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摘要：懸掛式單軌結(jié)構(gòu)軌道梁為開口鋼箱梁，具有結(jié)構(gòu)剛度小、活載與恒載比值大、寬跨比小和結(jié)構(gòu)阻尼比小等特點(diǎn)。文章利用MIDASCivil分析懸掛式單軌結(jié)構(gòu)不同跨度、墩高及形式（連續(xù)梁和簡支梁）的振動特性和地震響應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果表明，其結(jié)構(gòu)主要振型以軌道梁橫向彎曲變形、梁墩扭轉(zhuǎn)和彎曲變形為主，墩高、跨度、結(jié)構(gòu)形式以及行車對結(jié)構(gòu)抗震性能影響較大；采用20m跨度、矮墩、簡支形式的設(shè)計方案有利于結(jié)構(gòu)體系的抗震性能；目前運(yùn)營的懸掛式單軌結(jié)構(gòu)能夠滿足城市軌道交通抗震設(shè)防要求。

關(guān)鍵詞：懸掛式單軌；結(jié)構(gòu)振動；地震響應(yīng)

引言

懸掛式單軌結(jié)構(gòu)具有單位長度質(zhì)量、恒載活載比、結(jié)構(gòu)阻尼比、橫向剛度及抗扭剛度均較小等特點(diǎn)，其抗震性能與其他制式的軌道交通結(jié)構(gòu)有顯著不同。我國對懸掛式單軌交通的應(yīng)用尚處于探索階段，相關(guān)研究資料較少，沒有成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可供參考，大多還是模仿國外線路設(shè)計，并借鑒現(xiàn)有橋梁和跨座式單軌的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對懸掛式單軌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核和分析。本文在參考國內(nèi)現(xiàn)有懸掛式單軌結(jié)構(gòu)軌道梁、墩及車輛參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對不同跨度（20m和30m）、墩高（6m、13m和20m）、結(jié)構(gòu)形式（簡支梁、連續(xù)梁）的懸掛式單軌結(jié)構(gòu)的動力特性和抗震性能進(jìn)行分析，闡述了懸掛式單軌結(jié)構(gòu)自振特性和地震響應(yīng)規(guī)律，為該種制式的軌道交通系統(tǒng)的工程抗震設(shè)計提供參考依據(jù)。

1結(jié)構(gòu)形式及荷載

目前，國內(nèi)外運(yùn)營的懸掛式單軌，其上部軌道梁均采用鋼結(jié)構(gòu)開口薄壁箱梁，列車通過懸吊裝置懸掛于軌道梁下方，墩體通常采用倒L型和Y型鋼結(jié)構(gòu)支承軌道梁，如圖1所示。本文在既有項目中選取典型的懸掛式單軌結(jié)構(gòu)，對其結(jié)構(gòu)動力特性和抗震性能進(jìn)行分析。懸掛式單軌主體結(jié)構(gòu)采用Q345qD鋼材，軌道梁內(nèi)輪廓尺寸為高1600mm，寬1800mm，頂板厚度24mm，腹板厚度20mm，底板厚度32mm。墩身截面為長1300mm、寬1300mm，鋼板厚度為24mm。軌道梁二期恒載取4kN/m。單節(jié)車輛轉(zhuǎn)向架中心間距9.5m，固定車軸間距1.65m，設(shè)計荷載軸重150kN，車體重心距軌道面距離1.7m。采用反應(yīng)譜法分析其地震響應(yīng)規(guī)律，水平地震動加速度峰值取0.64g，垂向地震動峰值取水平向地震動峰值的0.65倍，場地特征周期0.35s，鋼結(jié)構(gòu)阻尼比0.03。

2有限元模型采用

MIDASCivil建立的3跨懸掛式單軌結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，分別考慮縱向、橫向和垂向3個方向的地震動輸入。為分析不同墩高、跨度和結(jié)構(gòu)形式對懸掛式單軌結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，結(jié)合運(yùn)營懸掛式單軌項目的實(shí)際情況，分別取墩高為6m、13m和20m，跨度為20m和30m，單軌結(jié)構(gòu)形式為連續(xù)梁和簡支梁進(jìn)行分析。簡支梁支座布置形式為一端固定和一端鉸接。連續(xù)梁三跨一聯(lián)，固定支座設(shè)置在左側(cè)中間墩上。在檢算軌道梁上有車情況下懸掛式單軌結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)時，分別將列車荷載布置在中間跨軌道梁的跨中和墩頂處。

3動力特性分析

3.1自振特性

圖3和表1給出了懸掛式單軌結(jié)構(gòu)不同梁跨和不同墩高情況下前幾階振型，振型主要為軌道梁橫向彎曲變形、梁墩扭轉(zhuǎn)變形、梁墩橫向彎曲變形和梁墩縱向彎曲變形。圖3和表1分析結(jié)果如下。（1）懸掛式單軌結(jié)構(gòu)模態(tài)振型頻率受墩高影響較大，墩高為6m、13m和20m條件下的第一階主振頻率受跨度和結(jié)構(gòu)形式不同影響，分別在2.25～3.69Hz、1.05～2.09Hz和0.59～1.25Hz范圍內(nèi)變化；隨著墩高的增加，模態(tài)振型由軌道梁變形為主變化為梁墩變形為主；受主梁跨度影響，30m梁的主振頻率約為20m梁的0.74倍。（2）對于簡支梁，其第一階模態(tài)振型以軌道梁橫向彎曲和梁墩橫向彎曲變形為主，隨著墩高的增加，以梁墩變形為主的模態(tài)振型參與系數(shù)增大；對于連續(xù)梁橋，其第一階模態(tài)振型均為固定墩縱向彎曲變形，其主振頻率較簡支梁低。而以軌道梁變形為主的模態(tài)振型受連續(xù)梁剛度增加的影響，其振型頻率也較大。

3.2抗震性能分析

3.2.1支座反力表2給出了不同載荷工況下軌道梁的支座反力，由表2可見，恒載作用時支座反力的范圍是205～665kN，恒載+活載共同作用下最大支座反力的范圍是437～1197kN，活載與恒載引起的最大支座反力比值為0.80～1.13。可以看出，懸掛式單軌系統(tǒng)活載與恒載的比值較大，兩者量級相當(dāng)。因此在抗震設(shè)計時，應(yīng)特別注意車輛活載對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響；在地震動作用下，簡支梁橋支座反力的范圍為29～1159kN，連續(xù)梁橋支座反力的范圍為13～1996kN；在大震情況下，支座的豎反力較小，最小僅為13kN，有出現(xiàn)負(fù)反力的風(fēng)險，建議針對近斷層地震區(qū)垂向地震動分量較大的地區(qū)設(shè)置垂向限位裝置，防止跳梁。3.2.2結(jié)構(gòu)應(yīng)力表3～表5給出了懸掛式單軌結(jié)構(gòu)不同墩高、不同跨度、不同結(jié)構(gòu)形式和有無車輛時，在縱向、橫向和垂向地震動（反應(yīng)譜）作用下懸掛式單軌結(jié)構(gòu)的最大彎曲應(yīng)力。在計算地震動作用下的結(jié)構(gòu)總設(shè)計應(yīng)力時采用SRSS方法，圖4給出了按SRSS法計算得到的3個方向地震動組合作用下的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力。考慮到結(jié)構(gòu)應(yīng)力最不利位置均為墩底截面，梁跨中應(yīng)力較小不起控制作用，因此圖表中結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力均為墩底截面應(yīng)力。計算結(jié)果分析如下。（1）對于連續(xù)梁或者大跨度中低墩高的簡支梁，其縱向地震動輸入最為不利；對于小跨度墩高較高的簡支梁橋，其橫向地震動效應(yīng)較大；垂向地震動輸入不起控制作用。（2）30m跨度的懸掛式單軌結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力較20m跨情況增加了約19%～26%。（3）連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力較相同墩高簡支梁的情況高，6m墩高時兩者比值約為165%，這是由于連續(xù)梁地震荷載主要由設(shè)置固定支座的墩承擔(dān)。但隨著墩高的增加這一比值逐漸變小，20m墩高時兩者比值僅為105%，這主要是由于墩高較大時，橫向地震動逐漸成為主要控制方向，橫向地震動無論對于簡支梁橋還是連續(xù)梁橋均由所有墩共同承擔(dān)。（4）墩高與墩底最大應(yīng)力不存在正相關(guān)關(guān)系，對于簡支梁橋20m墩高的墩底應(yīng)力最大，而對于連續(xù)梁橋13m墩高的情況更為不利。（5）由于懸掛式單軌列車活載與結(jié)構(gòu)恒載的比值較大，橋上有車時在地震動作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力較無車的情況增大了約10%～30%，且當(dāng)列車位于墩頂處時這一影響最大。（6）對于30m跨連續(xù)梁橋，其SRSS組合的結(jié)構(gòu)總設(shè)計應(yīng)力已經(jīng)超過了規(guī)范容許限制，特別是對于墩高13m的情況，墩底最大應(yīng)力可達(dá)348MPa，超過了材料屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)將發(fā)生一定程度的塑性變形，需進(jìn)一步按規(guī)范要求進(jìn)行非線性時程分析。

4結(jié)論

（1）懸掛式單軌結(jié)構(gòu)前幾階主要振型為軌道梁橫向彎曲變形、梁墩扭轉(zhuǎn)變形、梁墩橫向和縱向彎曲變形。振型頻率受墩高影響較大。（2）懸掛式單軌結(jié)構(gòu)活載與恒載的比值較大，恒載與活載引起的最大支反力比值為0.8～1.13。地震作用下，梁上有車時結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力較梁上無車時顯著增大，且列車作用的最不利位置為墩頂。（3）連續(xù)梁較簡支梁具有結(jié)構(gòu)剛度大、行車舒適性高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在地震力在墩之間分配不均的問題。在進(jìn)行抗震設(shè)防時，應(yīng)注意在活動支座墩上設(shè)置限位措施，以均勻分配軌道梁傳遞給墩的地震力。（4）在地震動作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力最不利位置為墩底截面，軌道梁跨中應(yīng)力較小不起控制作用；地震動最不利輸入方向受橋梁結(jié)構(gòu)形式、墩高和列車作用位置影響，可能為順橋向也可能為橫橋向，垂向地震動輸入不起控制作用；墩高、跨度和梁體結(jié)構(gòu)形式對結(jié)構(gòu)的抗震性能影響較大，20m跨度、矮墩、簡支形式的設(shè)計方案有利于結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。（5）懸掛式單軌列車走行軌位于軌道梁開口箱梁底板，軌道梁結(jié)構(gòu)變形對列車的走行性能影響很大，應(yīng)避免結(jié)構(gòu)發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形。

作者：龐林 陶奇 鄭曉龍 單位：中國中鐵二院科學(xué)技術(shù)研究院