采用[1]。近年来，盆式橡胶支座和球型支座在我国公路、铁路及城市轨道交通桥梁中得到了广泛使用。相较于过去的铸钢辊轴支座，盆式橡胶支座和球型支座具有传力效果好、水平位移量大、转动灵活等优点，同时施工安装方便，更换维修容易。

跨座式单轨线路全部由轨道梁组成，轨道梁既是承载结构，又是车辆的运行轨道，具有截面尺寸小、线形精度要求高等特点[2]。支座是轨道梁与下部结构连接的关键部位。目前，轨道梁使用较普遍的是铸钢拉力支座，见图1。该支座是一种特殊设计的辊轴支座，重庆单轨建设过程中对其进行了国产化应用。

除铸钢拉力支座以外，重庆单轨的车辆基地轨道梁还采用过承拉橡胶支座，见图2。承拉橡胶支座以橡胶为主要制作材料。通过上承拉组件、盆式橡胶支座组件(固定支座、单向活动支座)、套筒组件及柔性拉杆组件的结合，使支座各个部(组)件功能单一且受力明确，并发挥各组成主要材料的最佳使用性能[3]。然而，盆式橡胶支座耐久性较差，抗倾覆能力也较低，只能在要求较低的特殊路段使用。

图2 承拉盆式橡胶支座

柳州单轨以连续梁体系为主，通过在双线两榀梁之间设置横联来减小倾覆弯矩，采用双螺柱圆柱面抗拉支座，见图3。在圆柱面抗拉支座的基础上，通过双螺柱实现竖向调高功能，通过底座板的垫片，实现水平调整功能。

图3 双螺柱圆柱面抗拉支座

综上所述，跨座式单轨桥梁支座的发展相对滞后，仍停留在铸钢辊轴支座的时代。由于其功能性复杂，新型支座的研发难度大。在芜湖单轨轨道梁支座设计过程中，在保证安全、可靠的前提下，结合桥梁支座发展的趋势，对钢-混结合轨道梁支座进行了研究及创新。

2 轨道梁支座特点

一般桥梁支座主要为承压结构，能够承受一定的水平荷载并具备转动及平动功能，故轨道梁支座的受力复杂程度及功能性要求均高于一般桥梁支座[4]。重庆单轨轨道梁梁宽850 mm，芜湖单轨轨道梁梁宽690 mm，见图4。由于轨道梁横向尺寸较小，在横向风荷载、摇摆力等作用下，容易导致支座一侧受拉、一侧受压。梁端狭小的情况下，还需与防落梁协同设计。轨道梁线形精度要求较高，梁部与墩台之间的施工误差只能靠支座的线形调整功能消除，故支座不仅需要具备竖向调高能力，还需具备纵、横向调整功能。除此以外，轨道梁支座还应满足单轨列车平稳行驶、低噪声等要求，能够承受列车荷载反复变化的疲劳作用。

图4 轨道梁标准截面(单位：mm)

3 芜湖单轨支座方案研究

3.1 PC轨道梁支座

芜湖单轨PC轨道梁支座设计过程中，部分地段沿用了技术成熟的重庆单轨铸钢拉力支座的结构模式。采用铰轴式结构，用上下摆双肢的孔和铰(辊)轴的承压传递轨道梁的竖向压力和上拔拉力；用上下摆双肢的孔和铰(辊)轴的转动适应轨道梁在列车作用下引起的梁端转角；用辊轴和上摆双肢孔承压板间的滚动满足轨道梁的纵向位移。竖向压力经凸轮继续向下传递，拉力则通过锚杆传递至锚固在墩台混凝土中的锚箱。锚箱采用空心薄壁钢箱结构，锚杆在锚箱中可水平移动，以实现支座的水平调整功能。调整完毕后，通过支座下摆与暗销之间的楔紧块将支座固定，以保障运营时车辆的平稳行驶、降低噪音；通过在凸轮下面填塞钢垫板的方式，实现支座的调高功能。在地震发生时，暗销可提供较强的抗剪能力，防止落梁。这种拉、剪分离的结构模式，实现了轨道梁支座的线形调整、防落梁等附加功能的要求。

芜湖单轨轨道梁的标准截面尺寸为690 mm×1 600 mm(宽×高)，重庆单轨轨道梁的标准截面尺寸为850 mm×1 500 mm(宽×高)。截面宽度的减小给支座构造的设计增加了难度，截面高度的增加也增大了支座所承受的横向弯矩荷载。对于曲线轨道梁支座，由于横向弯矩的作用，曲线外侧压力较大。在设计过程中，通过缩小支座横向尺寸，提高支座材料等级，合理匹配曲线内外侧铰轴及辊轴的接触长度(曲线外侧由于压力大、拉力小，摆支采用变截面设计，见图5)来解决上述问题。

图5 铸钢拉力支座示意(活动支座)

3.2 钢-混结合轨道梁支座

日本单轨、重庆单轨的简支钢轨道梁仍采用与PC轨道梁类似的铸钢拉力支座。由于铸钢拉力支座构造复杂，支座价格较高。为了降低工程造价，研究一种球型支座代替铸钢拉力支座的方案。由于普通球型支座无法适用于拉-压疲劳荷载的作用，芜湖单轨双线简支钢-混结合轨道梁通过加强两榀轨道梁之间的横联刚度，使其在横向荷载作用下，支座位置不再产生拉力；单线简支钢-混结合轨道梁通过设置梁端横梁增大梁端支座的横向间距，并灌注混凝土压重，使支座位置不产生拉力。

虽然梁端拉力的问题得到了解决，但当轨道梁曲线半径较小时，抗倾覆安全系数仍然难以满足规范要求。为此研发了抗拉球型支座，将抗拉能力作为安全储备，提高轨道梁的抗倾覆能力。同时，创新性地对抗拉球型支座、承压球型支座分别设置了线形调整机构，以满足轨道梁线形调整的需求。具体设计方案如下。

(1)抗拉球型支座

①在支座侧面挡条端部增加抗拉板，抗拉板一端通过螺栓与下座板挡条连接，另一端勾住上座板盆凸，在拉力出现时保持支座的整体性(见图6～图8)。

图6 抗拉球型支座构造(顺桥向)

图7 抗拉球型支座构造(横桥向)

图8 抗拉装置示意

②当抗拉板直接压在盆凸上时，将影响支座的转动能力，在保证支座转动能力的情况下，抗拉板与盆凸之间需设置较大的间隙，在拉力出现时，间隙会造成支座上下座板的脱离，影响结构安全和使用。通过在盆凸上镶嵌抗拉滑板，利用滑板的压缩变形保障支座的转动能力，抗拉滑板和不锈钢板组合使用，可保障支座转动后不影响活动支座的平动。

③在支座底面设置轴套、轴套压板及底座板，见图9。通过调整轴套上的螺栓孔位置，实现支座的水平位置调整；通过在支座顶面与梁底之间填塞钢板实现支座的竖向高度调整。支座的水平及竖向调整能力可满足轨道梁线形调整的需求。

图9 支座水平调整装置示意

④支座水平调整时，根据调整量，重新对轴套上的螺栓孔位进行加工。利用三维千斤顶顶起轨道梁，使支座本体与底座板之间脱离，将轨道梁顶移到设计位置后，更换轴套，再拧紧连接螺栓。轴套和下座板之间利用轴套压板连接。

(2)承压球型支座

①在普通球型支座底面增加了凹槽式的底座板及限位钢板，见图10～图12。通过调整下座板四周限位钢板的厚度来实现支座水平位置调整；通过在支座顶面与连接架之间填塞钢板来实现支座竖向高度调整。支座的水平及竖向调整能力可满足轨道梁线形调整的需求。

图10 承压球型支座构造(顺桥向)

图11 承压球型支座构造(横桥向)

图12 支座水平调整装置示意

②支座水平调整时，利用千斤顶挤压限位钢板中的楔紧块，限位钢板顶推支座下座板实现支座的水平移动。线形终调后，将楔紧块挤紧焊牢。

③支座底座板构造简单，可直接铸造成形或机械加工成形。

4 安装工艺

4.1 PC轨道梁支座安装

(1)轨道梁支座通过上摆的锚固钢筋与梁体相连。

(2)下摆、上摆由销轴连接成一体，在轨道梁制作时，锚固钢筋和梁体浇筑在一起。

(3)支座安装时其类形、规格、位置和方向等符合梁部要求，安装后支座与台车接缝处应密封良好。

(4)把球形螺母座装入锚杆，使用螺钉插入球形螺母座两半圆孔内，然后放入锚箱内。

(5)安装盖板、活动板、凸轮，调整凸轮间距至设计位置，在相邻两凸轮上放上平尺，测量平尺与凸轮圆弧接触点处高程。如超差，可更换不同厚度的调整片调节高程，以保证两点处高程相同。

(6)用吊具吊起梁体(含支座)，使4个锚杆穿过支座下摆螺孔。粗调梁体纵向和横向位置。

(7)装入楔紧块，楔紧块厚度可现场配制，调整支座纵向和横向位置至符合要求后，固定四方楔紧块。

(8)安装球面垫圈、锁紧螺母，用手提住锚杆，旋转90°，使锚杆头部扁方垂直于PC梁纵向方向。提起锚杆，锁紧螺母至球面垫圈接触。用手转动锚杆，应能感觉到球面螺母座扁方卡入连接板槽中，此时，方可旋紧锁紧螺母，施加预紧扭矩[13]。

4.2 钢-混结合轨道梁支座安装

钢-混结合轨道梁支座的安装工艺与普通球型支座类似：在墩台施工时，只需预留支座锚栓孔，支座通过连接螺栓、套筒及锚栓与墩台连接。预留锚栓孔尺寸稍大于锚栓尺寸，可消除制梁及架梁的施工误差，提高安装精度。支座通过连接螺栓安装在梁底，落梁后通过重力式灌浆法灌注支座锚栓孔，实现支座锚栓在墩台上的锚固，完成支座安装[14]。

5 主要技术经济指标

5.1 PC轨道梁支座

由于材料、加工模具、工艺熟练程度等因素的影响，铸钢拉力支座的数量越多、单价越低。根据对芜湖单轨项目实际工程费用的调查，单个铸钢拉力支座造价约3万元，双线造价约600万元/km。

5.2 钢-混结合轨道梁支座

钢-混结合轨道梁球型支座重量轻、用料少、制造工艺较简单。根据对芜湖单轨项目实际工程费用的调查，单个球型支座价格约1.5万元，双线每km造价约200万元(按平均跨度30 m的轨道梁计算)，经济指标仅为传统铸钢拉力支座的33%左右，且安装工艺简单、定位精度高。

6 关键技术及创新

6.1 PC轨道梁支座关键技术

(1)活动支座的辊轴既能够传递拉压荷载，又能够实现支座的转动及平动。由于处于线接触状态，对材料的强度要求较高，需通过化学热处理提高材料的表面硬度。

(2)支座承受拉压疲劳荷载，通过对锚杆施加适当的预紧力，以降低锚杆的疲劳应力幅值。

(3)支座锚杆抗拉能力强，但抗剪能力差，应与基座板垂直安装，防止倾斜后发生拉剪破坏。下摆与暗销之间的楔紧块也应填塞牢固，确保行车过程中不会松动，并能够有效传递水平力。

(4)为保证支座锚杆只受拉、不受剪，要求锚杆与基座板垂直安装，并采用球面螺母，以适应安装误差。

(5)支座锚箱底部周围混凝土主拉应力较大，需布置一定的加强钢筋。

通过对PC轨道梁支座的设计及使用情况进行总结，未来可优化的方向主要有以下两点：①将活动支座辊轴的线接触改为面接触，避免应力集中，提高其耐久性；②减小锚箱、锚杆等锚固系统的体积和重量，降低对下部结构施工的干扰，同时降低支座造价。

6.2 钢-混结合轨道梁支座

球型支座本不具备直接应用于跨座式单轨轨道梁的条件，通过对其进行创新设计，使其成功应用于简支钢-混结合梁。其关键技术主要包含以下几点。

(1)通过抗拉板和抗拉滑板的设置，使球型支座具备抗拉能力，且不影响支座的转动。

(2)通过支座底座板、螺栓轴套、压板的设置，使抗拉球型支座具备水平调整功能。

(3)通过支座底座板和限位钢板的设置，使承压球型支座具备水平调整功能。

钢-混结合轨道梁球型支座具有传力途径明确、结构尺寸小、构造简单、便于生产和质量控制、安装方便、定位精度高等优点。并且较传统铸钢拉力支座造价低，具有明显的社会、经济效益。

7 结语

目前，芜湖单轨1号线已全线贯通，轨道梁支座各项性能良好。在本项目中，采用了新型球型支座。由于双线两榀PC轨道梁之间设置横联的施工难度较大，不能采用钢-混结合轨道梁的方案进行设计， PC轨道梁仍保守地采用传统的铸钢拉力支座。传统铸钢拉力支座虽具有功能性强、传力途径明确、安全可靠等优点，但同时也具有构造复杂、接触应力集中等缺陷。

跨座式单轨简支体系中，铸钢拉力支座在PC轨道梁总造价中占比较大，故研发受力性能好、价格低的PC轨道梁新型支座，对跨座式单轨制式的推广使用具有重要意义。