跨座式單軌交通軌道梁焊接拉壓支座設計研究

（中鐵寶橋集團有限公司，陜西寶雞 721006）

1 研究背景

跨座式單軌交通系統采用高架敷設、梁軌合一，車輛在走行輪、導向輪、穩定輪的作用下跨于軌道梁上方行駛，行駛過程中會對軌道梁橋產生3個方向的作用荷載（豎向荷載、橫橋向荷載、縱橋向荷載）。支座布置于軌道梁和橋墩（立柱）之間，將二者可靠連接在一起，并將軌道梁所承受的列車荷載進行有效傳遞和支撐。為滿足單軌車輛安全、可靠、平穩、低噪的行車要求，支座需要較強的強度和剛度，以及耐疲勞、耐磨和防腐性能，因此其材料、工藝、結構等要求比一般橋梁支座的要求都高。

目前，國內的重慶市軌道交通2號、3號線，以及國外的日本、美國、澳大利亞和韓國等國的跨座式單軌交通軌道梁支座均采用鑄鋼拉壓支座。鑄鋼拉壓支座在國內跨座式單軌交通中運行了近20年，存在以下不足之處。

（1）上擺和下擺均采用鑄鋼件，鑄造缺陷多，生產工期長，成本高，且生產過程污染嚴重。隨著新型城市軌道交通市場的快速發展和國家對環保監管力度的進一步加大，鑄鋼拉壓支座已經難以滿足環保的要求和市場需求。

（2）現有支座技術中，銷軸和腰形孔的接觸面屬于線接觸型滾動摩擦副，主要的構件易損壞且不易更換，而且生產成本及后期維護成本較高。

本文基于中鐵寶橋集團有限公司對重慶跨座式單軌PC梁鑄鋼支座、比亞迪廠內試驗線PC梁鑄鋼支座的設計研發，參照其研制的某跨座式單軌系統試驗線項目焊接支座，采用理論設計+有限元的方法進行新型支座設計，消除了鑄鋼拉壓支座的諸多缺陷。

2 支座構造及工作原理

2.1 支座構造

如圖1所示，焊接拉壓支座采用鉸軸式結構，由支座上擺、支座下擺、鉸軸、凸輪板組件和基座總成等組成。支座上擺與支座下擺均采用焊接結構，上擺通過錨固鋼筋預埋在PC軌道梁上，基座總成預埋在墩柱蓋梁上，而支座下擺與基座總成通過錨固螺栓連接、與支座上擺通過鉸軸連接。支座下擺與基座總成之間設有凸輪板組件，為圓弧面-平面的線接觸，通過調整凸輪板組件下方的調整墊片，可以在一定范圍內調節支座的橫向坡度。凸輪板組件與基座總成之間設有調整墊片，實現支座的安裝調高和后續維護調高功能。

圖1 焊接拉壓支座

焊接式拉壓支座根據結構型式分為固定支座與活動支座，其區別在于鉸軸與支座下擺的連接關系。支座上擺與鉸軸采用軸孔小間隙配合，支座下擺與鉸軸采用面面接觸，其通過約束鉸軸與支座下擺的相對滑移即可實現固定支座的功能。

2.1.1 支座上擺和下擺

如圖2所示，支座上擺由座板、耳板、加勁板和錨固鋼筋組成，支座下擺由座板、耳板和加勁板組成。座板和耳板采用小間隙公差配合的卯榫結構+焊縫連接形式。

耳板根部加工有臺階，用于承受支座的壓力。座板與耳板的外側焊縫為工作焊縫，將支座的拉力轉化為焊縫的壓應力，可明顯改善焊縫的受力狀態。座板與耳板的內側焊縫為雙重性焊縫，即焊縫既起連接作用又起傳力作用。在焊縫設計時，為簡化計算，可不考慮座板與耳板內側焊縫的工作應力。

錨固鋼筋與支座上擺結構體通過焊接連接，澆筑在軌道梁內。錨固鋼筋起到支座上擺與軌道梁的連接作用，將軌道梁的荷載傳遞給支座上擺。

圖2 支座上擺和下擺結構

2.1.2 鉸軸、承壓板

如圖3所示，鉸軸和承壓板配套使用，用于支座上擺、下擺的連接。采用滑動承壓面接觸，提高接觸承載力，有利于支座的內部構件受力。

圖3 鉸軸、承壓板安裝

鉸軸、承壓板需采用耐磨耐腐蝕低溫多元共滲處理，使化合物層深為15～20 μm，鉸軸硬度≥HV530，承壓板硬度≥HV580，總滲層深不小于0.3 mm。在多元共滲前，鉸軸調質硬度為HRC29～HRC34，承壓板調質硬度為HRC35～HRC39。

2.1.3 凸輪板組件

凸輪板組件由上、下凸輪板和調整墊板組成。上、下凸輪板組成一套凸輪板副，配套使用，改善了支座下擺支撐面的受力狀態。

上、下凸輪板需進行調質處理HRC30～HRC35，并采用熱浸鍍鋅處理，鋅膜厚度為80～200 μm。

凸輪板組件用于支座在現場安裝時的位置和姿態調整。上凸輪板在支座下擺制作時組焊在下擺相應部位，并與下擺整體加工。

2.1.4 基座總成

基座總成由基座板組件、錨箱、錨固鋼筋、鍥緊塊、錨固螺栓等組成?；褰M件為組焊件，由基座板、加勁板、抗剪榫組焊而成?；逯胁拷M裝抗剪榫，下端裝有錨固鋼筋。

錨箱為箱形組焊件，墩柱墩臺施工時利用安裝支架將錨箱預埋安裝。錨固螺栓采用可更換方式，螺栓上下端螺母設計有防松裝置。支座橫橋向水平的位置調節通過調整錨固螺栓與基座板之間的橫向位置實現，而縱橋向水平的位置調節通過調整支座下擺與基座板總成之間的縱向位置實現。

2.2 支座工作原理

支座承受著車輛高速運行產生的縱橫向荷載、扭轉荷載及沖擊荷載等多種荷載組合。支座上、下擺之間通過鉸軸連接，并利用其間的相對轉動滿足軌道梁受力時梁端產生的轉角，活動支座的縱向位移通過鉸軸與安裝在下擺承壓板之間的相對滑移實現?？缱杰壍懒汉附永瓑褐ё墓ぷ髟砣缦?。

（1）支座類型轉換。鉸軸支撐端兩側均設有楔緊塊，其可通過安裝/拆除楔緊塊實現固定支座與活動支座的轉換。

（2）水平縱向滑移?；顒又ёㄟ^鉸軸與承壓板構成平面摩擦副，實現支座上擺和下擺間的水平滑移。與鑄鋼拉壓活動支座相比，其消除了輥軸的線接觸應力。

（3）支座轉動。支座上擺與鉸軸之間為軸孔間隙配合的柱面轉動副，鉸軸與下擺之間為柱面固定連接（固定支座）/水平縱向滑移（活動支座），其通過柱面轉動副實現支座的轉動。較鑄鋼拉壓支座，其結構簡單、受力體系明確、可靠性高。

（4）承受豎向拉力。支座上擺和下擺通過鉸軸連接，支座下擺和基座板通過錨固螺栓連接，支座的豎向拉力通過各構件依次傳遞到基座總成及橋墩蓋梁上。

3 支座技術特點及主要指標

跨座式單軌交通軌道梁焊接拉壓支座與現有鑄鋼拉壓支座相比具有明顯的優勢，具體表現在以下幾點。

（1）該支座采用整體焊接結構，制造成本可降低30%～50%，制造周期可縮短40%～60%，且制造過程環保節能。

（2）該支座的結構設計采用小間隙公差配合的卯榫結構+焊縫連接形式，可明顯改善焊縫的受力狀態。

（3）支座鉸軸采用兩端正方形截面、中間圓柱形截面的結構形式。與中間圓柱形截面匹配的支座上擺耳板也采用圓柱形截面，與兩端正方形截面匹配的支座下擺采用矩形截面+承壓板結構，以此傳遞豎向荷載和橫向扭矩產生的拉拔力荷載，從而改變了鉸軸的接觸方式，即由原技術方案的線接觸變成了面接觸，提高了接觸承載力；受力面無須采用高強度、高硬度的材料。

（4）通用性強。該支座在力學指標上可實現直線梁/曲線梁通用，在結構設計上可實現固定支座/活動支座的快速轉換。

（5）適用范圍廣。該支座下部結構為混凝土蓋梁，通過對基座總成結構的連接接口設計可實現支座在鋼立柱或鋼蓋梁上端的安裝；另外，通過在建筑物上設計預埋件，可實現支座在橋建合一結構物上的使用。該支座上部結構為混凝土軌道梁，通過采用螺栓連接副接口設計，本支座可適用于鋼軌道梁。

跨座式單軌交通軌道梁焊接拉壓支座的主要技術指標如表1所示。

4 支座有限元計算分析

4.1 支座有限元模型

4.1.1 網格模型及零件材料參數

本文通過三維建模軟件建立焊接式拉壓活動支座整體模型，為準確計算支座下部結構的受力狀態，建立混凝土模型，并使用有限元軟件對支座進行校核。支座結構傳力體系明確，部分結構可通過理論計算和數值仿真進行相互校核?？紤]到支座的實際受力狀況，對鉸軸等主要的受力部位網格劃分做了加密處理，模型采用SOLID186六面體實體單元進行網格劃分，單元數量為502 658個，節點數量為633 275個，網格平均質量為0.842 34。網格傾斜率為0.238 73。支座有限元模型如圖4所示。

表1 焊接拉壓支座的主要技術指標

圖4 支座有限元模型

零件材料參數如表2所示。

表2 零件材料參數

4.1.2 計算荷載

根據支座的實際工況，錨固螺栓采用預緊力加載，預緊力取值為101 kN。支座上擺的上端面加載力和扭矩分別為：豎向荷載1 239 kN，橫向水平力162 kN，橫向扭矩460 kN·m（折合至支座鉸軸中心），荷載及邊界施加如圖 5所示。

圖5 荷載及邊界施加

4.1.3 邊界條件

根據支座的實際受力工況，主力、附加力及特殊荷載通過PC軌道梁傳遞到支座上擺，上擺和下擺通過鉸軸傳遞，支座下擺再通過錨固螺栓傳遞給基座板總成，進而傳遞到墩柱蓋梁上。HRB400錨固鋼筋為螺紋狀，與混凝土采用綁定接觸。錨固螺栓在施工時根據設計圖紙施加預緊力矩，按照實際工況對錨固螺栓采用預緊力加載。

在支座下擺連接的混凝土模型上施加位移和轉動約束，同時在支座上擺施加橫橋向轉動約束。根據支座的結構特點，將各活動構件間使用摩擦接觸（摩擦系數為 0.2）。

4.2 結構強度分析

經過有限元軟件分析，得到支座整體及主要構件的應力分布，如圖6所示。

圖6 支座整體及主要構件的應力分布云圖（單位：MPa）

（1）由圖6a和圖6b可知，最大應力位于鉸軸截面變化圓角位置，最大應力為592.51 MPa，小于材料的設計容許應力。由于鉸軸承受彎矩、剪力共同的作用，截面變化位置存在較大的應力集中現象。根據材料力學公式計算的承壓側銷軸的最大名義應力為267.4 MPa，而有限元計算應力為592.51 MPa，從而得出銷軸集中系數為592.51/267.4=2.22。查《應力集中系數手冊》，本結構的應力集中系數為2.25，由此可知，有限元和理論計算結果基本吻合，結構傳力分析結果可信度較高。

（2）由圖6c可知，上擺的最大應力為242.35 MPa，小于材料的設計容許應力，位于鉸軸孔邊緣。上擺左側部位承受荷載較大，鉸軸孔邊緣存在應力集中現象，其余部分受力均較小。

（3）由圖6d可知，下擺的最大應力為161.49 MPa，也小于材料的設計容許應力，位于下擺與承壓板接觸面內側。此部位受壓力荷載較大，其余部分受力均較小。

4.3 結構剛度分析

經過有限元軟件分析，得到支座整體及構件的變形分布。支座變形主要分布于上擺座板、上擺耳板端部、下擺耳板端部。最大變形位于上擺座板處，最大位移值為0.895 mm。從分析結果可以看出，支座整體及構件變形均較小，滿足使用要求。

5 結論

通過對跨座式單軌交通軌道梁焊接拉壓支座的設計研究和有限元分析，可得出以下結論：

（1）基于跨座式單軌交通軌道梁支座的功能需求和傳力特性，提出的焊接拉壓支座方案合理、原理清晰，同時滿足軌道梁支座的安裝及后期維護時豎向高度、水平位置、橫向坡度的調節；

（2）通過理論計算、有限元模型仿真，對支座整體和各構件的強度、剛度進行計算，得出支座整體及各構件均滿足使用要求；

（3）焊接拉壓支座克服了鑄鋼拉壓支座的缺陷，具有優良的工作性能，制造成本低、周期短、制造過程環保節能，有利于批量生產和市場推廣。