李浩稻

(中铁第四勘察设计院集团有限公司桥梁院，湖北 武汉 430063)

1 概述

跨座式单轨交通线是一种占用空间小、环境噪声低、转弯半径小、爬坡能力强的通勤轨道交通形式，尤其是在地形起伏剧烈、既有建筑和交通线路密集的城市，能够充分发挥其自身优势[1]。跨座式单轨车辆转向架跨座在轨道梁上行驶，车辆底部走行轮位于轨道梁面，导向轮和稳定轮夹行于轨道梁两侧，是一种车辆直接骑跨在单根轨道梁上运行的特殊轨道交通方式，轨道梁既是列车的导轨，又作为承重梁发挥一般梁桥的承载作用[2]。因跨座式单轨轨道梁对轨道梁线型要求较高。目前仍以小跨度预应力钢筋混凝梁(PC梁)作为标准梁广泛应用。但作为一种多服务于城市通勤的轨道交通形式，PC轨道梁不能满足高等级道路跨越要求，常局限于交叉路口、蜿蜒河道、既有构筑物等复杂的地段。此外，小跨径布置导致桥下墩柱密集，切割桥下通透性，桥梁景观效果较差。

钢结构轨道梁相比混凝土轨道梁跨越能力更强，并可通过设置横向联系提高抗扭和抗倾覆能力。既可以用作跨越复杂地段以减少墩柱，改善景观效果，还可精确实现任何曲线形式[2]。对于钢箱梁，一般采用双线设计，两片单梁之间通过钢横梁连接成为整体，提高了横向刚度与稳定性，同时增加了其美观性[3，4]。在小曲线半径、大跨径线路节点处采用钢轨道梁更具有优势。

本文以某市跨座式单轨交通线上跨度60 m的连续钢箱梁桥为研究对象，考虑到连续钢箱轨道梁主要用于跨越城市路口等复杂地段，需适应各种小曲线半径的线路条件，本文着重研究不同曲线半径下设计轨道梁的静力性能指标变化。采用有限元计算软件分别建立各种曲线半径(直线、曲线半径R=1 000 m，600 m，300 m，200 m，100 m)的轨道梁模型，通过计算对比分析不同曲线半径下轨道梁的刚度、应力、支座反力等性能指标差异。各计算模型除了曲线半径的变化外，其余边界条件和设计参数均相同。

2 轨道梁设计概况

设计轨道梁为双线连续钢结构轨道梁，采用双箱单室结构，单个箱室均为一个独立的轨道梁，线间距4.6 m，箱室之间通过钢横梁连接以提高横向刚度与稳定性，轨道梁截面布置如图1所示。

轨道梁全长(35+60+35)m。箱梁宽690 mm，边支点梁高为2.8 m，梁中部为4.0 m。梁底为圆曲线。曲梁曲做，曲线梁根据线路需求设置超高。轨道梁内横隔板标准间距1.25 m，横隔板间顶板处设置横肋，增强顶板局部稳定性，腹板上设置纵肋。横梁标准间距5 m。横梁顶距轨道梁顶1 520 mm。横梁采用工字形截面，横梁高度根据轨道梁高进行调整，支座处横梁采用箱型截面。每两道横梁间设置X形平纵联，平联采用工字形梁。在轨道梁内腹板对应处设置节点板，轨道梁平面布置如图2所示。钢梁采用Q345qD，支座采用钢轨道梁抗拉支座。

3 计算荷载

计算荷载考虑以下几种荷载：结构自重+二期荷载(包括救援疏散通道自重及通信、信号、电力、接触轨等四电设备)；列车活荷载；温度荷载；横向摇摆力；风荷载。其中列车竖向活载采用庞巴迪单轨车型八节编组，荷载图示如图3所示，超员、定员、空车时轴重分别为140 kN,123 kN,73 kN，车辆空车和满车时重心分别距走行面以上0.727 m和1.068 m。温度荷载按结构整体升温40 ℃，整体降温30 ℃，轨道梁腹板内、外侧20 ℃温差考虑。其余荷载及组合均依照规范[5，6]中相关规定来执行。

4 结果分析

4.1 位移分析

不同曲线半径的钢轨道梁在恒载和静活载下的主梁跨中挠度值见表1。结果表明，小曲线半径下，双线轨道梁的内、外侧梁在恒载下的挠度差较大；曲线半径越小，挠度差越大。恒载下内、外侧梁挠度差一定程度上表征了轨道梁的弯扭效应；当曲线半径R>300 m，轨道梁的受力接近于直线梁。

表1 不同曲线半径下轨道梁恒载和静活载下挠度 mm

钢轨道梁在静活载作用下，内、外侧挠度差同样反映了小曲线半径轨道梁的弯扭效应。通过对比分析可知，双线静活载下内、外侧轨道梁的挠度差主要来自于同跨单线活载的作用效应，且曲线外侧轨道梁在同跨单线活载作用下的弯扭效应较内侧突出，而曲线半径对内、外侧轨道梁在异跨单线活载下的挠度影响甚小。由计算结果可知，各设计曲线半径下，轨道梁在静活载的作用下挠跨比为1/1 515～1/1 212，均满足现行规范[6]要求，设计轨道梁具有足够竖向刚度。

跨座式单轨轨道梁的梁端与梁端间通过安装指形板进行连接，以满足伸缩要求，而梁端转角对于指形组件具有重要影响。梁端转角过大，使得指形板组件承受较大附加弯矩，造成指形板组件过早破坏。除此之外，还影响轨道平顺度及列车行驶的舒适性，严重时还会导致列车脱离轨道梁，影响行车安全[7]。不同曲线半径的钢轨道梁在静活载下的梁端转角如表2所示。结果表明，轨道梁曲线半径越小，内、外侧梁端转角差越大，曲线上外侧梁的梁端转角大于内侧梁。曲线半径R>300 m，内外侧梁端转角差较小，轨道梁的受力趋近于直线梁。通过对比分析还可知，静活载下内、外侧轨道梁的梁端转角差主要来自于同跨单线活载的作用效应，曲线半径变化对异跨单线活载下的梁端转角影响较小。各设计曲线半径下，设计轨道梁在静活载的作用下梁端转角为0.8‰～1.1‰，均满足现行规范[6]要求，表明设计轨道梁具有足够的刚度保证轨道的平顺度。

表2 不同曲线半径下轨道梁的梁端转角 ‰

4.2 应力分析

不同曲线半径下，轨道梁主梁在主力和主力+附加力作用下的正应力见表3。结果表明，曲线半径越小，主梁正应力越大，但曲线半径对主梁顶、底板的正应力影响并不显著, 主梁抗弯性能仍然受梁高影响较突出。轨道梁翘曲正应力最大值均发生在扭转约束最为突出的中墩支点位置，曲线半径对翘曲正应力的影响主要来自恒、活载以及局部温差引起的附加扭矩，但总体来看翘曲正应力的数量级较小。

表3 不同曲线半径下轨道梁主梁正应力 MPa

跨座式单轨轨道梁的主梁桥面结构主要由顶板和纵、横肋组成，钢轨道梁顶板在列车轴载作用下表现出较明显的三体系应力特性，通过建立梁单元模型，可以计算得出不设横隔板(横肋)的主梁的第一体系应力。采用板壳单元，可以得出主梁各构件实际应力状态，它是三种应力体系的综合反映。针对于此，分别按设计尺寸建立了单线梁的梁单元模型和板壳单元模型，按最不利车辆活载布置计算主梁体系应力结果如表4所示。根据体系应力计算结果可知，在主力工况下，设计轨道梁的主梁在各种曲线半径下的顶板应力在144.4 MPa～152.4 MPa，主力+附加力的工况下，顶板应力在215.4 MPa～227.4 MPa。各设计曲线半径下，设计轨道梁主梁应力均满足材料容许应力，主梁具有足够强度。

4.3 支座反力分析

表4 设计轨道梁主梁体系应力 MPa

各设计曲线半径下，轨道梁在各项荷载作用下的内、外侧支反力结果见表5,表6。结果表明，曲线半径对边墩和中墩的内、外侧的支座反力分布影响显著，边支座外侧支座反力比内侧大，中支座反力内侧比外侧大。曲线半径越小，内、外侧支反力差值越大；曲线半径大于300 m，各项荷载工况下内外侧支座反力的分布已接近直线梁；恒载下，曲线半径对内外侧边支座的支反力分布影响甚微，而对中支座的影响突出，内外侧最大支反力差达到562 kN。活载下，曲线半径对内、外侧支座的支反力分布影响均较明显，边支座内外侧最大反力差179 kN，中支座内外侧最大反力差为534 kN。此外，小曲线半径下外侧边支座的拉力可达到直线梁的1.8倍，与恒载效应相当，边支座受拉效应突出。

不均匀温差主要包括主梁顶、底板和腹板的内外温差，两者对支反力的影响方式不同。曲线半径越小，顶、底板不均匀温差引起支座反力越大，曲线半径100 m时，顶、底板不均匀温差引起的中支座反力值约是直线梁的3倍；曲线半径越小，腹板不均匀温差引起的内、外侧支座反力差值越大，曲线半径100 m时，腹板不均匀温差梁的中支座内外侧反力差值最大达到604 kN，表征出明显的扭转效应。曲线半径大于300 m，不均匀温差引起的支座反力接近于直线梁。

表5 不同曲线半径下边支座支反力 kN

表6 不同曲线半径下中支座支反力 kN

5 结论

本文针对跨座式单轨60 m跨钢连续梁的设计方案，探究钢轨道梁桥在不同曲线半径下静力性能，主要对位移、应力以及支座反力相关指标进行了对比分析，可以得出以下结论：

1)曲线半径越小，内、外侧梁在恒载下的挠度差越大；内、外侧梁端转角差值越大，且外侧梁的梁端转角大于内侧。不同曲线半径下，设计轨道梁在静活载的作用下挠度和梁端转角均满足现行规范要求，设计轨道梁具有足够的刚度和轨道平顺度。

2)不同曲线半径下，设计轨道梁在各工况最不利荷载作用下的最大应力值均小于结构的容许应力，能够保证结构的安全性。

3)线路曲线半径对设计轨道梁的边墩和中墩的内、外侧的支座反力分布和大小影响显著，小曲线半径下，外侧主梁在活载下边支座的拉力可达直线梁的1.8倍，与恒载支反力相当，小曲线梁边支座受拉效应突出。

4)位移、应力以及支反力三项指标均反映出：曲线半径小于300 m时，轨道梁的弯扭效应较突出。而曲线半径大于300 m，轨道梁的受力接近直线梁。设计轨道梁对曲线半径适用能力较好，可为适用于各种复杂地形的跨座式单轨钢轨道梁设计提供数据依据和技术参考。