悬挂式单轨大跨连续梁关键构造研究

陈丽莎CHEN Li-sha

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

1 概述

悬挂式单轨[1-4]作为一种新型轨道交通制式，具有占地少、对复杂地形环境的适应能力强、投资少、环境适应性高、观光性好等优点。轨道梁作为悬挂式轨道系统的承载体，起到承载车辆、牵引电网载体和规定列车行驶路线等作用，这不仅是悬挂式轨道系统的基石，也是该系统有别于其他轨道交通系统的一大技术特点。大跨径的悬挂式单轨桥梁，大多采用“梁轨合一”[5]的箱型截面，其既是车辆的承重结构，又是列车运行的轨道，兼有承载、导向和稳定车辆的多重功能。

本文针对悬挂式单轨大跨连续梁的轨道梁截面形式及线间横向连接等关键构造展开研究，旨在为同类型悬挂式单轨连续梁设计提供参考。

2 轨道梁截面形式研究

以一孔（30+50+25）m 悬挂式单轨连续梁为例，为深入分析轨道梁截面形式对连续梁结构受力情况的影响，利用Midas Civil 2022 软件建立（30+50+25）m 连续梁的梁单元有限元模型（图1）。墩、盖梁、横梁与轨道梁均采用梁单元模拟。为了保证结构的安全性、提高行车舒适度，本章重点研究了截面形式对车桥耦合动力特性及结构刚度、应力状态的影响。

图1 连续梁有限元模型

2.1 截面形式对车桥耦合动力特性的影响

为研究截面刚度对车-桥振动响应的影响，分别计算时速40km/h、60km/h、80km/h 三种工况下（30+50+25）m 连续梁采用不同轨道梁截面时的动力响应。计算涉及的不同截面见图2。

图2 典型截面示意图

汇总不同截面、不同车辆行驶速度下的连续梁车辆动力响应最大值计算结果，汇总见表1～表3。

表1 截面一（顶+侧箱截面）车辆动力响应最大值计算结果

表2 截面二（侧箱截面）车辆动力响应最大值计算结果

表3 截面三（顶箱截面）车辆动力响应最大值计算结果

提取在满足乘车舒适性前提下，不同截面、不同车辆行驶速度下的桥梁振动位移和梁体加速度计算结果，汇总见表4～表6。

表4 截面一（顶+侧箱截面）振动位移和加速度计算结果

表5 截面二（侧箱截面）振动位移和加速度计算结果

表6 截面三（顶箱截面）振动位移和加速度计算结果

通过考虑三种不同轨道梁截面形式，对悬挂式单轨（30+50+25）m 连续梁桥进行车桥耦合动力仿真分析，得到如下结果：

①采用截面二（侧箱截面）时，车辆只有在车速为80km/h 时，1 车的Sperling 平稳指标[6]超过了2.5，但小于3.0。车内乘客舒适性能达到较为理想的乘坐体验，达到“优秀”的级别。桥梁竖向最大动位移达到27.51mm，为三种截面中桥梁动位移最大。

②采用截面三（顶箱截面）时，车辆以不同时速运行在连续梁桥上，车内乘客舒适性均能达到较为理想的乘坐体验，达到“优秀”的级别。桥梁竖向最大动位移达到20.7mm。

③采用截面一（顶箱+侧箱截面）时，车辆以不同时速运行在连续梁桥上，车内乘客舒适性均能达到较为理想的乘坐体验，达到“优秀”的级别。桥梁竖向最大动位移为17.05mm，为三种截面中桥梁动位移最小。

2.2 截面形式对结构刚度及应力状态的影响

为研究截面形式对结构刚度及应力状态的影响，分别计算采用不同轨道梁横截面的情况下，轨道梁在列车荷载、风荷载、温度等作用下的刚度指标以及应力状态，具体情况见表7～表9。

表7 不同截面轨道梁刚度指标对比（一）

表8 不同截面轨道梁刚度指标对比（二）

表9 不同截面轨道梁应力指标对比

对不同截面形式下的轨道梁结构刚度及应力水平数据进行分析，得到结果如下：

①三种截面形式的轨道梁在车辆荷载作用下的竖向挠跨比及梁端竖向转角均在规范限值内，截面的竖向抗弯刚度满足要求；在列车荷载、风荷载、温度、离心力等作用下，三种截面的梁端横向转角均满足要求；顶箱+侧箱组合截面在各个刚度指标上均明显优于其他截面。

②三种截面形式的轨道梁应力均满足规范限值要求；仅设顶箱或仅设侧箱截面，二者应力差距不大，顶箱+侧箱组合截面轨道梁应力极值有明显降低。

3 横向连接构造研究

以一孔（30+50+25）m 悬挂式单轨连续梁为例，轨道梁采用左右线连续梁双幅布置，线间采用横梁连接以增强结构的整体刚度和稳定性。为了保证结构的安全性、提高结构的经济性，本章重点研究线间横梁的截面形式及空间分布对结构刚度和应力状态的影响。

3.1 横梁截面形式

按三跨连续梁中跨等间距设置2 道横梁、两边跨各等间距设置1 道横梁考虑（图3～图4），横梁截面分别采用如图5 所示工字型截面与闭口箱型截面进行比选研究。箱型截面为宽864mm、高550mm 的单箱单室矩形截面，顶、底板厚20mm，腹板厚24mm；工字型截面顶、底板厚20mm，腹板厚24mm，高度为550mm，顶、底板宽度为600mm。

图3 边跨横梁布置形式

图4 中跨横梁布置形式

图5 闭口箱型横梁截面（左）与工字型横梁截面（右）（单位：mm）

采用Midas Civil 2022 软件建立（30+50+25）m 连续梁的梁单元有限元模型（图6），对采用不同截面型式的双线轨道梁进行计算，各项指标对比结果见表10～表11。

表10 横梁工字型截面与闭口箱型截面刚度指标对比

表11 横梁工字型截面与闭口箱型截面应力指标对比

图6 Midas 模型（闭口箱型横梁截面与工字型横梁截面）

计算结果表明，结构分别采用工字型横梁与闭口箱型横梁截面时，活载作用下轨道梁的竖向挠度以及主力作用下的应力相差不大，但就横向整体刚度而言，闭口箱型截面的横向挠跨比相对较小，箱型截面优于工字型截面。此外，当采用闭口箱型截面时，主力作用下横梁应力为61.1MPa，较工字型截面横梁应力80.5MPa 降低约30%。因此，研究推荐线间横梁采用闭口箱型截面。

3.2 横梁分布个数

为进一步探明闭口箱型截面横梁的跨间分布个数对结构横向刚度及应力状态的影响，分别考虑在（30+50+25）m 连续梁中跨等间距设置1～3 道横梁，计算结果对比见表12～表13。

表12 横梁分布个数对结构刚度的影响

表13 横梁分布个数对结构应力水平的影响

上述结果表明，当结构中跨分别设置1～3 道闭口箱型截面横梁时，结构的横向刚度分别为11020.5kN/m、12645.4kN/m 以及13939.2kN/m，结构横向刚度随着横梁数目的增加而增大。主力作用下轨道梁的应力分别是-112.7～121.1MPa、-103.5～113.2MPa 以 及-111.6～119.0MPa，就整体而言，主梁应力、竖向挠度以及梁端竖向折角与横梁数目之间的相关性较弱。

4 结论与建议

本文通过对悬挂式单轨（30+50+25）m大跨连续梁进行研究，从结构刚度、应力水平、车桥耦合动力特性等角度对比分析了轨道梁截面型式、轨道梁线间横向连接构造等对桥梁受力及运营的影响，得到主要结论及建议如下：

①总体而言，顶箱+侧箱组合截面结合了顶箱截面与侧箱截面的共同优势，车内乘客舒适性能达到较为理想的乘坐体验，在车辆横、竖向平稳性上均表现优异，达到优秀品级。

②顶箱+侧箱组合截面在各种刚度指标上均明显优于其他两种截面，体现出良好的抗弯、抗扭性能。

③轨道梁截面同时设置封闭顶箱和封闭侧箱后，其应力水平有明显降低，但同时也意味着需要更多的用钢量。在设计悬挂式单轨大跨连续梁、尤其是线路位于曲线上时，建议轨道梁采用顶箱+侧箱组合截面，结构的力学性能会更优。

④横梁采用闭口箱型截面时结构的横向整体刚度优于工字型截面，竖向挠度以及轨道梁应力相差不大；推荐采用闭口箱型横梁。

⑤结构横向刚度随着横梁数目的增加而增加，建议轨道梁跨中横梁数目以及空间分布方案的拟定应综合考虑经济性与安全性。