跨座式轨道梁支座设计研究

杨卫锋，彭华春，韩家山，刘阳明，曹翁恺

(1.洛阳双瑞特种装备有限公司，河南 洛阳 471000；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

跨座式单轨交通是列车跨骑在轨道梁上运行并通过单根轨道梁来支承、稳定和导向列车运行的轨道交通，具有噪声低、爬坡能力强、转弯半径小、快速便捷、占地少、造价低、不受地形限制、利于环境保护等诸多优点[1-2]，是未来城市轨道交通发展的新趋势。跨座式单轨交通作为一种独特的中运量城市轨道交通系统，可有效解决二、三线城市以及山城、坡度较大的城市交通堵塞问题。

跨座式单轨交通轨道梁在起到跨越障碍作用的同时，还作为列车行驶的轨道[3-4]。跨座式轨道梁支座是保证轨道梁正常发挥其功能的关键。为满足列车运行的安全可靠、平稳及低噪声的要求，跨座式轨道梁支座应不仅要有足够的强度，还应抗疲劳，耐磨损，能承受各种交变载荷和环境温度变化，此外还应满足耐久性要求[5]，且具有调整线路线形的功能。

本文提出了一种新型跨座式轨道梁支座的结构设计方案，并建立三维有限元模型研究支座的结构受力状态，通过疲劳试验验证支座结构设计的可靠性。

1 支座的功能要求

跨座式轨道梁支座除应能够承受竖向荷载、水平荷载及适应梁端变形(位移、转动)外，还应具有抵抗横向扭转荷载、水平扭转荷载的能力。同时，支座还应具备调整梁体轨道线形的功能。因此，轨道梁支座除需具备常规支座的功能外，还应具备的功能有：①抗拉；②竖向高度调节；③水平位置调节；④线路横向坡度调节。

2 支座的结构及工作原理

2.1 支座的结构

新型跨座式轨道梁支座按适用梁型可分为直线梁支座和曲线梁支座，按使用功能可分为单向活动支座和固定支座。支座结构如图1所示。

图1 跨座式轨道梁支座结构示意

2.2 支座的工作原理

跨座式轨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锈钢滑板与中座板上镶嵌的非金属滑板构成平面摩擦副，实现低摩擦因数的水平滑移要求。

2)支座纵桥向转动。支座中座板下凸圆柱面与下座板下凹圆柱面上镶嵌的非金属滑板形成柱面摩擦副，实现低摩擦因数的纵桥向转动要求。

3)承受竖向拉力。在支座上座板设有抗拉板并与转动滑块、下座板凸耳、下座板高度调节螺纹、调高螺柱、底板高度调节螺纹及抗拉锚栓组件共同组成支座的抗拉拔结构，调高螺柱将下座板与底板连接为一个整体，在保证正常运动功能的同时，能够承受竖向拉力。

4)竖向高度调节。支座调高结构采用梯形螺旋传动结构，实现支座的无级调高功能。支座调高螺柱两端的梯形螺纹为正反梯形螺纹，并在中间部位设有对称分布的旋动扳手孔。需要进行高度调节时，旋出调高螺柱锁定螺钉，将调高扳手插入调高螺柱上的扳手插孔，旋转调高螺柱，使支座升高(或降低)至要求高度。

5)水平位置调节。通过添加或去除设置在支座底板与座板之间的调位垫片来实现水平位置调节。需要调节支座横桥向的水平位置时，松开座板上的顶推螺栓，通过千斤顶推动梁体和支座相对于底座板运动，进而改变支座水平位置。

6)横向坡度调节。在支座的底板与调坡底板之间设置大半径弧面摩擦副，通过旋转支座上部结构在弧面上的相对位置来实现支座的横向坡度调节功能。当需要进行横向坡度调节时，松开坡度调节结构的锁紧螺栓并移除锁定结构上的垫片组合，推动上部结构至调坡弧面上需要的位置。

2.3 支座的结构特点

新型跨座式轨道梁支座与现有PC轨道梁钢支座相比具有明显的优势，具体体现在：①支座主要传力部位均为面接触(如采用平面摩擦副及柱面摩擦副代替了铰轴及凸轮部位的线接触)，有利于支座结构的整体受力均匀性。②支座与上部梁体及下部墩台均采用了可拆卸的锚固结构，当支座受到损坏时便于更换，安装时对工艺及技能要求大大降低。③采用螺旋式调高结构实现支座高度的无级连续双向调节。④采用高性能非金属材料面接触摩擦副，降低了滑动时的摩擦因数，改善了支座减震减冲击效果。

新型跨座式轨道梁支座具有传力途径明确、结构合理、受力均匀及便于更换等优点，能够满足跨座式单轨交通桥梁的使用要求。

3 支座的有限元分析

3.1 有限元模型及加载情况

以3×25 m梁边墩支座尺寸为例建立支座模型。模型通过上地脚螺栓与梁体相连，通过下地脚螺栓与墩台相连。

模型中梁体、上座板、非金属滑板、调高螺柱、座板、抗拉锚栓及墩顶垫石均采用六面体单元模拟，其余部件采用四面体单元模拟。在保证计算精度的同时，为节省计算时间，对网格尺寸进行了局部控制，对于非重要构件网格控制尺寸为30 mm，重要构件网格控制尺寸为15 mm，模型共有 326 478 个节点，112 985 个单元。

梁底与上座板、垫石与座板、底板与座板采用摩擦接触，摩擦因数为0.2。非金属滑板与不锈钢滑板间采用摩擦接触，摩擦因数为0.03。其余接触面均采用绑定接触。

根据支座的实际工况，支座的加载情况如图2所示，对垫石底部进行固定约束，并对梁体同时加载竖向荷载 1 250 kN、横向荷载125 kN以及顶部横向扭转荷载300 kN·m和水平扭转荷载100 kN·m。

图2 轨道梁支座加载情况

3.2 结构的有限元分析

支座整体及主要部件的应力云图如图3所示。

图3 支座整体及主要部件的应力云图(单位：MPa)

由图3可知：①由于横向扭矩及水平扭矩的存在，支座左侧部位承受压载及扭转较大，整体支座除下座板边缘有局部应力集中外，其余部位受力均较小。②由于受到横向扭矩的影响，上座板承压一侧导向板根部及下座板顶端两侧边缘尖角处存在较大的应力集中现象，上座板与下座板其余部位应力分布较为均匀，应力水平较低。③调高螺柱最大应力发生在螺柱与下座板连接部位的根部，最大应力为139.73 MPa，小于材料的设计容许应力。

根据以上有限元分析结果表明，支座主要部件除局部应力集中处外，支座的整体应力水平较小，支座受力满足设计要求。

3.3 结构刚度分析

支座整体及主要部件位移云图如图4所示。

图4 支座整体及主要部件位移云图(单位：mm)

由图4可知：①由于横向扭矩及水平扭矩的存在，支座左侧部位承受的压载及扭转较大，最大位移发生在上座板纵桥向侧边，大小为1.02 mm，其余位置变形较小。②下座板最大位移为0.60 mm，发生在下座板顶端两侧边缘处，位移由大到小从两侧上部依次向下部传递，位移变化较均匀。③调高螺柱最大位移发生在受拉侧螺杆顶端边缘处，大小为0.29 mm，位移由大到小从左上角依次向右下角传递，位移变化较均匀。根据以上有限元分析结果表明，支座主要部件整体变形均较小，支座的整体刚度较好。

4 支座的疲劳试验强度分析

4.1 支座的疲劳状态

跨座式轨道梁支座是跨座式单轨交通桥梁轨道梁与墩台相联的支撑体，需承受列车高速行驶所产生的交替变化的多种组合荷载，包括竖向荷载、水平荷载、横向扭转荷载、水平扭转荷载、冲击荷载等。在支座设计寿命期内，不断变化的荷载会在支座及相关联结构件中产生疲劳应力，当疲劳应力幅达到一定程度后将逐步对支座带来损伤[7-8]。支座的疲劳性能是桥梁结构整体安全性的关键，对保证跨座式单轨交通桥梁结构的安全运营、提高结构的耐久性、延长使用期限具有十分重要的作用。因此，有必要对跨座式轨道梁支座进行足尺模型的疲劳性能试验研究。

4.2 等效应力幅的确定

支座疲劳荷载的确定需根据列车运行的疲劳荷载谱，并考虑列车初期、近期和远期车辆编组计划，计算出在桥梁设计寿命期间实际运营时疲劳荷载的作用次数。再根据疲劳线性损伤累积理论将变幅、高循环的荷载幅转化为试验条件允许的常幅疲劳试验次数的等效载荷幅[5，8]。

以柳州轨道交通1号线列车运行规划为例进行疲劳试验的等效常幅荷载及等效常幅荷载作用次数的计算分析。列车编组及荷载作用次数见表1。

表1 列车编组及荷载作用次数

从表1可以看出列车全寿命的疲劳次数为905.8万次。按照目前的试验设备、技术水平和试验研究周期的要求，进行如此高次数的疲劳试验难度很大。因此，根据疲劳损伤理论，通过提高荷载幅值，缩减疲劳次数来模拟真实工况下疲劳累计损伤的效果。参考以往类似疲劳试验经验，将试验次数缩减到300万次。为了将疲劳试验样件的疲劳累计损伤做到与经历905.8万次的疲劳累计损伤效果一致，需提高试验时的荷载幅值。

由于跨座式单轨交通轨道梁横截面较小，动静荷载比较大，可近似为1∶1。根据疲劳试验荷载幅值的换算规则，计算出疲劳试验荷载幅值，见表2。

表2 疲劳试验荷载幅值

根据 Miner 累积损伤法则，将上述荷载转化为等效常幅荷载，近而确定支座疲劳荷载幅值为820 kN。

4.3 疲劳试验加载方式

以3×25 m梁边墩支座为试验样品，疲劳试验模拟支座的实际荷载状况(参见图2)。由于跨座式轨道梁支座疲劳试验目前没有标准的加载试验机，需根据模拟试验参数的要求搭建疲劳试验装置，如图5所示。试验过程中停机进行静载试验并采集关键应力点的应力值，试验采用分10级逐级加载及卸载的方式进行，每次静载试验重复3次，试验流程如图6所示[9]。

图5 疲劳试验装置

图6 试验流程

4.4 试验结果分析及可靠性评价

为分析各次静载试验支座模型Von-Mises应力随加卸载级数的变化，选取几处最不利特征点进行研究。样品测点对应部位见表4。

表4 样品测点对应部位

图7 各测点Von-Mises应力曲线

图7给出了各测点Von-Mises应力在每次静载试验时随加卸载级数的变化曲线，可以看出:各次静载试验的Von-Mises应力数值差别不大，应力基本随加卸载级数呈线性变化；测点2、测点3与测点4是支座Von-Mises应力峰值最大的测点。在载荷最大的情况下，Von-Mises应力最高分别达到了173.1，170.4，173.7 MPa。每一次重新启动疲劳试验时，支座Von-Mises应力基本从0开始，载荷步与应力变化趋势始终为线性，且3次疲劳阶段的载荷-应力曲线基本重合，表明支座在整个加载过程始终处于弹性变形阶段。支座在经历300万次疲劳载荷的作用下依旧可以继续工作，满足设计寿命要求。

5 结论

1)针对跨座式轨道梁支座的功能需求，提出的支座结构方案合理，原理清晰，实现了跨座式轨道梁支座的低摩擦滑移、无级调高、横向位置平移、横向坡度调节及可更换功能。

2)通过有限元仿真模拟分析了跨座式轨道梁支座各部件的受力和变形，有限元分析结果表明支座各部件强度和刚度满足使用要求。

3)通过等效荷载幅下的300万次疲劳试验，验证了支座结构设计的可靠性，加载过程支座各部件始终处于弹性变形阶段，支座结构设计满足要求。

[1]薛爱,李晓斌,蒲黔辉.跨座式轻轨新型支座疲劳和静载性能试验[J].四川建筑，2007，27(6)：164-168.

[2]王美，李盼到，邱文亮，等.跨座式单轨交通桥梁结构体系研究[J].世界桥梁，2016，44(3)：63-68.

[3]温宇平.跨座式单轨交通桥梁结构体系研究[J].铁道运输与经济，2001，23(11)：23-27.

[4]王东民.单轨交通系统在我国应用发展前景分析[J].科技资讯，2007(16)：7.

[5]韩西，钟厉，邵毅明，等.城市轻轨PC梁铸钢支座强度分析和实验研究[J].土木工程学报，2003，36(2)：63-66.

[6]张崇斌,冯岚,赵人达.城市轻轨PC梁过渡跨铸钢支座及钢结构箱强度试验研究[J].四川建筑，2008，28(3)：110-112.

[7]韩西,邵毅明,钟厉，等.跨座式轻轨PC轨道梁活动钢支座疲劳及寿命有限元分析[J].公路交通科技，2001，18(6)：47-49.

[8]刘君梅.重庆菜园坝长江大桥轻轨支座疲劳试验研究[D].重庆：重庆交通大学，2011.

[9]郭林.跨座式轻轨PC梁承拉柱面支座受力性能分析 [D].成都：西南交通大学，2010.