懸掛式軌道梁倒L型橋墩結構設計

王靖宇

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

懸掛式軌道梁是城市軌道交通梁體結構的一種，它不同于傳統意義上的梁體，是將機車懸掛于軌道梁下方，因此又被喻為“空中列車”。雖然軌道梁在中國是一個嶄新的概念，但是在國外已有百年的歷史。1901年，第一條現代化的懸掛式單軌交通在德國伍伯塔爾市建成，歷經100年的風雨仍發揮著城市公共交通主動脈的作用。目前懸掛式單軌交通僅在德國、日本有著成熟的運營線路，列車最大運行速度約為60km/h，多以2～3輛編組運行[1]。

在2011年，德國國際空列集團(H-Bahn)在天津成立了太平洋空鐵設備技術有限公司，開啟了懸掛式軌道交通在國內的第一槍。隨后，懸掛式軌道梁以其“征地拆遷面積小、地形適應能力強、建設周期短、工程造價低和景觀效果好”等特點在全國各地逐步開展起來。目前，懸掛式軌道梁在國內尚無正式運營的公共交通線路，但在貴州安順、貴州黔東南、四川攀枝花、湖南長沙、陜西韓城和四川成都大邑縣等地區均陸續開展短途的旅游觀光線路[1]。

1 依托項目

依托于寧夏中衛市沙坡頭旅游觀光設施工程項目，其路線為封閉環形，內環線總長度為11.9km，采用平行雙線設計(先期內線單側掛梁，后期雙線掛梁)，采用車載蓄電池供電模式。環線內側設置6.5m寬救援車道，長度為11.706km。全線設置3座車站，分別為東大門起始站、北沙戰國站和夢幻沙島站，站間距分別為2.8km、4.6km和4.5km。該項目的最高運行速度為50km/h，最大坡度為4%，采用3編組車輛，設計使用年限為100年。

本項目上部結構梁體采用懸掛式軌道鋼梁，下部結構橋墩采用鋼結構。因路線存在上下行線路及線路道岔，下部結構分為T型墩、門架墩和倒L型墩三種橋墩。選取標準跨徑L=22m的標準倒L型橋墩進行結構設計與分析，總結設計要點，以便其他項目的參考與借鑒。

2 橋墩結構比選與尺寸擬定

橋墩的常規結構主要為混凝土結構與鋼結構，現對兩種結構做方案比選，如表1所示。

表1 橋墩結構方案比較表

經過比選，橋墩結構采用鋼結構。擬定倒L型橋墩墩身截面尺寸為1.2m×1.4m(順橋向×橫橋向)，通過50mm厚耳板及銷軸與上部軌道梁連接，梁體中心線距離橋墩中心線為2.85m，如圖1所示。鋼橋墩內部每隔2.5m設置一道橫隔板，并在橋墩內部設置檢修梯道和檢修人孔。倒L橋墩墩頂部懸臂端板件厚度主要為24mm，墩柱底部5m范圍內的板件厚度均為32mm，中間部分墩柱的板件厚度為28mm。

3 設計荷載與控制指標

鋼橋墩采用容許應力法進行結構設計，根據規范[2]內容和上部梁體的恒載與活載，橋墩的設計荷載如表2所示。

表2 倒L橋墩的設計荷載

參照規范[2-3]內容，荷載工況組合的原則考慮為最不利效應疊加，對于不同荷載組合，材料基本容許應力可乘以不同的提高系數，具體如表3。

倒L鋼橋墩結構除滿足規范[2]規定的運輸、安裝過程中強度、剛度和穩定性等相關要求外，運營階段還應該滿足以下結構變形、變位、剛度及抗疲勞等方面規定：

(2)根據規范[2]，在列車荷載、橫向搖擺力、離心力、風力和溫度力的作用下，橋墩橫向水平位移差引起的軌道梁端兩側水平折角不得大于4‰rad；當跨徑L=22m時，橋墩橫向水平位移差為22000×2‰=44mm。

(3)鋼結構應力和結構抗疲勞需滿足規范[3]的相關要求。

4 有限元軟件結構分析

根據設計要求，對結構的強度、剛度及預拱度、疲勞性能等進行分析計算。

4.1 模型簡介

利用有限元軟件MIDAS Civil 2019建立空間板單元計算模型，橋墩共計2206個節點，2215個單元。并考慮樁基的基礎土彈簧作用，計算模型詳見圖2。

4.2 位移結果分析

倒L鋼橋墩由于自身構造特點，其受力較為復雜，三個方向均會產生位移。墩身和懸臂均需要具有足夠的剛度，使懸臂端部在荷載作用下不產生較大的偏移。經過有限元軟件計算，分析在不同荷載組合作用下的鋼橋墩橫橋向位移、順橋向位移及豎向位移，結果詳見表4，得出以下結論：

(1)鋼橋墩墩頂順橋向設計位移為13.8mm，滿足規范[2]限值=23.5mm要求。

(2)鋼橋墩墩頂橫橋向設計位移為43.2mm，考慮相鄰橋墩最不利情況位移為0mm，則計算橋墩的墩頂位移差為43.2mm，滿足規范[2]限值44mm要求。

為了抵消由于恒載和活載作用在墩頂懸臂端產生的下繞，使乘客有一個良好乘車舒適性，在鋼橋墩懸臂部分設置8.6mm的預拱度。

圖2 板單元模型

表4 倒L墩墩頂懸臂處位移計算結果匯總 mm

4.3 應力結果分析

經過有限元軟件計算，提取出不同荷載組合作用下的應力結果，詳見表5所示。根據板單元計算應力云圖(因篇幅限值不做列舉)，得出以下結果：

4.3.1主力組合作用下

(1)整個墩身的最大拉應力和最大壓應力均位于墩腳位置處，其應力值分別為49.5MPa和-72.1MPa。

(2)由于橋墩主要承受繞線路方向的彎矩作用，且根據應力云圖顯示，懸臂端位置處的最大拉應力和最大壓應力分別位于橋墩截面的上翼緣和下翼緣(墩腳位置處亦如此)。最大剪應力位于橋墩墩腳截面腹板位置處，其值為35.5MPa。

表5 倒L橋墩應力計算結果匯總

4.3.2主力+附加力組合作用下

(1)懸臂端和墩腳位置處的最大應力均為橫橋向的附加力(風荷載與溫度)作用下，最大拉應力和最大壓應力分別為201.2 MPa(升溫工況)和-213.3MPa(降溫工況)；最大剪應力位于橋墩墩腳截面腹板位置處，其值為83.5MPa。

(2)升溫作用會使結構的壓應力增加，降溫作用會使結構的拉應力增加，升溫與降溫作用均會增加結構的剪應力。

根據表5所示，除了在升溫作用下結構的最大壓應力位于懸臂端，其他荷載組合作用下的墩腳位置處應力值均大于其他位置處。由此可見，墩腳位置為墩身的主要控制截面。此外，鋼橋墩懸臂端和墩腳位置處的應力值均滿足規范應力限值要求。

4.4 疲勞驗算

倒L型橋墩由于偏載作用，橋墩結構受力復雜，不同于常規的偏壓和軸壓構件。橋墩根據具體板件受力情況分為拉—拉構件、以拉為主的拉—壓構件和以壓為主的拉—壓構件，同時疲勞應力均為壓力的壓—壓構件可不進行疲勞驗算。疲勞荷載=恒載+定員列車活載+橫向搖擺力(或離心力)，其中靜活載考慮1.067的運營動力系數。疲勞容許應力幅類別采用最不利Ⅴ類別(焊縫)，其疲勞容許應力幅[σ0]為110.3MPa。因軌道梁為單線軌道，故多線系數γd取值為1。構件損傷修正系數γn取值為1.15，恒載與活載的比值取值為3：7，并根據γt系數修正板厚。

根據橋墩構件位置及板厚的不同，將橋墩分為三個部分取其最不利位置分別進行疲勞驗算，詳見表6。根據計算，鋼橋墩的疲勞驗算均滿足規范[4]要求。

表6 疲勞應力驗算結果匯總 MPa

5 結論與展望

通過利用有限元模型對鋼結構橋墩進行結構計算，分析總結了控制標準、荷載組合、計算步驟與計算結果。經過驗算，結構尺寸與板件厚度較為合理，剛度和強度均滿足規范與設計要求。總結以下三點結論，以供相關設計人員參考與借鑒。

(1)由于倒L型橋墩自身形狀特點，橫橋向需要較大剛度。在擬定結構尺寸時，需注意其橫橋向位移滿足設計要求。

(2)溫度作用和橫橋向風荷載對結構影響較大，對于溫度變化較大與風荷載較大地區，在設計時需注意主力+橫橋向附加力組合作用下的墩腳位置處應力值滿足設計要求。

(3)拉—拉構件或以拉為主的拉—壓構件不控制疲勞驗算，需注意以壓為主的拉—壓構件的疲勞性能滿足設計要求。

對于鋼結構橋墩的整體穩定與板件局部穩定驗算、軌道梁銷軸與連接耳板強度計算、墩臺連接性能、抗傾覆驗算及橋墩抗震分析等內容，由于篇幅限值，不再贅述。