悬挂式单轨直线轨道梁结构优化设计探讨

1悬挂式单轨直线轨道梁结构优化设计探讨摘要：悬挂式单轨是单轨交通的形式之一，通过分析悬挂式单轨交通系统的特点，阐明了轨道梁结构优化设计的意义；运用Solidworks三维建模软件和ABAQUS有限元分析软件对悬挂式单轨直线轨道梁进行了结构优化设计探讨，即在满足国内外现行标准、规范及经验的前提下，当轨道梁跨距和梁板厚度取不同值时，以1km梁架桥用钢量最小为目标函数对轨道梁进行结构优化设计。1悬挂式单轨交通系统概况悬挂式单轨交通是单轨交通的一种形式，另一种是跨座式。目前跨座式单轨已在我国重庆市建成使用（重庆2、3号线），但悬挂式单轨在我国仍处在初步探索研究阶段。两种单轨交通的类型如图1所示。悬挂式单轨起源于1901年德国的伍珀塔尔市，目前德国共建有伍珀本建有广岛、湘南、千叶3条线路；此外，加拿大、美国及法国等也有2空中单轨的建设以作疏散客流和试验之用。从国外的运营经验及状况可知该系统技术已较成熟，且安全性较高。2悬挂式单轨交通系统特点悬挂式单轨交通系统构造灵活，建设相对简单，但运量有限，较适合中低运量短途交通。其一般采用梁轨合一的轨道系统，并采用实心或充气橡胶轮胎，可以爬陡坡、转急弯，能较好适应复杂地形。其主要特1）城市空间利用率高。悬挂式单轨系统一般采用高架结构，轨道梁宽度窄，故占用空间、土地均较少。2）地形适应能力强。橡胶轮胎黏着性能较好，利于加减速，大大增10%，可减少拆迁量。3）安全性好。悬挂式单轨车辆转向架上设有走行轮和导向轮，二者始终在箱型轨道梁内部，可有效减少恶劣环境、天气等对轮轨接触的影4）对环境影响小。悬挂式单轨交通系统采用电力牵引，故无排气污的噪声为65dB［1］；同时，轨道梁、梁柱的窄细结构对地面及建筑物的采光影响较小，该系统较易融入城市景观环境。5）投入小于地铁系统，施工简便。轨道梁采用标准钢箱梁，可通过工厂预制，现场拼装的方式来保证精度，故建设工期较短。3悬挂式单轨直线轨道梁结构选型设计及有限元建模33.1悬挂式单轨直线轨道梁选型设计悬挂式单轨轨道系统包括道岔、梁柱、轨道等部分，道岔通常采用“Y”形；梁柱一般为钢管结构，用以支撑轨道；轨道采用下开口的薄壁钢箱梁，列车通过悬吊装置悬挂于轨道梁下方。轨道的架设形式分为多种，其中单线采用倒L形，双线采用T形、门形及球拍形等。悬挂式单轨轨道A梁柱结构示意如图2所示［2］，本文选用T形。图2悬挂式单轨轨道梁梁柱结构示意悬挂式单轨轨道梁设计在实现承重和导向作用的同时，应满足经济性和景观设计的要求。车体通过连接装置悬吊于轨道梁下方，故轨道梁应设计为底部开口的箱型截面形式，且需兼顾轨道梁整体及局部稳定性4和车辆、建筑限界。综上，轨道梁应从设计合理截面、板厚最小、梁柱跨距最大、合理地加强筋间距及用钢量最少的角度出发。本文忽略了螺栓连接和焊接对轨道梁性能的影响，且不涉及对轨道梁内部电路和通信方面的设计，进行简化建模［3］。图3德国小断面轨道梁截面悬挂式单轨轨道梁的截面形式可根据城市地理环境及列车运输能力的不同而不同，本文参照德国小断面轨道梁截面形式（图3），采用以下2）根据《世界轮胎手册》，选用型号为23×9-10的实心橡胶轮胎，即轮胎外直径为581mm，断面宽为205mm，负荷下半径为274mm，断3）轨道梁材料采用Q345q钢板，钢板厚度为10～15mm，其特性见表表1轨道梁材料特性5结构钢牌号抗拉强度σb/MPa屈服强度σs/MPa弹性模量E/MPa泊松比质量密度/（t·m-3）Q345q3003452.06×1050.37.85组，轴距1750mm，车辆定距5890mm；车长8232mm，车钩中心距9200mm，车宽2244mm，车高2623mm；5）行车速度：最高运行速度50km/h；6）JTJ021-89《公路桥涵设计通用规范》［4］、GB50017-2003《钢结构设计规范》［5］、DGJ08-109-2004《城市轨道交通设计规3.2悬挂式单轨轨道梁校核标准1）稳定性校核。轨道梁截面为下开口的薄壁箱型结构，且加了可阻止轨道梁侧翻的加强筋，参照焊接宽箱型吊车梁的整体稳