跨座式軌道梁支座設計研究

楊衛鋒，彭華春，韓家山，劉陽明，曹翁愷

(1.洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

跨座式單軌交通是列車跨騎在軌道梁上運行并通過單根軌道梁來支承、穩定和導向列車運行的軌道交通，具有噪聲低、爬坡能力強、轉彎半徑小、快速便捷、占地少、造價低、不受地形限制、利于環境保護等諸多優點[1-2]，是未來城市軌道交通發展的新趨勢。跨座式單軌交通作為一種獨特的中運量城市軌道交通系統，可有效解決二、三線城市以及山城、坡度較大的城市交通堵塞問題。

跨座式單軌交通軌道梁在起到跨越障礙作用的同時，還作為列車行駛的軌道[3-4]。跨座式軌道梁支座是保證軌道梁正常發揮其功能的關鍵。為滿足列車運行的安全可靠、平穩及低噪聲的要求，跨座式軌道梁支座應不僅要有足夠的強度，還應抗疲勞，耐磨損，能承受各種交變載荷和環境溫度變化，此外還應滿足耐久性要求[5]，且具有調整線路線形的功能。

本文提出了一種新型跨座式軌道梁支座的結構設計方案，并建立三維有限元模型研究支座的結構受力狀態，通過疲勞試驗驗證支座結構設計的可靠性。

1 支座的功能要求

跨座式軌道梁支座除應能夠承受豎向荷載、水平荷載及適應梁端變形(位移、轉動)外，還應具有抵抗橫向扭轉荷載、水平扭轉荷載的能力。同時，支座還應具備調整梁體軌道線形的功能。因此，軌道梁支座除需具備常規支座的功能外，還應具備的功能有：①抗拉；②豎向高度調節；③水平位置調節；④線路橫向坡度調節。

2 支座的結構及工作原理

2.1 支座的結構

新型跨座式軌道梁支座按適用梁型可分為直線梁支座和曲線梁支座，按使用功能可分為單向活動支座和固定支座。支座結構如圖1所示。

圖1 跨座式軌道梁支座結構示意

2.2 支座的工作原理

跨座式軌道梁支座的工作原理如下：

1)水平滑移。支座上座板上焊接的不銹鋼滑板與中座板上鑲嵌的非金屬滑板構成平面摩擦副，實現低摩擦因數的水平滑移要求。

2)支座縱橋向轉動。支座中座板下凸圓柱面與下座板下凹圓柱面上鑲嵌的非金屬滑板形成柱面摩擦副，實現低摩擦因數的縱橋向轉動要求。

3)承受豎向拉力。在支座上座板設有抗拉板并與轉動滑塊、下座板凸耳、下座板高度調節螺紋、調高螺柱、底板高度調節螺紋及抗拉錨栓組件共同組成支座的抗拉拔結構，調高螺柱將下座板與底板連接為一個整體，在保證正常運動功能的同時，能夠承受豎向拉力。

4)豎向高度調節。支座調高結構采用梯形螺旋傳動結構，實現支座的無級調高功能。支座調高螺柱兩端的梯形螺紋為正反梯形螺紋，并在中間部位設有對稱分布的旋動扳手孔。需要進行高度調節時，旋出調高螺柱鎖定螺釘，將調高扳手插入調高螺柱上的扳手插孔，旋轉調高螺柱，使支座升高(或降低)至要求高度。

5)水平位置調節。通過添加或去除設置在支座底板與座板之間的調位墊片來實現水平位置調節。需要調節支座橫橋向的水平位置時，松開座板上的頂推螺栓，通過千斤頂推動梁體和支座相對于底座板運動，進而改變支座水平位置。

6)橫向坡度調節。在支座的底板與調坡底板之間設置大半徑弧面摩擦副，通過旋轉支座上部結構在弧面上的相對位置來實現支座的橫向坡度調節功能。當需要進行橫向坡度調節時，松開坡度調節結構的鎖緊螺栓并移除鎖定結構上的墊片組合，推動上部結構至調坡弧面上需要的位置。

2.3 支座的結構特點

新型跨座式軌道梁支座與現有PC軌道梁鋼支座相比具有明顯的優勢，具體體現在：①支座主要傳力部位均為面接觸(如采用平面摩擦副及柱面摩擦副代替了鉸軸及凸輪部位的線接觸)，有利于支座結構的整體受力均勻性。②支座與上部梁體及下部墩臺均采用了可拆卸的錨固結構，當支座受到損壞時便于更換，安裝時對工藝及技能要求大大降低。③采用螺旋式調高結構實現支座高度的無級連續雙向調節。④采用高性能非金屬材料面接觸摩擦副，降低了滑動時的摩擦因數，改善了支座減震減沖擊效果。

新型跨座式軌道梁支座具有傳力途徑明確、結構合理、受力均勻及便于更換等優點，能夠滿足跨座式單軌交通橋梁的使用要求。

3 支座的有限元分析

3.1 有限元模型及加載情況

以3×25 m梁邊墩支座尺寸為例建立支座模型。模型通過上地腳螺栓與梁體相連，通過下地腳螺栓與墩臺相連。

模型中梁體、上座板、非金屬滑板、調高螺柱、座板、抗拉錨栓及墩頂墊石均采用六面體單元模擬，其余部件采用四面體單元模擬。在保證計算精度的同時，為節省計算時間，對網格尺寸進行了局部控制，對于非重要構件網格控制尺寸為30 mm，重要構件網格控制尺寸為15 mm，模型共有 326 478 個節點，112 985 個單元。

梁底與上座板、墊石與座板、底板與座板采用摩擦接觸，摩擦因數為0.2。非金屬滑板與不銹鋼滑板間采用摩擦接觸，摩擦因數為0.03。其余接觸面均采用綁定接觸。

根據支座的實際工況，支座的加載情況如圖2所示，對墊石底部進行固定約束，并對梁體同時加載豎向荷載 1 250 kN、橫向荷載125 kN以及頂部橫向扭轉荷載300 kN·m和水平扭轉荷載100 kN·m。

圖2 軌道梁支座加載情況

3.2 結構的有限元分析

支座整體及主要部件的應力云圖如圖3所示。

圖3 支座整體及主要部件的應力云圖(單位：MPa)

由圖3可知：①由于橫向扭矩及水平扭矩的存在，支座左側部位承受壓載及扭轉較大，整體支座除下座板邊緣有局部應力集中外，其余部位受力均較小。②由于受到橫向扭矩的影響，上座板承壓一側導向板根部及下座板頂端兩側邊緣尖角處存在較大的應力集中現象，上座板與下座板其余部位應力分布較為均勻，應力水平較低。③調高螺柱最大應力發生在螺柱與下座板連接部位的根部，最大應力為139.73 MPa，小于材料的設計容許應力。

根據以上有限元分析結果表明，支座主要部件除局部應力集中處外，支座的整體應力水平較小，支座受力滿足設計要求。

3.3 結構剛度分析

支座整體及主要部件位移云圖如圖4所示。

圖4 支座整體及主要部件位移云圖(單位：mm)

由圖4可知：①由于橫向扭矩及水平扭矩的存在，支座左側部位承受的壓載及扭轉較大，最大位移發生在上座板縱橋向側邊，大小為1.02 mm，其余位置變形較小。②下座板最大位移為0.60 mm，發生在下座板頂端兩側邊緣處，位移由大到小從兩側上部依次向下部傳遞，位移變化較均勻。③調高螺柱最大位移發生在受拉側螺桿頂端邊緣處，大小為0.29 mm，位移由大到小從左上角依次向右下角傳遞，位移變化較均勻。根據以上有限元分析結果表明，支座主要部件整體變形均較小，支座的整體剛度較好。

4 支座的疲勞試驗強度分析

4.1 支座的疲勞狀態

跨座式軌道梁支座是跨座式單軌交通橋梁軌道梁與墩臺相聯的支撐體，需承受列車高速行駛所產生的交替變化的多種組合荷載，包括豎向荷載、水平荷載、橫向扭轉荷載、水平扭轉荷載、沖擊荷載等。在支座設計壽命期內，不斷變化的荷載會在支座及相關聯結構件中產生疲勞應力，當疲勞應力幅達到一定程度后將逐步對支座帶來損傷[7-8]。支座的疲勞性能是橋梁結構整體安全性的關鍵，對保證跨座式單軌交通橋梁結構的安全運營、提高結構的耐久性、延長使用期限具有十分重要的作用。因此，有必要對跨座式軌道梁支座進行足尺模型的疲勞性能試驗研究。

4.2 等效應力幅的確定

支座疲勞荷載的確定需根據列車運行的疲勞荷載譜，并考慮列車初期、近期和遠期車輛編組計劃，計算出在橋梁設計壽命期間實際運營時疲勞荷載的作用次數。再根據疲勞線性損傷累積理論將變幅、高循環的荷載幅轉化為試驗條件允許的常幅疲勞試驗次數的等效載荷幅[5，8]。

以柳州軌道交通1號線列車運行規劃為例進行疲勞試驗的等效常幅荷載及等效常幅荷載作用次數的計算分析。列車編組及荷載作用次數見表1。

表1 列車編組及荷載作用次數

從表1可以看出列車全壽命的疲勞次數為905.8萬次。按照目前的試驗設備、技術水平和試驗研究周期的要求，進行如此高次數的疲勞試驗難度很大。因此，根據疲勞損傷理論，通過提高荷載幅值，縮減疲勞次數來模擬真實工況下疲勞累計損傷的效果。參考以往類似疲勞試驗經驗，將試驗次數縮減到300萬次。為了將疲勞試驗樣件的疲勞累計損傷做到與經歷905.8萬次的疲勞累計損傷效果一致，需提高試驗時的荷載幅值。

由于跨座式單軌交通軌道梁橫截面較小，動靜荷載比較大，可近似為1∶1。根據疲勞試驗荷載幅值的換算規則，計算出疲勞試驗荷載幅值，見表2。

表2 疲勞試驗荷載幅值

根據 Miner 累積損傷法則，將上述荷載轉化為等效常幅荷載，近而確定支座疲勞荷載幅值為820 kN。

4.3 疲勞試驗加載方式

以3×25 m梁邊墩支座為試驗樣品，疲勞試驗模擬支座的實際荷載狀況(參見圖2)。由于跨座式軌道梁支座疲勞試驗目前沒有標準的加載試驗機，需根據模擬試驗參數的要求搭建疲勞試驗裝置，如圖5所示。試驗過程中停機進行靜載試驗并采集關鍵應力點的應力值，試驗采用分10級逐級加載及卸載的方式進行，每次靜載試驗重復3次，試驗流程如圖6所示[9]。

圖5 疲勞試驗裝置

圖6 試驗流程

4.4 試驗結果分析及可靠性評價

為分析各次靜載試驗支座模型Von-Mises應力隨加卸載級數的變化，選取幾處最不利特征點進行研究。樣品測點對應部位見表4。

表4 樣品測點對應部位

圖7 各測點Von-Mises應力曲線

圖7給出了各測點Von-Mises應力在每次靜載試驗時隨加卸載級數的變化曲線，可以看出:各次靜載試驗的Von-Mises應力數值差別不大，應力基本隨加卸載級數呈線性變化；測點2、測點3與測點4是支座Von-Mises應力峰值最大的測點。在載荷最大的情況下，Von-Mises應力最高分別達到了173.1，170.4，173.7 MPa。每一次重新啟動疲勞試驗時，支座Von-Mises應力基本從0開始，載荷步與應力變化趨勢始終為線性，且3次疲勞階段的載荷-應力曲線基本重合，表明支座在整個加載過程始終處于彈性變形階段。支座在經歷300萬次疲勞載荷的作用下依舊可以繼續工作，滿足設計壽命要求。

5 結論

1)針對跨座式軌道梁支座的功能需求，提出的支座結構方案合理，原理清晰，實現了跨座式軌道梁支座的低摩擦滑移、無級調高、橫向位置平移、橫向坡度調節及可更換功能。

2)通過有限元仿真模擬分析了跨座式軌道梁支座各部件的受力和變形，有限元分析結果表明支座各部件強度和剛度滿足使用要求。

3)通過等效荷載幅下的300萬次疲勞試驗，驗證了支座結構設計的可靠性，加載過程支座各部件始終處于彈性變形階段，支座結構設計滿足要求。

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