轨建合一新型轨道交通拉压支座的设计研究

牛均宽

(中铁宝桥集团有限公司，陕西宝鸡　721006)



轨建合一新型轨道交通拉压支座的设计研究

牛均宽

(中铁宝桥集团有限公司，陕西宝鸡721006)

摘要:通过对北斗星城观光线轨道支座的设计边界、使用要求和安装特点进行分析研究，介绍一种线路轨道修建于建筑楼体上轨建合一新型轨道交通拉压支座的研究设计，结合线路独特的结构特点制定支座设计应考虑的基本原则，其中就支座的降振减噪、自适应性重点对支撑组件、滑移转动副、紧固装置进行详细阐述。经过使用过程中实际检测验证，该支座为在轨建合一的轨道系统中首次成功应用，其理念和方法为轨道交通的纵向发展和横向拓展提供一些启示。

关键词:新型轨道交通; CBD商业区;轨建合一;拉压支座

1　概述

北斗星城观光线是我国国内目前首条建于建筑楼体上的观光轨道交通线路［1］，其功能集旅游观光、短途接驳服务于一体，实现CBD商业区内住宅小区、商业和办公建筑等不同功能区间客流的运输衔接，其工程创意突破了常规的同类产品功能模式，强调提升项目的日常使用功能，着力发挥衍生功能和带动效应，其崭新体验方式，具有较强的感召力和吸引力。观光线设计规划［2］效果图见图1。

图1　观光线设计规划效果图

此观光轨道线起始于CBD商业区北端，穿梭修建于CBD商业区建筑群的二楼楼顶面，横跨铁路专用线终止于主城区广播电视塔，线路呈闭合环形扁条状，全长5.6 km。目前已完成CBD商业区内2.5 km线路的建造。4节车辆定员52人，最大载重240 kN，车辆最大运行速度30 km/h，持续运行速度25 km/h。轨道线路双线并行区段线间距最小为2.75 m，平曲线最小半径25 m，线路最大纵坡不超过3‰，观光线线路平面布局见图2，线路轨道支座除7个设置于独立立柱上外其余全部设置在建筑物9 m×11 m的柱网上，轨道梁梁跨设计考虑线路周边规划布局和总体建筑物柱网的尺寸布局要求，对数种梁跨设计方案，采用有限元结构内力影响线法、包络值法进行了反复比对，最终确定了同一建筑物楼顶和北端头灯泡线采用连续梁、跨相邻楼宇采用简支梁的总体设计方案。由于线路要修建在CBD商业区一楼商铺楼顶、二楼步行商业街旁，直接连接轨道与楼体的线路支座合理设计就显得尤为关键［3］，一方面保证支座与连接轨道、楼体柱网合理可靠联接，另一方面必须尽量减少振动降低噪声。

图2　观光线线路平面布局

2　支座设计边界计算

2.1荷载组合

北斗星城观光线制式为跨座式，由于本项目构造尚属首例，目前尚无系统、成熟的设计规范可供使用。因此在设计中结合工程实际分别依照《游乐设施安全规范》(GB8408—2008)［4，5］和《跨座式单轨交通设计规范》(GB50458—2008)［6］进行了荷载计算，荷载组合见表1、表2。

表1　依据《游乐设施安全规范》(GB8408—2008)进行计算的荷载组合

表2　依据《跨座式单轨交通设计规范》(GB50458—2008)进行计算的载荷组合

2.2支座设计边界计算

本项目使用MIDAS CIVIL软件对轨道梁按梁单元进行建模，并对轨道梁［7］按照上述两种体系11种荷载组合进行车辆移动荷载作用下影响线法分析计算，得出线路轨道每处支座沿X、Y、Z三个方向反力Fx、Fy、Fz和绕3个方向反力矩Mx、My、Mz，并对轨道梁在各组合包络作用下的计算分析得到轨道梁在每一支座处绕三个方向刚度变形引起的最大转角θx、θy、θz，以上三个方面的计算结果即为支座设计边界。

3　支座结构设计

基于此线路独特的结构特点，对于支座设计考虑了如下原则:①支座各个部(组)件应功能明确尽可能单一，并发挥其组成主要材料的最佳使用性能;②具有良好的安全可靠性、技术经济指标和运营性能高、造价低;③需充分考虑支座和建筑物的连接形式及安装精度;④须综合考虑景观要求，最大限度减小支座外轮廓尺寸，结构通透、轻巧。

通过此线路的整体受力体系计算，常用的摇轴支座、辊轴支座、板式橡胶支座、盆式橡胶支座、球型支座、铅芯橡胶支座，因连接关系、外形尺寸、支座承载拉压功能分配比例等方面均不能直接满足此线路轨道需求。因此需特殊设计一种新型拉压支座，既能承受较大的竖向压力和竖向拉力，又能实现一定程度的自由滑动和转动，可以有效地释放轨道梁自身产生的温度应力和基础的不均匀沉降，且具足够的降振减噪功效。

3.1支座设计的结构形式

依据观光线工程的线路设计、轨道梁分段、各支承点反力及下部楼体柱网结构，分别设计了不同型式的支座。典型支座结构形式见图3，其结构形式为:预埋板下表面焊接有保证与混凝土足够握裹力的螺纹钢筋定位后与楼体柱网同时浇筑，作为支座安装的基础。支座底板通过配加工作为支座安装高度、不平度的调整板，上表面纵横方向设置4个测控基准点，精确测位后与预埋板焊接［8］，两侧支撑块、压板采用扣压螺栓与支座底板连接，扣压螺栓之间用防转片联接以起到防松的效果，通过压板压在与轨道梁栓接的横梁两端，作为抵抗轨道梁传递给支座的等效拉力，其中横梁仅为满足楼体与线路设计竖曲线高程设计，根据需要也可直接扣压于轨道梁下盖板，支撑组件使用限位挡条上下分别焊接在横梁下表面和支座底板上表面，作为支座纵横方面滑移限位挡块。

图3　典型支座结构形式

3.2支撑组件

支撑组件由非标设计、支座专业厂家制造的盆式橡胶支座［9］或球形钢支座构成。两者在满足承载竖向荷载的基础上，盆式橡胶支座利用被半封闭在钢制盆腔内的弹性橡胶体在受力状态下具有流体性质的特点，实现上部结构的转动;依靠中间钢板上的聚四氟乙烯板与上座板上的不锈钢板之间的低摩擦系数来实现上部结构的水平位移。球型钢支座通过球面板和球面四氟板之间的滑动实现转动;通过上支座板与平面聚四乙氟板之间实现相对平面滑动。两种支座根据线路运营状态下模拟计算转角和平面移动量大小组合使用了单向活动支座和固定支座。球形钢支座仅用在为保证轨道过车平顺的两段梁接缝支座位，其余部位均采用盆式橡胶支座，以最大限度减轻轨道过车时对楼体的振动和直接冲击。

图4　滑移转动副

3.3滑移转动副与紧固装置

为了保证支座与轨道梁一定约束状态下的相对滑移和转动适应性［10］，设计了如图4的滑移转动副，使用承压和滑动性能良好的高力黄铜承压板分别镶嵌在支撑块内侧和压板下表面，1Cr18Ni9钢制作的滑板通过压紧沉头螺钉固定在横梁或轨道梁下盖板两侧上沿，实现压板与轨道梁之间的相对滑动;承压板采用小面积接触型式，且压板承压板与滑条之间留有0.2 mm的设计间隙，实现压板与轨道梁之间的自适应转动。

为了保证支座两端压紧装置的可靠性，建立了如图5所示的压紧机构计算模型，其中Fc为每个螺栓的轴向荷载，通过整体受力分析计算出每个压板所能抗拉力F。借此依据各支点处轨道梁传递给支座的支反力计算结果，按照最大包络原则依次将各支点在不同荷载组合下的最大正压力和最大翻转力矩折算为支座的抗拉力，通过全线路支座计算归纳，归类标准化为支撑组件支距分别为0.55、0.85、1.15 m的Ⅰ型拉压支座、Ⅱ型拉压支座、Ⅲ型拉压支座。线路轨道各支点部位支座形式可根据连接结构和受力大小自由组合或单独使用。

图5　压紧机构计算模型(单位:mm)

另外，为保证扣压螺栓对于支座整体连接强度，一方面提高螺栓的等级性能为10.9级，另一方面设计了如图6所示的预埋锥形螺母嵌套结构，依据构造需求将材质为30CrMnSi的满足自锁角为14°的锥形螺母套嵌套于加工有锥形孔的支座底板上，上下各预留有1 mm的装配间距，防止装配干涉。

图6　预埋锥形螺母嵌套结构

4　结语

在以上支座的设计研究的基础上，顺利完成了北斗星城观光线支座的制造、安装和调试。在试运营和截止目前一年多的正式运营过程中，通过对车辆通过时支座关键部位应力应变、振动频率、线路轨道整体对于建筑楼体的振动［11］等项目的跟踪测试验证，车辆经过时轨道噪声测试结果不大于65 dB，支座的实际应用完全满足安装调试［12］X、Y、Z三个方向0.5 mm精度和轨道对于支座在一定约束状态下由于整体温升、温度梯度、过车荷载变形的适应性使用要求，与周围建筑和环境和谐统一，达到了轨道交通服务、提高商业区功能需求的设计理念。此设计为类似轨道交通的建设提供了工程经验，其理念为其他新型制式城轨交通系统适应性开发和推广应用必将产生较大影响。

参考文献:

［1］周世惊.城市轨道交通车站周围土地合理开发强度研究［D］.北京:北京交通大学，2012.

［2］魏运，许双牛，冯爱军.我国城市轨道交通规划问题与方法探讨［J］.都市快轨交通，2011，23(6):44-47.

［3］中华人民共和国建设部.GB50017—2003钢结构设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［4］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 8408—2008游乐设施安全规范［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［5］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 18166—2008架空游览车类游艺机通用技术条件［S］.北京:中国标准出版社，2009.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50458—2008跨座式单轨交通设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［7］杨飞，万鹏恺.曲线桥梁设计的方法［J］.江西建材，2011 (3):169-170.

［8］《焊接手册》编写组.焊接手册［M］.2版.北京:机械工业出版社，2005.

［9］赵衡平.跨座式单轨交通轨道梁承拉盆式橡胶支座［J］.都市快轨交通，2006(6):61-65.

［10］《机械设计手册》编委会.机械设计手册［M］.3版.北京:机械工业出版社，2005.

［11］郭文华.刘海涛.跨座式轻轨车与连续轨道梁空间振动分析［J］.振动与冲击，2009，28(7):139-142.

［12］赛铁兵.跨座式单轨PC轨道梁线形调整施工技术［J］.铁道标准设计，2007(1):40-42.

Design and Research of Tensile-Compressive Support for New Urban Rail Transit Combined with Building

NIU Jun-kuan
(China Railway Baoji Bridge Group Co.，Ltd.，Baoji，Shaanxi 721006，China)

Abstract:Through analyzing the design boundary，usage requirements and installation features of the support for Tongling Dipper City Monorail，the design of tensile-compressive support for new urban rail transit combined with building is introduced.With reference to the unique track structural features，basic principles employed for the support design are established.This paper addresses support components，the rotational slip part and the fastening device with respect to vibration noise reduction and adaptability of the support.After practical validation，this support is successfully applied in the first time to the integrated system of track and building，which provides enlightenment to the full development of rail transit.

Key words:New urban rail transit; Central Business District; Combination of track and building; Tensile-compressive support

作者简介:牛均宽(1971—)，男，高级工程师，1996年毕业于北京理工大学机械设计与制造专业，工学学士，E-mail:niujunkuan@ 126.com。

收稿日期:2015-07-21;修回日期:2015-08-04

文章编号:1004-2954(2016) 03-0069-03

中图分类号:U239.5; U443.36

文献标识码:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.015