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

關鍵詞：懸掛式單軌；結構振動；地震響應

引言

懸掛式單軌結構具有單位長度質量、恒載活載比、結構阻尼比、橫向剛度及抗扭剛度均較小等特點，其抗震性能與其他制式的軌道交通結構有顯著不同。我國對懸掛式單軌交通的應用尚處于探索階段，相關研究資料較少，沒有成熟的技術標準可供參考，大多還是模仿國外線路設計，并借鑒現有橋梁和跨座式單軌的設計標準，對懸掛式單軌結構的穩定性、結構強度和剛度進行校核和分析。本文在參考國內現有懸掛式單軌結構軌道梁、墩及車輛參數設計的基礎上，對不同跨度（20m和30m）、墩高（6m、13m和20m）、結構形式（簡支梁、連續梁）的懸掛式單軌結構的動力特性和抗震性能進行分析，闡述了懸掛式單軌結構自振特性和地震響應規律，為該種制式的軌道交通系統的工程抗震設計提供參考依據。

1結構形式及荷載

目前，國內外運營的懸掛式單軌，其上部軌道梁均采用鋼結構開口薄壁箱梁，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型鋼結構支承軌道梁，如圖1所示。本文在既有項目中選取典型的懸掛式單軌結構，對其結構動力特性和抗震性能進行分析。懸掛式單軌主體結構采用Q345qD鋼材，軌道梁內輪廓尺寸為高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。單節車輛轉向架中心間距9.5m，固定車軸間距1.65m，設計荷載軸重150kN，車體重心距軌道面距離1.7m。采用反應譜法分析其地震響應規律，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，鋼結構阻尼比0.03。

2有限元模型采用

MIDASCivil建立的3跨懸掛式單軌結構模型如圖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、跨度和結構形式對懸掛式單軌結構抗震性能的影響，結合運營懸掛式單軌項目的實際情況，分別取墩高為6m、13m和20m，跨度為20m和30m，單軌結構形式為連續梁和簡支梁進行分析。簡支梁支座布置形式為一端固定和一端鉸接。連續梁三跨一聯，固定支座設置在左側中間墩上。在檢算軌道梁上有車情況下懸掛式單軌結構的地震響應時，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構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分析結果如下。（1）懸掛式單軌結構模態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構形式不同影響，分別在2.25～3.69Hz、1.05～2.09Hz和0.59～1.25Hz范圍內變化；隨著墩高的增加，模態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振型參與系數增大；對于連續梁橋，其第一階模態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振型受連續梁剛度增加的影響，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，懸掛式單軌系統活載與恒載的比值較大，兩者量級相當。因此在抗震設計時，應特別注意車輛活載對結構地震響應的影響；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，有出現負反力的風險，建議針對近斷層地震區垂向地震動分量較大的地區設置垂向限位裝置，防止跳梁。3.2.2結構應力表3～表5給出了懸掛式單軌結構不同墩高、不同跨度、不同結構形式和有無車輛時，在縱向、橫向和垂向地震動（反應譜）作用下懸掛式單軌結構的最大彎曲應力。在計算地震動作用下的結構總設計應力時采用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構最大應力。考慮到結構應力最不利位置均為墩底截面，梁跨中應力較小不起控制作用，因此圖表中結構最大應力均為墩底截面應力。計算結果分析如下。（1）對于連續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構最大應力較20m跨情況增加了約19%～26%。（3）連續梁橋結構應力較相同墩高簡支梁的情況高，6m墩高時兩者比值約為165%，這是由于連續梁地震荷載主要由設置固定支座的墩承擔。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梁橋均由所有墩共同承擔。（4）墩高與墩底最大應力不存在正相關關系，對于簡支梁橋20m墩高的墩底應力最大，而對于連續梁橋13m墩高的情況更為不利。（5）由于懸掛式單軌列車活載與結構恒載的比值較大，橋上有車時在地震動作用下的結構應力較無車的情況增大了約10%～30%，且當列車位于墩頂處時這一影響最大。（6）對于30m跨連續梁橋，其SRSS組合的結構總設計應力已經超過了規范容許限制，特別是對于墩高13m的情況，墩底最大應力可達348MPa，超過了材料屈服強度，結構將發生一定程度的塑性變形，需進一步按規范要求進行非線性時程分析。

4結論

（1）懸掛式單軌結構前幾階主要振型為軌道梁橫向彎曲變形、梁墩扭轉變形、梁墩橫向和縱向彎曲變形。振型頻率受墩高影響較大。（2）懸掛式單軌結構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，梁上有車時結構最大應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）連續梁較簡支梁具有結構剛度大、行車舒適性高等優點，但也存在地震力在墩之間分配不均的問題。在進行抗震設防時，應注意在活動支座墩上設置限位措施，以均勻分配軌道梁傳遞給墩的地震力。（4）在地震動作用下，結構應力最不利位置為墩底截面，軌道梁跨中應力較小不起控制作用；地震動最不利輸入方向受橋梁結構形式、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、跨度和梁體結構形式對結構的抗震性能影響較大，20m跨度、矮墩、簡支形式的設計方案有利于結構體系的抗震性能。（5）懸掛式單軌列車走行軌位于軌道梁開口箱梁底板，軌道梁結構變形對列車的走行性能影響很大，應避免結構發生不可恢復的塑性變形。

作者：龐林 陶奇 鄭曉龍 單位：中國中鐵二院科學技術研究院