賈倫學(xué)

(中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司 云南昆明 650200)

1 概論

膠輪有軌電車系統(tǒng)特指比亞迪云巴系統(tǒng)(以下簡稱“云巴”)。云巴是一種具有獨(dú)立路權(quán)的新型小運(yùn)量軌道交通，具有轉(zhuǎn)彎半徑小、建造周期短、造價(jià)低、占地面積小等顯著優(yōu)勢。云巴與現(xiàn)有的城市公共交通系統(tǒng)充分結(jié)合，可顯著提高城市交通網(wǎng)密度及覆蓋面積，改善城市公共交通結(jié)構(gòu)，為居民出行提供便利。云巴相比常規(guī)有軌電車系統(tǒng)，其獨(dú)立路權(quán)性質(zhì)凸出，在便捷性、準(zhǔn)點(diǎn)率和舒適度方面更有保障；而與上一級的輕軌系統(tǒng)相比，其投資更省、轉(zhuǎn)彎半徑更小、爬坡能力更強(qiáng)，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和安全性，應(yīng)用前景廣闊。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)主要技術(shù)參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)

運(yùn)營速度:最高運(yùn)行速度80 km/h。

設(shè)計(jì)荷載單軸重:62.5 kN。

軌道梁斷面形式:軌道梁采用全鋼結(jié)構(gòu)，斷面為“H”型；單線軌道梁寬1 700 mm；20～30 m梁高取值為1 000～1 200 mm，如圖1所示[1-6]。

軌道梁材料:鋼材牌號按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D64-2015)結(jié)合項(xiàng)目區(qū)域選取[7-8]。

設(shè)計(jì)規(guī)范選取:云巴的走形輪和導(dǎo)向輪均為橡膠輪胎，與汽車在公路及城市橋梁行駛相似，從經(jīng)濟(jì)、美觀的角度建議選擇公路和市政橋梁相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范[9]，并參照城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[10]。

圖1 軌道梁斷面(單位:mm)

(2)列車荷載分布

本次研究的列車荷載形式選用廠家提供的3輛編組形式。由于列車走行輪為橡膠輪胎，與汽車在公路橋梁上行駛時(shí)對橋梁的沖擊作用類似，沖擊系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)選取。

3 總體設(shè)計(jì)

從對城市景觀的影響程度來看，上部結(jié)構(gòu)的跨徑適當(dāng)放大，可有效減少橋墩的數(shù)量，線路行進(jìn)在道路中央時(shí)能盡量減少對道路兩側(cè)視線的遮擋；從墩梁組合的比例來看，跨徑與墩高的比例取2～2.5較為適宜，視覺效果較好。一般城市軌道交通橋墩高度在12～15 m、上部結(jié)構(gòu)跨徑在25～30 m時(shí)給人的視覺感受較為舒適。

4 軌道梁相關(guān)技術(shù)研究

4.1 軌道梁選型

(1)材料

本文主要研究鋼結(jié)構(gòu)軌道梁。鋼結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度高、延性好，具有良好的力學(xué)性能。鋼結(jié)構(gòu)一般采用工廠加工制造，現(xiàn)場吊裝施工，質(zhì)量好、精度高、周期短。但鋼軌道梁剛度小，車輛走行在鋼軌道梁上時(shí)，振動(dòng)和沖擊作用較大。

日本單軌建設(shè)時(shí)，在汽車吊不能吊裝的地段大多采用鋼箱梁在現(xiàn)場拼裝，因而應(yīng)用實(shí)例較多。兩線鋼軌道梁的主梁間采用橫梁和下平聯(lián)連接，有利于增加橫向剛度和穩(wěn)定性[11-12]。

(2)結(jié)構(gòu)體系

軌道梁選擇采用剛構(gòu)體系，屬超靜定結(jié)構(gòu)體系，受力復(fù)雜，體系溫度變化以及基礎(chǔ)沉降均會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加內(nèi)力。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與目前世界上已運(yùn)營和在建的單軌交通體系有所不同，我國的重慶市、韓國大邱市以及日本多地的單軌都采用簡支軌道梁。

云巴軌道有公路橋梁的特點(diǎn)，參考公路橋梁選用連續(xù)結(jié)構(gòu)體系。連續(xù)梁體系支座數(shù)量少于簡支體系，特別是由于連續(xù)梁設(shè)置的伸縮縫較少，行車舒適性好。

(3)標(biāo)準(zhǔn)跨徑

基本跨度主要通過綜合考慮沿線的既有道路和規(guī)劃道路、景觀、標(biāo)準(zhǔn)化施工工法和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)等幾個(gè)方面，參照國內(nèi)外工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。

經(jīng)濟(jì)性:經(jīng)濟(jì)跨度一般與結(jié)構(gòu)受力、地質(zhì)情況和規(guī)?；a(chǎn)等相關(guān)。根據(jù)國內(nèi)各城市經(jīng)驗(yàn)，區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)梁的經(jīng)濟(jì)跨度為20～30 m。我國重慶、日本的單軌交通，采用簡支軌道梁，其常用跨徑在20 m左右，最大跨徑為22 m。

景觀和視線要求:從橋梁美學(xué)角度，合理的高跨比為1/3～1/2單軌軌面與地面高差一般在10 m左右，即一般跨徑取25 m較為合適。

施工進(jìn)度:采用較大的跨度，可以減少橋墩數(shù)量。

綜上所述，25 m跨徑在經(jīng)濟(jì)、景觀方面占有優(yōu)勢；但30 m跨可以減少橋跨數(shù)量，施工進(jìn)度占優(yōu)，且跨徑較大，跨越條件相對較好。因此，重點(diǎn)對25 m和30 m跨徑進(jìn)行對比研究。

4.2 橋墩選型

云巴軌道制式大部分在既有或規(guī)劃道路路中敷設(shè)，墩柱位于道路中央分隔帶上(部分道路路中沒有分隔帶可調(diào)整為路側(cè)布置)，對墩柱的整體景觀要求較高。云巴鋼軌道梁橋墩在市區(qū)時(shí)推薦采用鋼結(jié)構(gòu)或者鋼混結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)選取了“Y”形圓柱鋼管混凝土雙線“花瓶”形橋墩。

4.3 連續(xù)剛構(gòu)體系研究

為確定不同的橋墩類型、不同跨度及高度對云巴軌橋梁結(jié)構(gòu)的影響，橋墩選取不同直徑和不同跨徑進(jìn)行分析。

4.4 結(jié)構(gòu)比選

本文遵循以下原則建立軌道梁結(jié)構(gòu)的有限元模型:(1)選取合適的單元精準(zhǔn)模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何特征；(2)建立的模型需準(zhǔn)確模擬荷載和約束情況；(3)進(jìn)行有效的網(wǎng)格劃分以保證結(jié)構(gòu)分析的精度。采用Midas Civil建立幾何模型，并考慮樁土共同作用，在承臺(tái)底節(jié)點(diǎn)賦予樁基剛度矩陣，能較好地反映軌道梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，見圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)跨徑有限元模型

為確定不同跨度對軌道梁結(jié)構(gòu)的影響，列車采用3輛編組，依照車輛轉(zhuǎn)向架尺寸等因素初步設(shè)計(jì)軌道梁橫截面形式，如圖1所示。鋼材厚度一定，各板件板厚如表1所示。加勁肋間距和墩高保持一定，跨度分別取20 m、25 m、30 m。不同跨徑、墩徑、樁徑的直線梁有限元分析結(jié)果見表2。

表1 軌道梁主要部位板厚度統(tǒng)計(jì)

表2 不同跨徑、墩徑、樁徑直線梁有限元分析結(jié)果

由表2可知，隨著跨度增大，軌道梁豎向振動(dòng)的頻率逐漸減小，上部跨徑越大及聯(lián)長越長時(shí)上部結(jié)構(gòu)基頻偏低；隨著鋼管直徑和樁徑增加，豎向振動(dòng)頻率隨之增加，下部對結(jié)構(gòu)動(dòng)力的貢獻(xiàn)增加?？梢钥闯?，軌道梁的跨徑宜選用25 m，3孔25 m結(jié)構(gòu)的橫彎基頻和豎彎基頻分別為3.04 Hz和4.3 Hz。

5 云巴軌道梁橋梁部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過單項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化初步擬定軌道梁標(biāo)準(zhǔn)跨度為25 m。

鋼軌道梁跨度為3×25 m，軌道梁高度為1.0 m。上、下翼緣鋼板厚度為25 mm，腹板鋼板厚度為12 mm，軌道梁之間橫聯(lián)采用H型鋼，標(biāo)準(zhǔn)橫聯(lián)之間間距為1.38 m。橋墩采用雙圓柱鋼管混凝土橋墩，剛構(gòu)墩基礎(chǔ)為單排樁基，樁徑為D1.2 m。

(1)軌道梁承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算，初擬的軌道梁結(jié)構(gòu)尺寸能滿足各種工況下應(yīng)力驗(yàn)算的要求。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3～表4。

表3 軌道梁應(yīng)力值 MPa

表4 軌道梁橫聯(lián)應(yīng)力值 MPa

按照《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》驗(yàn)算，頂板最大應(yīng)力σ＝188.006 MPa

(2)撓度驗(yàn)算

按照《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，計(jì)算豎向撓度時(shí)，應(yīng)按結(jié)構(gòu)力學(xué)并采用不計(jì)沖擊力的汽車車道荷載頻遇值，頻遇值系數(shù)為1.0。計(jì)算撓度值不應(yīng)超過L/800的限值，經(jīng)驗(yàn)算最大撓度出現(xiàn)在邊跨跨中附近，撓度值為14.522 mm，對應(yīng)的最大撓度允許值為30.8 mm，滿足要求。

(3)疲勞驗(yàn)算

鋼軌道梁車輛疲勞荷載取定員軸重，按現(xiàn)行《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》疲勞荷載計(jì)算模型Ⅱ進(jìn)行計(jì)算，軌道梁單線加載。經(jīng)驗(yàn)算疲勞應(yīng)力幅能滿足要求，但根據(jù)疲勞細(xì)節(jié)需調(diào)整鋼板厚度。結(jié)構(gòu)在疲勞荷載下應(yīng)力包絡(luò)圖見圖3。

圖3 疲勞荷載下結(jié)構(gòu)上翼緣應(yīng)力包絡(luò)圖

對腹板與頂?shù)装宓暮缚p以及底板加勁肋與底板的焊縫進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C中確定疲勞細(xì)節(jié)，底板與橫隔板焊縫處取70 MPa，對應(yīng)力幅較大的截面進(jìn)行驗(yàn)算。選擇伸縮縫、邊跨跨中、中支點(diǎn)和中跨跨中截面進(jìn)行疲勞驗(yàn)算，除伸縮縫截面外其它三個(gè)截面均為拉-壓循環(huán)截面。伸縮縫截面到伸縮縫的距離D<6 m，取動(dòng)力系數(shù)Df＝0.3。驗(yàn)算頂?shù)装迮c腹板的焊接截面時(shí)，允許應(yīng)力幅73.68/1.35＝54.58 MPa，頂、底板與橫隔板焊接截面允許應(yīng)力幅值為51.6/1.35＝38.2 MPa。

腹板厚度為12 mm時(shí)，疲勞荷載下結(jié)構(gòu)上下翼緣應(yīng)力幅、頂?shù)装褰菓?yīng)力幅分別見表5～表6。

表5 腹板厚度12 mm時(shí)結(jié)構(gòu)上下翼緣應(yīng)力幅 MPa

表6 腹板厚度為12 mm時(shí)頂?shù)装褰菓?yīng)力幅 MPa

由表5～表6可知，腹板厚度為12 mm時(shí)，能滿足頂?shù)装迮c腹板的容許應(yīng)力幅值54.58 MPa，但頂?shù)装褰屈c(diǎn)的疲勞應(yīng)力最大值為44.45 MPa，超過容許應(yīng)力值16%。

調(diào)整腹板厚度為14 mm再進(jìn)行檢算。疲勞荷載下結(jié)構(gòu)上下翼緣應(yīng)力幅、頂?shù)装褰菓?yīng)力幅分別見表7～表8。

表7 腹板厚度14 mm時(shí)結(jié)構(gòu)上下翼緣應(yīng)力幅 MPa

表8 腹板厚度14 mm時(shí)頂?shù)装褰菓?yīng)力幅 MPa

由表7～表8可知，腹板厚度為14 mm時(shí)，能滿足頂?shù)装迮c腹板的容許應(yīng)力幅值54.58 MPa、頂?shù)装褰屈c(diǎn)的疲勞應(yīng)力容許應(yīng)力幅值38.2 MPa要求。

6 結(jié)束語

國內(nèi)尚未對云巴交通系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性研究，本文通過收集國內(nèi)僅有的云巴資料，分析了云巴交通系統(tǒng)中橋梁結(jié)構(gòu)的軌道梁、橋墩和支撐約束的主要形式，研究結(jié)論如下:

(1)結(jié)合云巴橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依據(jù)車輛轉(zhuǎn)向架的尺寸，初步擬定軌道梁橫截面、標(biāo)準(zhǔn)跨度、橋墩結(jié)構(gòu)形式。

(2)建立25 m雙線三跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型，并進(jìn)行自振分析。計(jì)算表明橋梁結(jié)構(gòu)的橫彎基頻和豎彎基頻分別為3.04 Hz和4.3 Hz。

(3)研究表明，采用25 m雙線三跨連續(xù)剛構(gòu)軌道梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全可靠、舒適，并可實(shí)現(xiàn)工廠化、模塊化及節(jié)段拼裝施工，能有效提高施工效率、降低工程投資、有利環(huán)保。

(4)研究結(jié)論對膠輪式有軌電車(云巴)系統(tǒng)軌道梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考意義。