懸掛式單軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案研究

王玉華 王孟君 謝宇杰

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210000）

我國(guó)境內(nèi)幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜，不同城市道路分布情況迥異，對(duì)于城市軌道交通系統(tǒng)的選型和布置影響較大，而懸掛式單軌系統(tǒng)對(duì)于不同的地形地貌和道路分布情況均具有較好的適應(yīng)性，在城市道路、機(jī)場(chǎng)道路、碼頭連接、旅游景點(diǎn)內(nèi)部路等專用線路的連接中，懸掛式單軌系統(tǒng)也廣泛應(yīng)用[1-2]。實(shí)際工程中與懸掛式單軌車輛相配套的軌道梁整體結(jié)構(gòu)形式為鋼箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁下部設(shè)計(jì)為開口形式，車輛運(yùn)行時(shí)懸掛在軌道梁下部，實(shí)現(xiàn)其平穩(wěn)和順利運(yùn)行。懸掛式單軌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在構(gòu)造和結(jié)構(gòu)形式上可以分為軌道梁、橋墩、道岔等幾部分。針對(duì)懸掛式單軌結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行研究，對(duì)懸掛式單軌系統(tǒng)的工廠化生產(chǎn)與工業(yè)化制造及推廣，具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-6]。

1 軌道梁結(jié)構(gòu)方案研究

1.1 軌道梁材質(zhì)方案

結(jié)合已有的研究及國(guó)內(nèi)外已經(jīng)投產(chǎn)的懸掛式單軌系統(tǒng)，其軌道梁的構(gòu)造大多采用下部開口的鋼制箱梁構(gòu)造，箱梁的內(nèi)部空間用于車輛通行，設(shè)置專門的車輛走行軌道。部分國(guó)家和地區(qū)的軌道梁采用土木工程中常見的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)制作而成，但是相比于鋼結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土用于軌道梁制作時(shí)存在以下問題：首先，混凝土結(jié)構(gòu)的自重較同等條件下的鋼結(jié)構(gòu)自重大的多，跨越能力受限；其次，箱梁下部開口的設(shè)計(jì)形式，會(huì)在削弱結(jié)構(gòu)的整體性與受力完整性，開口的導(dǎo)角及截面突變位置會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)部位出現(xiàn)極為嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)受力與承載不利；最后，相比于鋼筋混凝土，鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、施工便捷、結(jié)構(gòu)美觀、便于工廠化制作等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地降低施工成本與周期[7]。

1.2 軌道梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑對(duì)比分析

在進(jìn)行懸掛式單軌軌道梁的跨徑與基本跨度設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合對(duì)比分析道路規(guī)劃、地質(zhì)條件、景觀要求、規(guī)范限值、既有道路、建設(shè)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)等多個(gè)方面的因素。而懸掛式軌道交通系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)起步相對(duì)較晚，相關(guān)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，屬于新興事物，因此在參考國(guó)外相關(guān)懸掛式單軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建設(shè)情況，一般情況下軌道梁的經(jīng)濟(jì)跨度都在35m以下。選擇不同跨度的軌道梁布置方案，將影響下部結(jié)構(gòu)布置，從而影響工期及總體工程造價(jià)，因此有必要比較采用不同標(biāo)準(zhǔn)跨作為布跨方案時(shí)總體工程量和造價(jià)上的差異，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約工期，減少工程造價(jià)的目的。本文分別取跨度為20m、25m、30m、35m 進(jìn)行分析比較，以10km 線路方案為例[8]，工程數(shù)量見表1 所示。

可以看出：a.當(dāng)軌道梁跨度為20m、25m 和30m 時(shí)，結(jié)構(gòu)每延米用鋼量差別較小，但是采用30m 跨徑軌道梁時(shí)全線橋墩及基礎(chǔ)數(shù)量較20m 跨徑少144 個(gè)，較25m 跨徑少57個(gè)，可以大大降低下部基礎(chǔ)工程的造價(jià)，同時(shí)隨著跨度的增大，伸縮裝置的數(shù)量也相應(yīng)減小；由于懸掛式空軌系統(tǒng)的軌道梁所采用的伸縮裝置需要特殊制作，造價(jià)較高，因而適當(dāng)采用較大跨度的軌道梁更為節(jié)約工程成本。

b.采用35m 跨度軌道梁雖然相比于比30m 梁少42 個(gè)墩及基礎(chǔ)，但是其每延米用鋼量大大增加，且其梁高達(dá)1.65 m，景觀效果差，同時(shí)跨度越大也會(huì)增加節(jié)段運(yùn)輸及拼裝的難度。

c.從加快施工進(jìn)度來說，當(dāng)采用較大的跨度，可以減少橋跨數(shù)量。當(dāng)沿線地質(zhì)處于不良土層時(shí)，如濕陷性黃土、軟土、巖溶等，采用較大的跨度有利于減小施工風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 軌道梁截面尺寸設(shè)計(jì)

懸掛式單軌系統(tǒng)工作時(shí)，由于其上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為整體性和受力整體性較好的梁軌一體形式，因此其梁部承擔(dān)了軌道的功能。根據(jù)懸掛式單軌系統(tǒng)中常用的車輛形式、轉(zhuǎn)向架尺寸、車輛及轉(zhuǎn)向架的相應(yīng)限界要求，在結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)的實(shí)例，本文軌道梁的內(nèi)截面尺寸初步選定為常用的1250 毫米×780 毫米，箱梁的截面下開口寬度選定為240 毫米。根據(jù)承載能力與應(yīng)力優(yōu)化原則，內(nèi)截面箱梁的下翼緣鋼板厚度設(shè)計(jì)為32 毫米，同時(shí)在懸掛式單軌系統(tǒng)中承擔(dān)軌道的功能。此外，考慮到軌道梁的截面剛度相對(duì)較小，在承受車輛荷載及沖擊作用時(shí)部分位置會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力不利。因此，軌道梁在設(shè)計(jì)時(shí)采用鋼板加勁肋對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加勁設(shè)計(jì)，以提高軌道梁的截面剛度。另外，為進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)承載能力，提高結(jié)構(gòu)耐久性，在軌道梁上同時(shí)增設(shè)橫向加勁肋，橫向加勁肋的布置形式及位置為沿軌道梁內(nèi)側(cè)頂部和外側(cè)左右兩邊布置。

2 橋墩結(jié)構(gòu)方案研究

2.1 橋墩方案設(shè)計(jì)

懸掛式單軌軌道梁橋墩方案需結(jié)合橋梁上部結(jié)構(gòu)所選擇的截面形式以及線路沿線周邊環(huán)境確定。如圖1 所示，為懸掛式單軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用單線設(shè)計(jì)時(shí)的倒L 形標(biāo)準(zhǔn)橋墩墩柱。

圖1 單線L 型墩柱

如圖2 所示，為懸掛式單軌軌道梁采用雙線設(shè)計(jì)時(shí)的Y形標(biāo)準(zhǔn)橋墩墩柱。為了方便工廠預(yù)制、運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)吊裝，Y形橋墩在墩頂附近斷開，在工廠分別預(yù)制，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后在利用法蘭通過高強(qiáng)螺栓將兩者相連。橋墩界面形式為矩形空心截面，采用鋼結(jié)構(gòu)的形式在工廠內(nèi)預(yù)制完成。

圖2 雙線Y 型墩柱

2.2 橋墩和軌道梁的連接

懸掛式單軌系統(tǒng)的軌道梁與橋墩常見的連接方式有支座和銷軸連接兩種形式。采用支座連接的方式時(shí)，軌道梁對(duì)應(yīng)的梁部牛腿與橋墩頂部水平懸挑的牛腿采用支座對(duì)接的方式，實(shí)現(xiàn)軌道梁與橋墩頂部的有效連接。軌道梁和橋墩采用銷軸連接的方式時(shí)，由于橋墩頂部水平懸挑梁向下伸出的吊板上設(shè)置有對(duì)應(yīng)尺寸的方形槽，軌道梁的梁端銷孔通過銷軸預(yù)制對(duì)接，即可實(shí)現(xiàn)橋墩墩與軌道梁的精準(zhǔn)、高效連接。若方形槽在插入銷軸的兩端間隙處采用楔形襯墊填充，則二者共同有效連接后共同形成固定支座；若保留該間隙，縱向設(shè)置限位板，銷軸下設(shè)滑板，則形成活動(dòng)支座。

綜合上述兩種連接方式：支座連接系統(tǒng)需在墩、梁上額外增設(shè)牛腿，增加工作量；軌道梁安裝過程中存在的誤差也將影響走行梁的平順性，行車過程中將導(dǎo)致支座反力存在較大差異，且支座更換不方便。而銷軸連接系統(tǒng)能有效的克服支座連接的缺點(diǎn)，且更加安全。

3 道岔結(jié)構(gòu)方案研究

3.1 道岔主要設(shè)計(jì)原則

道岔的主要作用為改變并按照線路設(shè)計(jì)要求調(diào)整列車行駛方向。相對(duì)于高速鐵路的道岔設(shè)計(jì)，懸掛式單軌道岔結(jié)構(gòu)涉及車輛、軌道、橋梁、信號(hào)等專業(yè)及學(xué)科的知識(shí)，其組成較為復(fù)雜，是懸掛式單軌交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工中的控制因素與關(guān)鍵技術(shù)之一。結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，其主要設(shè)計(jì)原則如下：

3.1.1 車輛運(yùn)行時(shí)，道岔系統(tǒng)必須滿足懸掛式單軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中車輛的平穩(wěn)、安全、可靠的相關(guān)要求。

3.1.2 結(jié)構(gòu)型式在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮到操作與管養(yǎng)維護(hù)的便捷性。

3.1.3 道岔應(yīng)并具有系統(tǒng)檢測(cè)、故障診斷、系統(tǒng)保護(hù)及相應(yīng)的報(bào)警功能，同時(shí)為滿足車輛運(yùn)行的及操作的智能化和協(xié)調(diào)性，應(yīng)該配套設(shè)計(jì)相關(guān)的集中控制功能。

3.1.4 道岔的轉(zhuǎn)轍時(shí)間不大于15 秒，轉(zhuǎn)轍時(shí)各節(jié)點(diǎn)應(yīng)精確控制位移和定位，確保同步、準(zhǔn)確，并能滿足牢固鎖定的要求。

3.1.5 道岔直向應(yīng)滿足區(qū)間直向地段列車行駛速度的要求，側(cè)向最高通過速度與導(dǎo)曲線半徑相匹配。

3.1.6 道岔的設(shè)計(jì)使用壽命不小于20 年。

3.1.7 在車輛豎向荷載、橫向荷載、離心力及風(fēng)荷載等共同作用下，為確保車輛安全并保證使用壽命，道岔在鎖定狀態(tài)下時(shí)車輛應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度及抗傾覆能力。

3.2 道岔結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)道岔結(jié)構(gòu)形式不同，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的懸掛式單軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，常見的道岔大致可以分為移動(dòng)式、梯型轍叉式和倒T 形轍叉式三種[9-10]。

移動(dòng)式道岔主要應(yīng)用于跨座式單軌線路；梯型轍叉式道岔主要應(yīng)用于德國(guó)多特蒙德空軌和日本千葉空軌線路，采用的懸掛系統(tǒng)中間布置形式；倒T 形轍叉式道岔主要應(yīng)用于我國(guó)青島四方試驗(yàn)線，采用的是懸掛系統(tǒng)中間布置的形式。對(duì)于三種結(jié)構(gòu)形式道岔見表2 所示。

表2 單軌道岔結(jié)構(gòu)形式

通過對(duì)比分析可以看出，移動(dòng)式道岔具備轉(zhuǎn)轍靈活、可實(shí)現(xiàn)多開等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)計(jì)要充分考慮線型設(shè)計(jì)，并在一定程度受到地形地貌等地質(zhì)條件的影響，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。

道岔梁、梯子型長(zhǎng)心軌和短心軌等結(jié)構(gòu)共同組成了梯型轍叉道岔，并支撐其發(fā)揮相應(yīng)的軌道交通功能，為保證行車安全性及平穩(wěn)性，大多數(shù)情況下在長(zhǎng)、短心軌相接處設(shè)置鎖閉點(diǎn)。梯型轍叉道岔的轉(zhuǎn)轍原理與鐵路道岔可動(dòng)心軌類似。相比之下，倒T 形轍叉道岔與梯型轍叉道岔雖然在轉(zhuǎn)轍原理方面差別不大，但倒T 形轍叉道岔的轉(zhuǎn)轍結(jié)構(gòu)在整體上可以分為可動(dòng)軌和修正軌，因此與梯型轍叉道岔在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、構(gòu)造、施工程序等方面存在差異。

綜上所述，結(jié)合移動(dòng)式道岔、梯型轍叉、倒T 形轍叉道岔的各自特點(diǎn)及不足之處，考慮到倒T 形轍叉道岔在工作時(shí)，其修正軌配合可動(dòng)軌底板為車輛的走行輪提供了連續(xù)的走行面，行車安全系、舒適性、平穩(wěn)性等均大幅提高，因此推薦采用倒T 形轍叉道岔方案。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)近年來軌道交通的飛速發(fā)展及穩(wěn)步推進(jìn)，懸掛式單軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為一種新型軌道交通制式，逐漸被應(yīng)用到實(shí)際工程中，并存在大規(guī)模推廣和工廠化制造的趨勢(shì)。因此，為了更好的推廣應(yīng)用該系統(tǒng)，本文重點(diǎn)對(duì)懸掛式單軌的軌道梁、橋墩結(jié)構(gòu)、以及道岔等結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了比選研究，主要結(jié)論包括：

4.1 軌道梁的內(nèi)截面為的1250 毫米×780 毫米，箱梁的截面下開口寬度為240 毫米。根據(jù)承載能力與應(yīng)力優(yōu)化原則，下翼緣鋼板厚度為32 毫米，同時(shí)在系統(tǒng)中承擔(dān)軌道的功能。為進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)承載能力，提高結(jié)構(gòu)耐久性，在軌道梁上同時(shí)增設(shè)橫向加勁肋，橫向加勁肋的布置形式及位置為沿軌道梁內(nèi)側(cè)頂部和外側(cè)左右兩邊布置。

4.2 采用單線設(shè)計(jì)時(shí)，懸掛式單軌軌道梁橋墩采用倒L形墩柱，雙線時(shí)為Y 形墩柱。軌道梁與橋墩采用銷軸連接，能有效的克服支座連接的缺點(diǎn)，且更加安全。

4.3 懸掛式單軌道岔梁采用的倒T 形轍叉道岔在工作時(shí)，其修正軌配合可動(dòng)軌底板為車輛的走行輪提供了連續(xù)的走行面，行車安全系、舒適性、平穩(wěn)性等均大幅提高。