悬挂式单轨单肋式拱桥设计参数敏感性分析*

宋广林

(中铁上海设计院集团有限公司, 200040, 上海)

悬挂式单轨作为一种建设成本低、周期短、占地少的中低运量城市轨道交通(以下简称“城轨”),受到国内外建设方的青睐。目前,其在德国、日本已有一定的建设规模,在国内也建成了一些示范线[1]。依据目前的建设规模,常规跨径为20～30 m的轨道梁是常见的结构形式。文献[2]利用MATLAB软件研究了不同加劲肋间距及不同板厚对30 m跨度轨道梁挠度的影响,得到了经济合理的轨道梁构造。文献[3]研究了城轨线路曲线半径为60 m时,横梁结构对不同跨径梁安全性和经济性的影响。文献[4]分析了不同跨度下轨道梁的结构形式,确定了长度为30 m梁是悬挂式单轨的合理构造。文献[5]介绍了常规悬挂式单轨梁的构造特点,并简述了其制造工艺。然而随着悬挂式单轨建设规模的扩大,以及对景观、环保要求的提高,不可避免地出现跨越河道与古建筑景区的结构,传统的小跨径梁不再适用。文献[6]对铁路刚架拱桥进行了设计和总体分析,文献[7]对铁路提篮拱桥的设计参数和结构敏感性进行了研究。综上,目前业内对于悬挂式单轨拱桥的相关研究较少。

本文以湖南某景区旅游空中列车项目为研究背景,设计了计算跨度为60 m的单肋式钢箱拱刚性吊杆双线轨道梁结构,建立了杆系和板壳单元三维模型。选取主梁底板、腹板及顶板的厚度以及加劲肋间距等不同数据为设计变量参数,对其进行刚度、应力及翘曲畸变敏感性评价,研究结果可为相关设计提供借鉴。

1 技术标准

现阶段国内对悬挂式单轨尚无统一标准[8],四川、河南、江苏、湖北、黑龙江等省份编写的一些地方标准和征求意见稿等,大都以国内铁路、地铁标准为蓝本。本文综合各方因素,采用的技术标准如表1所示。

表1 技术标准

2 拱桥设计

2.1 设计思路

观光空中列车的设计速度不大于 40 km/h,为游客提供了更好的游览环境,使游客可以近距离观赏美景。桥梁跨越景区湖泊,采用跨度为60 m的拱桥,避免了湖中设墩;采用富有形态美、协调美及人文美的拱桥结构,桥上观湖、湖中映桥,使整个系统融入景区,成为景区一道美丽的风景线。

2.2 结构构造

单肋式拱桥立面图、侧视图分别如图1、图2所示。计算跨度为60 m,拱桥为双线桥,线间距为5.6 m,主拱采用钢箱拱;共布置11对H型钢刚性吊杆,吊杆纵向间距为5 m,吊杆设置为斜倾;主梁采用等截面U型截面,中横梁和平联采用工字梁,端横梁采用钢箱梁。其中:吊杆和中横梁形成稳定的空间三角体系,增强了单肋式主拱的侧向稳定;采用拱、梁、墩刚接形式,端横梁与桥墩共用盖梁,这相对传统的采用轴销和支座的形式,具有刚度大、简洁美观、施工方便的特点;桥墩采用上部钢结构、下部混凝土的组合结构,增强了桥墩的防撞性及耐久性,使其具有更好的环境适应能力。

图1 拱桥立面图

尺寸单位:cm

2.3 敏感因子定义

刚度是城市轨道交通桥梁设计的重要指标[9]。大跨度单肋式钢箱拱桥,其矢跨比,主梁高度,主拱、吊杆、横梁及桥墩的宽度和高度等参数对刚度设计均有影响。主梁的钢板厚度以及加劲肋间距等参数对于主梁的应力亦有影响。为定量分析各个参数对拱桥刚度和强度的影响程度,本文提出敏感因子计算式(见式(1))。各参数的敏感性评价见表2。

表2 单肋式拱桥各参数的敏感性评价

(1)

式中:

δ——敏感因子;

ΔA——对应参数计算结果的变化值;

A0——对应参数计算结果的初始值。

3 主桥刚度敏感性评价

3.1 参数选取

采用Midas软件建立主桥杆系模型,如图3所示。其中梁单元为282个,全桥钢材均采用Q355,主拱采用圆曲线拱。为分析不同设计参数对主桥刚度的影响,对该模型的主要参数从小到大进行取值,见表3。

图3 主桥杆系模型

表3 主桥杆系模型主要参数取值

3.2 主桥刚度敏感性分析

主桥在静活载作用下的竖向挠度限值为60 mm,在摇摆力及风力作用下的水平位移限值为15 mm,梁端转角要求不大于3‰。各参数的计算结果均满足主桥刚度限值要求,只是δ各有不同。依据本文评价指标,对于竖向挠度,矢跨比的δ为15.8%,主拱尺寸的δ为7.2%,其余参数的δ均小于5%;对于水平位移,中横梁尺寸的δ为31.9%,矢跨比的δ为8.9%,主梁高度的δ为10.1%,其余参数的δ均小于5%;对于梁端转角,桥墩尺寸的δ为9.5%,主梁高度的δ为6.3%,主拱的δ为5.6%,其余参数的δ均小于5%。主桥刚度主要影响参数敏感性评价见表4。

表4 主桥刚度主要影响参数敏感性评价

针对刚接的单肋式拱桥,主梁的竖向挠度,矢跨比是敏感性参数,主梁高度对其影响次之,其余参数对其影响不大;对于主梁的水平位移,中横梁尺寸是敏感性参数,矢跨比和主梁高度对其略有影响,其余参数对其影响不大;对于梁端转角,桥墩尺寸是敏感性参数,其余参数对其影响不大。因此,采用等截面梁高1.1 m,主拱尺寸0.8 m(高度)×1.2 m(宽度),矢跨比1∶6等参数较小的取值即可满足主桥设计要求。

4 主桥应力敏感性评价

4.1 参数选取

采用ANSYS软件建立主桥板壳单元三维模型,见图4。其中:主拱、主梁和横梁采用shell63单元,吊杆和平联采用beam189单元。主桥应力敏感性分析中的主要参数由小到大取值,见表5。

a) 整体图

b) 梁端局部模型

表5 主桥应力敏感性分析中的主要参数取值

4.2 主桥应力敏感性分析

对主桥结构施加作用于跨中的双线活载和自重。对于底板应力,加劲肋间距的δ为31.1%,底板厚度的δ为9.5%,腹板厚度的δ为5.4%,其余参数的δ均小于5%;对于顶板应力,顶板厚度的δ为16.1%,腹板厚度的δ为11.4%,底板厚度的δ为9.3%,其余参数的δ均小于5%;对于腹板应力,加劲肋间距的δ为35.1%,腹板厚度的δ为18.1%,底板厚度的δ为9.5%,其余参数的δ均小于5.0%。主桥应力主要影响参数敏感性评价见表6。

表6 主桥应力主要影响参数敏感性评价

加劲肋间距是底板和腹板应力计算中的敏感性参数。顶板的平均应力约16 MPa,应力较小,且应力集中出现在锚固点位置,可采用合理的局部构造进行处理。主桥加劲肋间距取1.25 m,钢板厚度以14 mm为主即可。

4.3 主桥温度应力计算

主桥为刚架拱桥[6],其中拱、梁、墩均采用刚接,因此其温度应力是不可忽略的。拱桥主要部位的最大温度应力计算结果见表7。结合自重和活载应力计算结果,验证了拱桥结构应力满足钢材容许应力要求。

表7 拱桥主要部位的最大温度应力

5 主梁翘曲畸变敏感性评价

主梁为开口的薄壁U型截面,存在翘曲畸变的特点[10]。主梁跨中截面横向畸变位移云图,如图5所示。由图5可见:在局部车轮压力作用下,外侧腹板有向内的侧向位移,且越靠近底板侧向位移越大;主梁跨中截面横向畸变效应突出,端部截面纵向翘曲效应突出。对于主梁跨中截面的畸变,加劲肋间距的δ为95.9%,加劲肋厚度的δ为8.1%,腹板厚度的δ为7.8%,底板厚度的δ为5.5%,可见加劲肋间距对于主梁截面的横向稳定性影响很大;对于主梁端部截面的翘曲,腹板厚度的δ为7.2%,其余参数的δ均小于5%。主梁翘曲畸变δ的计算结果见表8。

单位:m

轨道梁结构为开口的U型截面,其抗扭承载力较差,通过布置在U型截面外侧的板式加劲肋提高其抗扭承载力。轨道梁结构内侧横梁和平联的连接,提高了内侧腹板的稳定特征,U型截面的受力特征类似于一边固结后的L型截面的受力特征。

表8 主梁翘曲畸变δ计算结果

6 结论

1) 对于悬挂式单轨单肋式拱桥,其刚度要求相对应力要求更加控制拱桥设计。

2) 依据10%和5%分级划分敏感因子来评价主要参数敏感性,矢跨比对主梁的竖向挠度敏感性高,横梁尺寸对主梁水平位移的敏感性高,桥墩尺寸对梁端转角的敏感性中等,加劲肋间距对主梁的应力和横向畸变的敏感性高,腹板厚度对梁端翘曲的敏感性中等。

3) 薄壁结构主梁跨中存在横向畸变,端部存在纵向翘曲。在中横梁和平联的作用下,U型截面主梁趋近于L型截面主梁的变形特点。

4) 主桥采用等截面且净高为1.1 m的主梁,钢板厚度以14 mm为主,加劲肋间距取1.25 m,矢跨比取1/6,拱桥刚度和强度均满足要求。设计中拱桥不同部位宜选用合理的设计参数,避免过大的设计富余。