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悬挂式单轨直线轨道梁结构优化设计探讨

 GXF360 2017-06-17
悬挂式单轨直线轨道梁结构优化设计探讨

悬挂式单轨直线轨道梁结构优化设计探讨

肖云霞1 王月明1 杨东晓2 谢 倩1
(1.西南交通大学机械工程学院,成都 610031;2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都 610031)

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。

关键词:悬挂式单轨交通;轨道梁;优化设计;用钢量

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。

图1 单轨交通类型

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塔尔线、多特蒙德线(大学容客)、杜塞尔多夫机场线;除德国外,日本建有广岛、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。其主要特点如下:

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,大大增强了列车的爬坡能力和曲线通过能力,曲线半径可小至30m,坡度达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响,故安全性较高。

4)对环境影响小。悬挂式单轨交通系统采用电力牵引,故无排气污染;橡胶车轮置于轨道梁内部,故走行噪声低,资料显示距列车6.5m处的噪声为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

3.1 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),采用以下轨道梁参数及标准:

1)梁结构内轮廓尺寸:1 100mm×780mm;

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,断面长193mm;

3)轨道梁材料采用Q345q钢板,钢板厚度为10~15mm,其特性见表1;

表1 轨道梁材料特性

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)Q345q 300 345 2.06×1050.3 7.85

4)车辆轴重P:32.81kN(满载时),20.71kN(空载时);2节编组,轴距1 750mm,车辆定距5 890mm;车长8 232mm,车钩中心距9 200mm,车宽2 244mm,车高2 623mm;

5)行车速度:最高运行速度50km/h;

6)JTJ 021-89《公路桥涵设计通用规范》[4]、GB 50017-2003《钢结构设计规范》[5]、DGJ 08-109-2004《城市轨道交通设计规范》[6]

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定性校核,若截面高宽比满足h/b0≤6,且自由长度与截面宽度之比满足L/b0≤95(235/σs),则可以不计算梁的整体稳定性[7]。其中,L为轨道梁跨距,mm;h为轨道梁截面总高度,mm;b0为轨道梁内截面宽度,mm;σs为钢材的屈服强度,MPa。

2)刚度校核。根据DGJ 08-109-2004及德国相关标准[1],轨道梁许用挠度值。

3)强度校核公式。

式中:σmax为轨道所受最大应力值,MPa;σs为薄壁钢Q345q的屈服强度,345MPa;ns为安全系数,取ns为1.15[3];[σ]为许用应力,[σ]=300MPa。

3.3 悬挂式单轨直线轨道梁有限元建模

首先用Solidworks对轨道梁进行建模,再将三维模型导入ABAQUS软件中,对结构进行载荷加载、网格划分及计算分析。轨道梁结构中各处的钢制薄板厚度与其高度、宽度和纵向跨度相比较都较小,故可采用薄壁壳单元,但由于体单元具有更高的计算精度,故本文轨道梁的有限元分析选用二次Tet体单元(C3D10)[2]

由于我国相关的经验及技术规范有限,本文在设计计算时暂不考虑悬挂式单轨列车在运行时出现的可变载荷和偶然载荷,垂向主要考虑:轨道梁自重、列车自重、列车载重及列车行驶时对轨道的冲击力;横向主要考虑列车的导向轮对导向轨的横向冲击力,而据日本标准的测定结果显示,列车在直线轨道梁上走行时,横向作用力不超过车辆轴重的5%,其对轨道梁整体变形的影响非常小,故可忽略不计[6],仅曲线时考虑。

上文提到的列车垂向冲击载荷:

对钢制轨道梁高架桥及预应力混凝土、钢筋混凝土桥墩结构,可采用式(4)计算:

式中:F为列车垂向冲击载荷,kN;μ为列车动力系数;P为车辆轴重,kN;L为轨道梁设计跨距,m。

由于本文在仿真计算时采用列车两节编组,故垂向和横向分别有16个和32个橡胶轮胎与走行轨和导向轨相接触,轮轨作用力通过橡胶轮胎来传递,故有限元分析计算时将轨道梁的受力方式简化为轮轨接触区的分散面力,且根据设计的一般思路,将满载列车置于一跨轨道梁的最不利位置,即列车的走行轮和导向轮置于轨道梁内的数量最多时轨道梁所承受的应力和应变最大。

据上述,轮轨垂向作用的单位面荷载可按式(5)计算:

式中:q为轮轨垂向作用面荷载,N/mm2;B为走行轮的轮轨接触宽度,205mm;H为走行轮的轮轨接触长度,193mm。

通过Solidworks建模、导入ABAQUS进行前处理及求解后,得到直线轨道梁有限元模型的垂向位移云图如图4所示。

图4 直线轨道梁有限元模型垂向位移云图 mm

4 悬挂式单轨直线轨道梁结构半人工优化设计

依据上述建模、分析思路,当轨道梁跨度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进行半人工优化设计。通过借鉴国内关于日本轨道梁结构的设计研究,暂取轨道梁横向加强筋间距为1.4m。

直线梁跨距与加强筋间距固定、梁板厚变化时的分析计算结果如表2-表4及图5-图7所示。从表2-表4中可以看到,梁板厚越小,梁所受的最大应力越大,但均小于材料的许用应力值(300MPa);从图5-图7中可以看到,当梁板厚从10mm变化至14mm时,不同跨距轨道梁的垂向最大变形均近似呈线性减小趋势,相同跨距轨道梁1km轨道用钢量则近似呈线性增大趋势;梁跨距为28m时,不同梁板厚均能满足许用挠度,梁跨距为30m时,只有取14mm梁板厚时才能满足许用挠度要求,而梁跨距为32m时,各梁板厚均不能满足许用挠度要求。

表2 28 m跨直线不同梁板厚分析计算结果([f]=L/1 900=14.74 mm)

注:Q为每个梁柱体积用钢量,m3

梁板厚/ mm梁最大应力/MPa梁垂向最大变形f/mm梁质量M/t 1km用钢量V/m3 10 123.9 14.96 14.82 67.429+36Q 12 108.1 13.05 17.72 80.615+36Q 14 101.9 11.69 20.60 93.717+36Q

表3 30 m跨直线梁不同梁板厚分析计算结果([f]=L/1 900=15.79 mm)

梁板厚/ mm梁最大应力/MPa梁垂向最大变形f/mm梁质量M/t 1km用钢量V/m3 10 139.2 18.91 15.95 67.747+34Q 12 124.1 16.53 19.07 80.992+34Q 14 111.9 14.81 22.17 94.137+34Q

表4 32 m跨直线梁不同梁板厚分析计算结果([f]=L/1 900=16.84 mm)

梁板厚/ mm梁最大应力/MPa梁垂向最大变形f/mm梁质量M/t 1km用钢量V/m3 10 154.4 23.56 16.90 67.288+32Q 12 137.1 20.62 20.21 80.450+32Q 14 123.2 18.52 23.49 93.513+32Q

图5 28m跨距不同板厚直线梁各参数示意

图6 30m跨距不同板厚直线梁各参数示意

图7 32m跨距不同板厚直线梁各参数示意

因为随跨距减小轨道梁的总体工程造价将增大,在满足设计要求的情况下,应尽量选用大跨距梁,故本文的轨道梁结构设计选用跨距30m,梁板厚为14mm,加强筋间距为1.4m。从图8及表2、表4中可以看出,当梁板厚和加强筋间距固定时,轨道梁的垂向最大变形随跨距的增大显著增大,且一跨轨道梁的质量也增大,但是1km轨道梁系统用钢量则减小。

图8 14mm梁板厚不同跨距直线梁各参数示意

5 结 语

本文阐述了研究悬挂式单轨交通系统的意义,结合钢结构设计原理和有限元分析等理论知识,运用列举比较法对悬挂式单轨直线轨道梁结构进行了尝试性优化设计。在取定轨道梁横向加强筋间距为1.4m的基础上,分别改变轨道梁跨距L和梁板厚t,比较各种参数组合情况下的分析结果,得出在满足设计要求的情况下,选用30m跨距、14mm板厚时1km轨道梁系统用钢量最少、造价相对合理的结论,可为我国悬挂式单轨系统设计标准的制订提供一定参考。

参考文献:

[1] 薄海青.悬挂式单轨交通车辆检修工艺及关键设备探讨[J].铁道标准设计,2013(1):121-126.

[2] 潘西湘.悬挂式单轨系统轨道梁结构优化设计研究[D].成都:西南交通大学,2013.

[3] 陈志华.钢结构原理[M].武汉:华中科技大学出版社,2007:92-101.

[4] JTJ 021-89 公路桥涵设计通用规范[S].

[5] GB 50017-2003 钢结构设计规范[S].

[6] DGJ 08-109-2004 城市轨道交通设计规范[S].

[7] 柴昶,宋曼华.钢结构设计与计算[M].2版.北京:机械工业出版社,2006:431-441.

[8] 曹金凤,石亦平.ABAQUS有限元分析常见问题解答[M].北京:机械工业出版社,2009:131-134.

[9] 谢津成,左小青,张盼盼.关于刚吊车梁挠度容许值的探讨[J].钢结构,2012,27(3):50-53.

[10]高立昂,杨应华.钢梁截面设计方法的几点建议[J].钢结构,2014,29(8):27-31.

RESEARCH ON OPTIMIZATION DESIGN OF THE STRAIGHT TRACK BEAM STRUCTURE OF SUSPENDED MONORAIL

Xiao Yunxia1Wang Yueming1Yang Dongxiao2Xie Qian1
(1.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Traction Power State Key Laboratory of Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

ABSTRACT:Suspended monorail is one type of monorail transportation.This paper clarified the significance of optimization design of track beam’s structure through analyzing the characteristics of suspended monorail transportation system.Using 3Dsoftware Solidworks and finite element software ABAQUS,this paper researched the optimization design of suspended monorail’s straight track beam structure,and that is using different values of the span of track beam and the steel plate thickness to do the structural design of the track beam by taking the least 1km’s steel as the objective function on the premise the current standards,specifications and experience both at home and abroad.

KEY WORDS:suspended monorail transportation;track beam;optimization design;steel quantity

DOI:10.13206/j.gjg201504016

第一作者:肖云霞,女,1989年出生,硕士研究生。

Email:yunxiaxiao1216@163.com

收稿日期:2014-11-20

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