懸掛式單軌直線軌道梁結構優(yōu)化設計探討

1懸掛式單軌直線軌道梁結構優(yōu)化設計探討摘要：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的特點，闡明了軌道梁結構優(yōu)化設計的意義；運用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行了結構優(yōu)化設計探討，即在滿足國內外現行標準、規(guī)范及經驗的前提下，當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函數對軌道梁進行結構優(yōu)化設計。1懸掛式單軌交通系統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空中單軌的建設以作疏散客流和試驗之用。從國外的運營經驗及狀況可知該系統技術已較成熟，且安全性較高。2懸掛式單軌交通系統特點懸掛式單軌交通系統構造靈活，建設相對簡單，但運量有限，較適合中低運量短途交通。其一般采用梁軌合一的軌道系統，并采用實心或充氣橡膠輪胎，可以爬陡坡、轉急彎，能較好適應復雜地形。其主要特1）城市空間利用率高。懸掛式單軌系統一般采用高架結構，軌道梁寬度窄，故占用空間、土地均較少。2）地形適應能力強。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。懸掛式單軌車輛轉向架上設有走行輪和導向輪，二者始終在箱型軌道梁內部，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、梁柱的窄細結構對地面及建筑物的采光影響較小，該系統較易融入城市景觀環(huán)境。5）投入小于地鐵系統，施工簡便。軌道梁采用標準鋼箱梁，可通過工廠預制，現場拼裝的方式來保證精度，故建設工期較短。3懸掛式單軌直線軌道梁結構選型設計及有限元建模33.1懸掛式單軌直線軌道梁選型設計懸掛式單軌軌道系統包括道岔、梁柱、軌道等部分，道岔通常采用“Y”形；梁柱一般為鋼管結構，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梁柱結構示意如圖2所示［2］，本文選用T形。圖2懸掛式單軌軌道梁梁柱結構示意懸掛式單軌軌道梁設計在實現承重和導向作用的同時，應滿足經濟性和景觀設計的要求。車體通過連接裝置懸吊于軌道梁下方，故軌道梁應設計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，軌道梁應從設計合理截面、板厚最小、梁柱跨距最大、合理地加強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部電路和通信方面的設計，進行簡化建模［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城市地理環(huán)境及列車運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《世界輪胎手冊》，選用型號為23×9-10的實心橡膠輪胎，即輪胎外直徑為581mm，斷面寬為205mm，負荷下半徑為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結構鋼牌號抗拉強度σb/MPa屈服強度σs/MPa彈性模量E/MPa泊松比質量密度/（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：最高運行速度50km/h；6）JTJ021-89《公路橋涵設計通用規(guī)范》［4］、GB50017-2003《鋼結構設計規(guī)范》［5］、DGJ08-109-2004《城市軌道交通設計規(guī)3.2懸掛式單軌軌道梁校核標準1）穩(wěn)定性校核。軌道梁截面為下開口的薄壁箱型結構，且加了可阻止軌道梁側翻的加強筋，參照焊接寬箱型吊車梁的整體穩(wěn)