懸掛式單軌直線軌道梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

1懸掛式單軌直線軌道梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討摘要：懸掛式單軌是單軌交通的形式之一，通過分析懸掛式單軌交通系統(tǒng)的特點(diǎn)，闡明了軌道梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義；運(yùn)用Solidworks三維建模軟件和ABAQUS有限元分析軟件對懸掛式單軌直線軌道梁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討，即在滿足國內(nèi)外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)的前提下，當(dāng)軌道梁跨距和梁板厚度取不同值時，以1km梁架橋用鋼量最小為目標(biāo)函數(shù)對軌道梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。1懸掛式單軌交通系統(tǒng)概況懸掛式單軌交通是單軌交通的一種形式，另一種是跨座式。目前跨座式單軌已在我國重慶市建成使用（重慶2、3號線），但懸掛式單軌在我國仍處在初步探索研究階段。兩種單軌交通的類型如圖1所示。懸掛式單軌起源于1901年德國的伍珀塔爾市，目前德國共建有伍珀本建有廣島、湘南、千葉3條線路；此外，加拿大、美國及法國等也有2空中單軌的建設(shè)以作疏散客流和試驗(yàn)之用。從國外的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)及狀況可知該系統(tǒng)技術(shù)已較成熟，且安全性較高。2懸掛式單軌交通系統(tǒng)特點(diǎn)懸掛式單軌交通系統(tǒng)構(gòu)造靈活，建設(shè)相對簡單，但運(yùn)量有限，較適合中低運(yùn)量短途交通。其一般采用梁軌合一的軌道系統(tǒng)，并采用實(shí)心或充氣橡膠輪胎，可以爬陡坡、轉(zhuǎn)急彎，能較好適應(yīng)復(fù)雜地形。其主要特1）城市空間利用率高。懸掛式單軌系統(tǒng)一般采用高架結(jié)構(gòu)，軌道梁寬度窄，故占用空間、土地均較少。2）地形適應(yīng)能力強(qiáng)。橡膠輪胎黏著性能較好，利于加減速，大大增10%，可減少拆遷量。3）安全性好。懸掛式單軌車輛轉(zhuǎn)向架上設(shè)有走行輪和導(dǎo)向輪，二者始終在箱型軌道梁內(nèi)部，可有效減少惡劣環(huán)境、天氣等對輪軌接觸的影4）對環(huán)境影響小。懸掛式單軌交通系統(tǒng)采用電力牽引，故無排氣污的噪聲為65dB［1］；同時，軌道梁、梁柱的窄細(xì)結(jié)構(gòu)對地面及建筑物的采光影響較小，該系統(tǒng)較易融入城市景觀環(huán)境。5）投入小于地鐵系統(tǒng)，施工簡便。軌道梁采用標(biāo)準(zhǔn)鋼箱梁，可通過工廠預(yù)制，現(xiàn)場拼裝的方式來保證精度，故建設(shè)工期較短。3懸掛式單軌直線軌道梁結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)及有限元建模33.1懸掛式單軌直線軌道梁選型設(shè)計(jì)懸掛式單軌軌道系統(tǒng)包括道岔、梁柱、軌道等部分，道岔通常采用“Y”形；梁柱一般為鋼管結(jié)構(gòu)，用以支撐軌道；軌道采用下開口的薄壁鋼箱梁，列車通過懸吊裝置懸掛于軌道梁下方。軌道的架設(shè)形式分為多種，其中單線采用倒L形，雙線采用T形、門形及球拍形等。懸掛式單軌軌道A梁柱結(jié)構(gòu)示意如圖2所示［2］，本文選用T形。圖2懸掛式單軌軌道梁梁柱結(jié)構(gòu)示意懸掛式單軌軌道梁設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)承重和導(dǎo)向作用的同時，應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)性和景觀設(shè)計(jì)的要求。車體通過連接裝置懸吊于軌道梁下方，故軌道梁應(yīng)設(shè)計(jì)為底部開口的箱型截面形式，且需兼顧軌道梁整體及局部穩(wěn)定性4和車輛、建筑限界。綜上，軌道梁應(yīng)從設(shè)計(jì)合理截面、板厚最小、梁柱跨距最大、合理地加強(qiáng)筋間距及用鋼量最少的角度出發(fā)。本文忽略了螺栓連接和焊接對軌道梁性能的影響，且不涉及對軌道梁內(nèi)部電路和通信方面的設(shè)計(jì)，進(jìn)行簡化建模［3］。圖3德國小斷面軌道梁截面懸掛式單軌軌道梁的截面形式可根據(jù)城市地理環(huán)境及列車運(yùn)輸能力的不同而不同，本文參照德國小斷面軌道梁截面形式（圖3），采用以下2）根據(jù)《世界輪胎手冊》，選用型號為23×9-10的實(shí)心橡膠輪胎，即輪胎外直徑為581mm，斷面寬為205mm，負(fù)荷下半徑為274mm，斷3）軌道梁材料采用Q345q鋼板，鋼板厚度為10～15mm，其特性見表表1軌道梁材料特性5結(jié)構(gòu)鋼牌號抗拉強(qiáng)度σb/MPa屈服強(qiáng)度σs/MPa彈性模量E/MPa泊松比質(zhì)量密度/（t·m-3）Q345q3003452.06×1050.37.85組，軸距1750mm，車輛定距5890mm；車長8232mm，車鉤中心距9200mm，車寬2244mm，車高2623mm；5）行車速度：最高運(yùn)行速度50km/h；6）JTJ021-89《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［4］、GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］、DGJ08-109-2004《城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)3.2懸掛式單軌軌道梁校核標(biāo)準(zhǔn)1）穩(wěn)定性校核。軌道梁截面為下開口的薄壁箱型結(jié)構(gòu)，且加了可阻止軌道梁側(cè)翻的加強(qiáng)筋，參照焊接寬箱型吊車梁的整體穩(wěn)