悬挂式轨道梁倒L型桥墩结构设计

王靖宇

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

悬挂式轨道梁是城市轨道交通梁体结构的一种，它不同于传统意义上的梁体，是将机车悬挂于轨道梁下方，因此又被喻为“空中列车”。虽然轨道梁在中国是一个崭新的概念，但是在国外已有百年的历史。1901年，第一条现代化的悬挂式单轨交通在德国伍伯塔尔市建成，历经100年的风雨仍发挥着城市公共交通主动脉的作用。目前悬挂式单轨交通仅在德国、日本有着成熟的运营线路，列车最大运行速度约为60km/h，多以2～3辆编组运行[1]。

在2011年，德国国际空列集团(H-Bahn)在天津成立了太平洋空铁设备技术有限公司，开启了悬挂式轨道交通在国内的第一枪。随后，悬挂式轨道梁以其“征地拆迁面积小、地形适应能力强、建设周期短、工程造价低和景观效果好”等特点在全国各地逐步开展起来。目前，悬挂式轨道梁在国内尚无正式运营的公共交通线路，但在贵州安顺、贵州黔东南、四川攀枝花、湖南长沙、陕西韩城和四川成都大邑县等地区均陆续开展短途的旅游观光线路[1]。

1 依托项目

依托于宁夏中卫市沙坡头旅游观光设施工程项目，其路线为封闭环形，内环线总长度为11.9km，采用平行双线设计(先期内线单侧挂梁，后期双线挂梁)，采用车载蓄电池供电模式。环线内侧设置6.5m宽救援车道，长度为11.706km。全线设置3座车站，分别为东大门起始站、北沙战国站和梦幻沙岛站，站间距分别为2.8km、4.6km和4.5km。该项目的最高运行速度为50km/h，最大坡度为4%，采用3编组车辆，设计使用年限为100年。

本项目上部结构梁体采用悬挂式轨道钢梁，下部结构桥墩采用钢结构。因路线存在上下行线路及线路道岔，下部结构分为T型墩、门架墩和倒L型墩三种桥墩。选取标准跨径L=22m的标准倒L型桥墩进行结构设计与分析，总结设计要点，以便其他项目的参考与借鉴。

2 桥墩结构比选与尺寸拟定

桥墩的常规结构主要为混凝土结构与钢结构，现对两种结构做方案比选，如表1所示。

表1 桥墩结构方案比较表

经过比选，桥墩结构采用钢结构。拟定倒L型桥墩墩身截面尺寸为1.2m×1.4m(顺桥向×横桥向)，通过50mm厚耳板及销轴与上部轨道梁连接，梁体中心线距离桥墩中心线为2.85m，如图1所示。钢桥墩内部每隔2.5m设置一道横隔板，并在桥墩内部设置检修梯道和检修人孔。倒L桥墩墩顶部悬臂端板件厚度主要为24mm，墩柱底部5m范围内的板件厚度均为32mm，中间部分墩柱的板件厚度为28mm。

3 设计荷载与控制指标

钢桥墩采用容许应力法进行结构设计，根据规范[2]内容和上部梁体的恒载与活载，桥墩的设计荷载如表2所示。

表2 倒L桥墩的设计荷载

参照规范[2-3]内容，荷载工况组合的原则考虑为最不利效应叠加，对于不同荷载组合，材料基本容许应力可乘以不同的提高系数，具体如表3。

倒L钢桥墩结构除满足规范[2]规定的运输、安装过程中强度、刚度和稳定性等相关要求外，运营阶段还应该满足以下结构变形、变位、刚度及抗疲劳等方面规定：

(2)根据规范[2]，在列车荷载、横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下，桥墩横向水平位移差引起的轨道梁端两侧水平折角不得大于4‰rad；当跨径L=22m时，桥墩横向水平位移差为22000×2‰=44mm。

(3)钢结构应力和结构抗疲劳需满足规范[3]的相关要求。

4 有限元软件结构分析

根据设计要求，对结构的强度、刚度及预拱度、疲劳性能等进行分析计算。

4.1 模型简介

利用有限元软件MIDAS Civil 2019建立空间板单元计算模型，桥墩共计2206个节点，2215个单元。并考虑桩基的基础土弹簧作用，计算模型详见图2。

4.2 位移结果分析

倒L钢桥墩由于自身构造特点，其受力较为复杂，三个方向均会产生位移。墩身和悬臂均需要具有足够的刚度，使悬臂端部在荷载作用下不产生较大的偏移。经过有限元软件计算，分析在不同荷载组合作用下的钢桥墩横桥向位移、顺桥向位移及竖向位移，结果详见表4，得出以下结论：

(1)钢桥墩墩顶顺桥向设计位移为13.8mm，满足规范[2]限值=23.5mm要求。

(2)钢桥墩墩顶横桥向设计位移为43.2mm，考虑相邻桥墩最不利情况位移为0mm，则计算桥墩的墩顶位移差为43.2mm，满足规范[2]限值44mm要求。

为了抵消由于恒载和活载作用在墩顶悬臂端产生的下绕，使乘客有一个良好乘车舒适性，在钢桥墩悬臂部分设置8.6mm的预拱度。

图2 板单元模型

表4 倒L墩墩顶悬臂处位移计算结果汇总 mm

4.3 应力结果分析

经过有限元软件计算，提取出不同荷载组合作用下的应力结果，详见表5所示。根据板单元计算应力云图(因篇幅限值不做列举)，得出以下结果：

4.3.1主力组合作用下

(1)整个墩身的最大拉应力和最大压应力均位于墩脚位置处，其应力值分别为49.5MPa和-72.1MPa。

(2)由于桥墩主要承受绕线路方向的弯矩作用，且根据应力云图显示，悬臂端位置处的最大拉应力和最大压应力分别位于桥墩截面的上翼缘和下翼缘(墩脚位置处亦如此)。最大剪应力位于桥墩墩脚截面腹板位置处，其值为35.5MPa。

表5 倒L桥墩应力计算结果汇总

4.3.2主力+附加力组合作用下

(1)悬臂端和墩脚位置处的最大应力均为横桥向的附加力(风荷载与温度)作用下，最大拉应力和最大压应力分别为201.2 MPa(升温工况)和-213.3MPa(降温工况)；最大剪应力位于桥墩墩脚截面腹板位置处，其值为83.5MPa。

(2)升温作用会使结构的压应力增加，降温作用会使结构的拉应力增加，升温与降温作用均会增加结构的剪应力。

根据表5所示，除了在升温作用下结构的最大压应力位于悬臂端，其他荷载组合作用下的墩脚位置处应力值均大于其他位置处。由此可见，墩脚位置为墩身的主要控制截面。此外，钢桥墩悬臂端和墩脚位置处的应力值均满足规范应力限值要求。

4.4 疲劳验算

倒L型桥墩由于偏载作用，桥墩结构受力复杂，不同于常规的偏压和轴压构件。桥墩根据具体板件受力情况分为拉—拉构件、以拉为主的拉—压构件和以压为主的拉—压构件，同时疲劳应力均为压力的压—压构件可不进行疲劳验算。疲劳荷载=恒载+定员列车活载+横向摇摆力(或离心力)，其中静活载考虑1.067的运营动力系数。疲劳容许应力幅类别采用最不利Ⅴ类别(焊缝)，其疲劳容许应力幅[σ0]为110.3MPa。因轨道梁为单线轨道，故多线系数γd取值为1。构件损伤修正系数γn取值为1.15，恒载与活载的比值取值为3：7，并根据γt系数修正板厚。

根据桥墩构件位置及板厚的不同，将桥墩分为三个部分取其最不利位置分别进行疲劳验算，详见表6。根据计算，钢桥墩的疲劳验算均满足规范[4]要求。

表6 疲劳应力验算结果汇总 MPa

5 结论与展望

通过利用有限元模型对钢结构桥墩进行结构计算，分析总结了控制标准、荷载组合、计算步骤与计算结果。经过验算，结构尺寸与板件厚度较为合理，刚度和强度均满足规范与设计要求。总结以下三点结论，以供相关设计人员参考与借鉴。

(1)由于倒L型桥墩自身形状特点，横桥向需要较大刚度。在拟定结构尺寸时，需注意其横桥向位移满足设计要求。

(2)温度作用和横桥向风荷载对结构影响较大，对于温度变化较大与风荷载较大地区，在设计时需注意主力+横桥向附加力组合作用下的墩脚位置处应力值满足设计要求。

(3)拉—拉构件或以拉为主的拉—压构件不控制疲劳验算，需注意以压为主的拉—压构件的疲劳性能满足设计要求。

对于钢结构桥墩的整体稳定与板件局部稳定验算、轨道梁销轴与连接耳板强度计算、墩台连接性能、抗倾覆验算及桥墩抗震分析等内容，由于篇幅限值，不再赘述。