軌建合一新型軌道交通拉壓支座的設(shè)計(jì)研究

牛均寬

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞　721006)

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軌建合一新型軌道交通拉壓支座的設(shè)計(jì)研究

牛均寬

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西寶雞721006)

摘要:通過(guò)對(duì)北斗星城觀光線軌道支座的設(shè)計(jì)邊界、使用要求和安裝特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，介紹一種線路軌道修建于建筑樓體上軌建合一新型軌道交通拉壓支座的研究設(shè)計(jì)，結(jié)合線路獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定支座設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的基本原則，其中就支座的降振減噪、自適應(yīng)性重點(diǎn)對(duì)支撐組件、滑移轉(zhuǎn)動(dòng)副、緊固裝置進(jìn)行詳細(xì)闡述。經(jīng)過(guò)使用過(guò)程中實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證，該支座為在軌建合一的軌道系統(tǒng)中首次成功應(yīng)用，其理念和方法為軌道交通的縱向發(fā)展和橫向拓展提供一些啟示。

關(guān)鍵詞:新型軌道交通; CBD商業(yè)區(qū);軌建合一;拉壓支座

1　概述

北斗星城觀光線是我國(guó)國(guó)內(nèi)目前首條建于建筑樓體上的觀光軌道交通線路［1］，其功能集旅游觀光、短途接駁服務(wù)于一體，實(shí)現(xiàn)CBD商業(yè)區(qū)內(nèi)住宅小區(qū)、商業(yè)和辦公建筑等不同功能區(qū)間客流的運(yùn)輸銜接，其工程創(chuàng)意突破了常規(guī)的同類產(chǎn)品功能模式，強(qiáng)調(diào)提升項(xiàng)目的日常使用功能，著力發(fā)揮衍生功能和帶動(dòng)效應(yīng)，其嶄新體驗(yàn)方式，具有較強(qiáng)的感召力和吸引力。觀光線設(shè)計(jì)規(guī)劃［2］效果圖見(jiàn)圖1。

圖1　觀光線設(shè)計(jì)規(guī)劃效果圖

此觀光軌道線起始于CBD商業(yè)區(qū)北端，穿梭修建于CBD商業(yè)區(qū)建筑群的二樓樓頂面，橫跨鐵路專用線終止于主城區(qū)廣播電視塔，線路呈閉合環(huán)形扁條狀，全長(zhǎng)5.6 km。目前已完成CBD商業(yè)區(qū)內(nèi)2.5 km線路的建造。4節(jié)車(chē)輛定員52人，最大載重240 kN，車(chē)輛最大運(yùn)行速度30 km/h，持續(xù)運(yùn)行速度25 km/h。軌道線路雙線并行區(qū)段線間距最小為2.75 m，平曲線最小半徑25 m，線路最大縱坡不超過(guò)3‰，觀光線線路平面布局見(jiàn)圖2，線路軌道支座除7個(gè)設(shè)置于獨(dú)立立柱上外其余全部設(shè)置在建筑物9 m×11 m的柱網(wǎng)上，軌道梁梁跨設(shè)計(jì)考慮線路周邊規(guī)劃布局和總體建筑物柱網(wǎng)的尺寸布局要求，對(duì)數(shù)種梁跨設(shè)計(jì)方案，采用有限元結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響線法、包絡(luò)值法進(jìn)行了反復(fù)比對(duì)，最終確定了同一建筑物樓頂和北端頭燈泡線采用連續(xù)梁、跨相鄰樓宇采用簡(jiǎn)支梁的總體設(shè)計(jì)方案。由于線路要修建在CBD商業(yè)區(qū)一樓商鋪樓頂、二樓步行商業(yè)街旁，直接連接軌道與樓體的線路支座合理設(shè)計(jì)就顯得尤為關(guān)鍵［3］，一方面保證支座與連接軌道、樓體柱網(wǎng)合理可靠聯(lián)接，另一方面必須盡量減少振動(dòng)降低噪聲。

圖2　觀光線線路平面布局

2　支座設(shè)計(jì)邊界計(jì)算

2.1荷載組合

北斗星城觀光線制式為跨座式，由于本項(xiàng)目構(gòu)造尚屬首例，目前尚無(wú)系統(tǒng)、成熟的設(shè)計(jì)規(guī)范可供使用。因此在設(shè)計(jì)中結(jié)合工程實(shí)際分別依照《游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》(GB8408—2008)［4，5］和《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50458—2008)［6］進(jìn)行了荷載計(jì)算，荷載組合見(jiàn)表1、表2。

表1　依據(jù)《游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》(GB8408—2008)進(jìn)行計(jì)算的荷載組合

表2　依據(jù)《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50458—2008)進(jìn)行計(jì)算的載荷組合

2.2支座設(shè)計(jì)邊界計(jì)算

本項(xiàng)目使用MIDAS CIVIL軟件對(duì)軌道梁按梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，并對(duì)軌道梁［7］按照上述兩種體系11種荷載組合進(jìn)行車(chē)輛移動(dòng)荷載作用下影響線法分析計(jì)算，得出線路軌道每處支座沿X、Y、Z三個(gè)方向反力Fx、Fy、Fz和繞3個(gè)方向反力矩Mx、My、Mz，并對(duì)軌道梁在各組合包絡(luò)作用下的計(jì)算分析得到軌道梁在每一支座處繞三個(gè)方向剛度變形引起的最大轉(zhuǎn)角θx、θy、θz，以上三個(gè)方面的計(jì)算結(jié)果即為支座設(shè)計(jì)邊界。

3　支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于此線路獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于支座設(shè)計(jì)考慮了如下原則:①支座各個(gè)部(組)件應(yīng)功能明確盡可能單一，并發(fā)揮其組成主要材料的最佳使用性能;②具有良好的安全可靠性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和運(yùn)營(yíng)性能高、造價(jià)低;③需充分考慮支座和建筑物的連接形式及安裝精度;④須綜合考慮景觀要求，最大限度減小支座外輪廓尺寸，結(jié)構(gòu)通透、輕巧。

通過(guò)此線路的整體受力體系計(jì)算，常用的搖軸支座、輥軸支座、板式橡膠支座、盆式橡膠支座、球型支座、鉛芯橡膠支座，因連接關(guān)系、外形尺寸、支座承載拉壓功能分配比例等方面均不能直接滿足此線路軌道需求。因此需特殊設(shè)計(jì)一種新型拉壓支座，既能承受較大的豎向壓力和豎向拉力，又能實(shí)現(xiàn)一定程度的自由滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，可以有效地釋放軌道梁自身產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和基礎(chǔ)的不均勻沉降，且具足夠的降振減噪功效。

3.1支座設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式

依據(jù)觀光線工程的線路設(shè)計(jì)、軌道梁分段、各支承點(diǎn)反力及下部樓體柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)了不同型式的支座。典型支座結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3，其結(jié)構(gòu)形式為:預(yù)埋板下表面焊接有保證與混凝土足夠握裹力的螺紋鋼筋定位后與樓體柱網(wǎng)同時(shí)澆筑，作為支座安裝的基礎(chǔ)。支座底板通過(guò)配加工作為支座安裝高度、不平度的調(diào)整板，上表面縱橫方向設(shè)置4個(gè)測(cè)控基準(zhǔn)點(diǎn)，精確測(cè)位后與預(yù)埋板焊接［8］，兩側(cè)支撐塊、壓板采用扣壓螺栓與支座底板連接，扣壓螺栓之間用防轉(zhuǎn)片聯(lián)接以起到防松的效果，通過(guò)壓板壓在與軌道梁栓接的橫梁兩端，作為抵抗軌道梁傳遞給支座的等效拉力，其中橫梁僅為滿足樓體與線路設(shè)計(jì)豎曲線高程設(shè)計(jì)，根據(jù)需要也可直接扣壓于軌道梁下蓋板，支撐組件使用限位擋條上下分別焊接在橫梁下表面和支座底板上表面，作為支座縱橫方面滑移限位擋塊。

圖3　典型支座結(jié)構(gòu)形式

3.2支撐組件

支撐組件由非標(biāo)設(shè)計(jì)、支座專業(yè)廠家制造的盆式橡膠支座［9］或球形鋼支座構(gòu)成。兩者在滿足承載豎向荷載的基礎(chǔ)上，盆式橡膠支座利用被半封閉在鋼制盆腔內(nèi)的彈性橡膠體在受力狀態(tài)下具有流體性質(zhì)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng);依靠中間鋼板上的聚四氟乙烯板與上座板上的不銹鋼板之間的低摩擦系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)的水平位移。球型鋼支座通過(guò)球面板和球面四氟板之間的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng);通過(guò)上支座板與平面聚四乙氟板之間實(shí)現(xiàn)相對(duì)平面滑動(dòng)。兩種支座根據(jù)線路運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下模擬計(jì)算轉(zhuǎn)角和平面移動(dòng)量大小組合使用了單向活動(dòng)支座和固定支座。球形鋼支座僅用在為保證軌道過(guò)車(chē)平順的兩段梁接縫支座位，其余部位均采用盆式橡膠支座，以最大限度減輕軌道過(guò)車(chē)時(shí)對(duì)樓體的振動(dòng)和直接沖擊。

圖4　滑移轉(zhuǎn)動(dòng)副

3.3滑移轉(zhuǎn)動(dòng)副與緊固裝置

為了保證支座與軌道梁一定約束狀態(tài)下的相對(duì)滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)適應(yīng)性［10］，設(shè)計(jì)了如圖4的滑移轉(zhuǎn)動(dòng)副，使用承壓和滑動(dòng)性能良好的高力黃銅承壓板分別鑲嵌在支撐塊內(nèi)側(cè)和壓板下表面，1Cr18Ni9鋼制作的滑板通過(guò)壓緊沉頭螺釘固定在橫梁或軌道梁下蓋板兩側(cè)上沿，實(shí)現(xiàn)壓板與軌道梁之間的相對(duì)滑動(dòng);承壓板采用小面積接觸型式，且壓板承壓板與滑條之間留有0.2 mm的設(shè)計(jì)間隙，實(shí)現(xiàn)壓板與軌道梁之間的自適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

為了保證支座兩端壓緊裝置的可靠性，建立了如圖5所示的壓緊機(jī)構(gòu)計(jì)算模型，其中Fc為每個(gè)螺栓的軸向荷載，通過(guò)整體受力分析計(jì)算出每個(gè)壓板所能抗拉力F。借此依據(jù)各支點(diǎn)處軌道梁傳遞給支座的支反力計(jì)算結(jié)果，按照最大包絡(luò)原則依次將各支點(diǎn)在不同荷載組合下的最大正壓力和最大翻轉(zhuǎn)力矩折算為支座的抗拉力，通過(guò)全線路支座計(jì)算歸納，歸類標(biāo)準(zhǔn)化為支撐組件支距分別為0.55、0.85、1.15 m的Ⅰ型拉壓支座、Ⅱ型拉壓支座、Ⅲ型拉壓支座。線路軌道各支點(diǎn)部位支座形式可根據(jù)連接結(jié)構(gòu)和受力大小自由組合或單獨(dú)使用。

圖5　壓緊機(jī)構(gòu)計(jì)算模型(單位:mm)

另外，為保證扣壓螺栓對(duì)于支座整體連接強(qiáng)度，一方面提高螺栓的等級(jí)性能為10.9級(jí)，另一方面設(shè)計(jì)了如圖6所示的預(yù)埋錐形螺母嵌套結(jié)構(gòu)，依據(jù)構(gòu)造需求將材質(zhì)為30CrMnSi的滿足自鎖角為14°的錐形螺母套嵌套于加工有錐形孔的支座底板上，上下各預(yù)留有1 mm的裝配間距，防止裝配干涉。

圖6　預(yù)埋錐形螺母嵌套結(jié)構(gòu)

4　結(jié)語(yǔ)

在以上支座的設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，順利完成了北斗星城觀光線支座的制造、安裝和調(diào)試。在試運(yùn)營(yíng)和截止目前一年多的正式運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)車(chē)輛通過(guò)時(shí)支座關(guān)鍵部位應(yīng)力應(yīng)變、振動(dòng)頻率、線路軌道整體對(duì)于建筑樓體的振動(dòng)［11］等項(xiàng)目的跟蹤測(cè)試驗(yàn)證，車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)軌道噪聲測(cè)試結(jié)果不大于65 dB，支座的實(shí)際應(yīng)用完全滿足安裝調(diào)試［12］X、Y、Z三個(gè)方向0.5 mm精度和軌道對(duì)于支座在一定約束狀態(tài)下由于整體溫升、溫度梯度、過(guò)車(chē)荷載變形的適應(yīng)性使用要求，與周?chē)ㄖ铜h(huán)境和諧統(tǒng)一，達(dá)到了軌道交通服務(wù)、提高商業(yè)區(qū)功能需求的設(shè)計(jì)理念。此設(shè)計(jì)為類似軌道交通的建設(shè)提供了工程經(jīng)驗(yàn)，其理念為其他新型制式城軌交通系統(tǒng)適應(yīng)性開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用必將產(chǎn)生較大影響。

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Design and Research of Tensile-Compressive Support for New Urban Rail Transit Combined with Building

NIU Jun-kuan
(China Railway Baoji Bridge Group Co.，Ltd.，Baoji，Shaanxi 721006，China)

Abstract:Through analyzing the design boundary，usage requirements and installation features of the support for Tongling Dipper City Monorail，the design of tensile-compressive support for new urban rail transit combined with building is introduced.With reference to the unique track structural features，basic principles employed for the support design are established.This paper addresses support components，the rotational slip part and the fastening device with respect to vibration noise reduction and adaptability of the support.After practical validation，this support is successfully applied in the first time to the integrated system of track and building，which provides enlightenment to the full development of rail transit.

Key words:New urban rail transit; Central Business District; Combination of track and building; Tensile-compressive support

作者簡(jiǎn)介:牛均寬(1971—)，男，高級(jí)工程師，1996年畢業(yè)于北京理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:niujunkuan@ 126.com。

收稿日期:2015-07-21;修回日期:2015-08-04

文章編號(hào):1004-2954(2016) 03-0069-03

中圖分類號(hào):U239.5; U443.36

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.015