懸掛式單軌軌道梁伸縮裝置選型研究

鄭曉龍,陶 奇,宋曉東,游勵暉

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 成都 610031)

傳統鐵路由兩條平行路軌構成，而單軌鐵路使用的軌道只有一條。懸掛式單軌是單軌鐵路的一種，列車懸掛在軌道之下，由德國人在1893年發明，并于1901年在德國魯爾區伍珀塔爾建成了世界第一條全長13.3 km的懸掛式單軌鐵路，之后在德國多特蒙德、杜塞爾多夫、日本千葉等地陸續建成商業運營線路。懸掛式單軌為全線高架結構，地面上只需要較小的空間建造支撐軌道梁的橋墩，因而占用地面面積小，不侵占地面路權，高峰小時單向斷面客流量視列車編組情況可以達到0.5萬～1萬人次，不僅可以作為地鐵等大客流量軌道交通的補充，減輕城市交通壓力；也可作為通往機場、碼頭、風景觀光旅游線的短途接駁線[1-3]。

懸掛式單軌具有占地少、污染小、且能有效利用道路中央隔離帶的特點，作為中等運量的軌道交通，特別適合于緩解我國現有城市交通高峰時段堵塞和擁擠嚴重現狀，是改善我國城市交通狀況的有效途徑之一[4-5]。2018年7月，成都大邑縣晉原至安仁旅游基礎設施空鐵試驗線開工建設，建成后將成為我國第一條商業運營的懸掛式單軌線。

軌道梁為鋼結構開口薄壁箱梁，列車懸掛于梁下方，軌道梁既是承重機構，同時也是走行機構[6]。伸縮裝置作為軌道梁之間的連接部件，直接決定了列車在梁上行走的低噪聲平穩過渡，也是保證整個結構體系安全運行、延長列車走行輪使用壽命的關鍵部件。以伸縮裝置在國內某懸掛式單軌試驗線的應用為例，詳細分析了目前常見的伸縮裝置的特點，為今后國內懸掛式單軌交通軌道梁及伸縮裝置的設計、運營提供參考。

1 試驗線工程概況

試驗線位于某車輛廠廠區內(圖1)，全長830 m(正線長630 m)，線路最小曲線半徑為50 m，最大坡度35‰，列車在正線上最高運行速度為50 km/h，列車采用3輛編組，列車尺寸為2.3 m(寬)×33.45 m(鉤到鉤長)，滿載工況下最大軸重不超過5 t，采用DC750V直流接觸軌供電，能滿足車輛出廠前的組裝、靜動態調試等需求[7]。

圖1 試驗線概況

軌道梁為由鋼板焊接而成的開口鋼箱型梁結構，下部開口(圖2)，梁截面下部開口寬210 mm，梁內腔尺寸780(寬)×1 200(高) mm，頂板厚28 mm，腹板厚24 mm，走行板厚30 mm。梁內上部設置防撞結構，接觸軌布置在梁腹板內側。橋墩結構如圖3所示。

圖2 軌道梁斷面結構(單位：mm)

圖3 橋墩結構

2 空軌軌道梁伸縮縫的作用

懸掛式空軌軌道梁伸縮縫是為了滿足橋面變形需要，使空軌列車能夠平穩地通過橋面梁縫的重要構件。伸縮縫是軌道梁結構重要的組成部分，必須實現的主要功能首先是將橋面列車通過時給予的豎直和水平荷載通過支承結構可靠地傳遞到梁體，其次是能適應橋梁縱橫向位移及梁端翹曲引起的轉角變化，保證列車安全舒適運行。

伸縮縫在設計、施工和運營養護中的任何一個環節有缺陷或不足都容易造成破壞，是整體結構的薄弱環節，特別是對于空軌結構具有活載與恒載占比遠大于普通鐵路的特點，伸縮縫受到車輛活載的沖擊作用顯著，受到破壞后由于梁體懸掛在空中，受工作空間狹小的限制難以進行維護和修理。伸縮縫的破損又將對列車造成損傷，嚴重影響行車安全和旅客乘坐舒適度，且大大縮短梁體的使用壽命。國內外學者對適用于懸掛式空軌軌道梁的伸縮縫的理論和試驗研究均很少，在廣泛調研并結合軌道梁結構設計的基礎上，提出3種伸縮縫方案，在試驗線上應用并測試使用效果[8-10]。

3 伸縮縫形式方案

3.1 跨縫板方案

該方案借鑒了日本已有的懸掛式單軌軌道梁伸縮縫設計思路，由對稱分布的兩塊跨縫鋼板組成，跨縫板一端固定在梁走行板，另一端懸空搭接在相鄰跨的梁走行板上(圖4)。左右兩塊跨縫板相互錯位，列車走行輪在上面經過時，承載面實現無縫過渡。這種伸縮縫方案的優點是結構簡單，用鉚釘連接，無需焊接，安裝方便，價格低廉；缺點是由于跨縫板是搭接在走行板上，與走行板之間存在間隙，在車輪經過時會產生鋼板相互撞擊的噪聲，由于板材本身較薄，剛度較差。

圖4 跨縫板方案結構

3.2 梳齒板方案

該方案由兩塊齒板、錨固螺栓、支撐板組成。支撐板焊接在梁體走行板上，兩塊齒板用螺栓連接固定在支撐板上，齒板之間通過直齒相互咬合(圖5)，使列車走行輪在其間平穩駛過。這種伸縮縫方案的優點是結構簡單，用螺栓連接，安裝方便；缺點是支撐板需要在現場焊接，由于列車荷載作用使梁體端部產生轉角，會使齒板出現一定幅度的翹齒，因而會對橡膠走行輪產生一定損傷(特別在梁跨間存在縱坡的情況下尤為明顯)，對行車舒適性有一定影響，齒板為懸臂結構，剛度也相對較差。

圖5 梳齒板方案結構

3.3 無縫式伸縮方案

該方案借鑒了德國已有的懸掛式單軌軌道梁伸縮縫設計原理，并在其基礎上進行了改進，由支撐板、固定板、活動板和限位銷組成(圖6)。該方案通過活動板將橋梁縱向變形轉化為橫向變形，當橋梁因溫度升高伸長時，活動板受梁體擠壓而外移，當橋梁因降溫收縮時，活動板受梁體拉伸而內移，始終保證橋梁伸縮縫完全聯通，保證車輛走行部分完全連續。這種方案同時具備豎向承載、縱向活動和橫向限位能力，當列車通過時，車輪同時作用在伸縮縫的活動板和固定板上，固定板通過螺栓固定在支撐板上，支撐板與梁體走行板和側板焊接在一起，列車豎向荷載通過固定板、活動板和支撐板傳遞到梁體。固定板上設有相互咬合的導向齒，左右梳齒之間設置有縱向滑移副，限制梁體的橫向位移，減小列車通過伸縮裝置時的橫向振動。限位銷是保證無縫式伸縮縫正常工作的關鍵構件，連接活動板與固定板，并保證活動板始終沿固定板所留橢圓槽活動，該方案的優點是結構可靠，列車通過時平穩，舒適度好；由于設置了橫向限位裝置，提高了梁部整體橫向剛度；橫向限位裝置與縱向活動部件集成到固定板上，可以保證加工精度，從而使兩部件具有良好的協調性；缺點是焊接量相對較大，對焊縫精度要求較高；結構較為復雜，對機加工和施工精度要求較高；由于構件整體性好，梁體設計時需有足夠的豎向剛度，否則變形過大可能會導致活動板卡死或破壞[11-15]。

圖6 無縫式伸縮方案結構

4 現場應用與測試

上述3種伸縮縫方案從產品設計到施工安裝各有優缺點，如表1所示，在選用時應綜合比選，確定最優的方案。

表1 3種常用伸縮縫優缺點對比

從表1可以看出，從生產工藝、安裝、耐久性和工程造價方面來看，跨縫板和梳齒板方案略優，從行車舒適性和噪聲水平方面看，無縫伸縮縫更好。

2017年6月至2018年6月，基于上述3種伸縮裝置技術方案，在試驗線上分別進行了試制并安裝在軌道梁上。為對比運營效果，3種伸縮裝置均安裝在直線段，每種裝置都安裝了3～4跨，3種伸縮裝置的現場安裝如圖7～圖9所示。在現場調試結束并線上運行3個月后，2018年9月底，為獲取軌道梁靜動力響應數據及對梁上附屬設施的動態運營效果進行評估，對軌道梁進行了實車運行檢測[16-17](圖10)。安裝和測試結果表明，3種伸縮裝置均能保證列車平穩運營；成本方面，跨縫板方案最經濟，梳齒板方案次之，無縫式伸縮方案最高，約為跨縫板方案的3倍；噪聲方面，跨縫板方案由于會產生金屬直接碰撞，噪聲最大，梳齒板方案次之，無縫式伸縮方案噪聲最??；對列車走行輪造成的磨耗，梳齒板方案由于會啃胎，磨耗最大，跨縫板和無縫式伸縮方案磨耗均很??；列車通過伸縮縫處的舒適度方面，騎縫板和梳齒板方案相當，無縫式伸縮方案最好；整體美觀性方面，無縫式伸縮方案最好，騎縫板方案次之，梳齒板方案最差?？偨Y以上檢測結果，無縫式伸縮方案綜合效果最好[18-19]。具體選擇應結合實際工程需求來選定最終方案。

圖7 跨縫板方案現場安裝

圖8 梳齒板方案現場安裝

圖9 無縫式伸縮方案現場安裝

圖10 試驗線軌道梁現場測試

5 結語

隨著我國城市軌道交通投入的不斷加大，懸掛式單軌交通系統必將迎來廣闊的應用前景。以某懸掛式單軌試驗線軌道梁為工程背景，在借鑒目前已有的軌道梁伸縮裝置形式基礎上，提出了3種伸縮裝置，研究了3種裝置在梁上的設計方案，并詳細討論了每種方案的優缺點?；诩夹g方案生產制造了3種裝置，通過現場安裝調試和實車動態實測，從結構設計、材料、施工與維護等方面綜合考慮，結果表明無縫式伸縮方案為最優選擇，本文也為懸掛式單軌伸縮裝置的選型與設計提供了驗證與參考依據。未來還應緊密結合運營線的反饋情況，特別是長期可維護性，對其做進一步優化，滿足懸掛式空軌橋梁建設的需要。