跨座式单轨交通应急梁超高设置及限速研究

跨座式单轨交通应急梁超高设置及限速研究郭峰;朱尔玉;仲建华【摘要】This study focuses on the superelevation adjustment of monorail transit emergency track beam. Before determining the mode of the superelevation adjustment, first of all, the straddle monorail transit original PC track beam superelevation setting rules were analyzed and summarized. Then according to the original PC track beam superelevation setting rules, emergency track beam superelevation adjusting range and setting mode were identified. Finally, from the influence of departure superelevation changing rate on the driving comfort, the mode of superelevation adjusting rationality was investigated, and driving control speed of emergency track beam was recommended.%针对跨座式单轨交通应急轨道梁走行面的超高调整方式进行研究.在确定应急轨道梁超高调整方式之前,首先对跨座式单轨交通原PC轨道梁走行面超高的设置规律进行分析和总结,然后根据原PC轨道梁走行面超高的设置规律确定应急轨道梁超高的调整范围和设置方式.最后从超高时变率对行车舒适性的影响出发,探讨了应急轨道梁走行面超高调整方式对行车舒适性的影响,并对应急轨道梁的行车控制速度做出了推荐.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2012(036)001【总页数】4页(P73-76)【关键词】跨座式单轨交通;应急轨道梁;超高;超高变化率;行车舒适性【作者】郭峰;朱尔玉;仲建华【作者单位】北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044;重庆轨道交通(集团)有限公司,重庆 400042【正文语种】中文【中图分类】U445.6跨座式单轨交通PC轨道梁(预应力钢筋混凝土轨道梁)作为单轨交通系统中最脆弱的一环,在单轨运营过程中很容易受到破坏,而一旦有PC轨道梁因特殊情况而破坏,整条单轨线路将会中断运营,给人民的生产生活带来巨大影响.因而,从轻轨发展的战略考虑,有必要开发出一套应急轨道梁来替代因特殊情况而受损的PC轨道梁.虽然世界上很多国家都已经修建了跨座式单轨交通线路,技术已经成熟,但目前国际上对于跨座式单轨交通应急轨道梁的研究还基本上处于空白状态[1].PC轨道梁作为单轨车辆行驶的轨道,超高直接设置于PC轨道梁的走行面之上,因此,在研制应急轨道梁时,为了实现应急轨道梁与相邻PC轨道梁的平滑连接,保证车辆在应急轨道梁上行车的安全性,以及乘客乘车的舒适性,必须解决应急轨道梁走行面超高的设置问题.本文作者针对应急轨道梁走行面的超高设置问题进行分析研究.1 应急轨道梁超高调整方案跨座式单轨交通应急轨道梁采用节段预制钢板箱梁作为标准预制节段,使用时,根据所替换的PC轨道梁的线形特点,选用不同曲线半径的标准预制节段进行拼接,实现各种平面线路线形,以满足单轨交通对轨道梁线形的要求.此外,为了减少应急轨道梁节段数量和降低成本,采用统一的箱型断面,如图1所示.而PC轨道梁由于要在走行面上设置线路超高,其断面形式并非统一.因此,在应急轨道梁设计过程当中,必须对应急轨道梁走行面的超高进行调整,应急轨道梁走行面超高的调整方案应根据PC轨道梁走行面的超高设置方式进行确定.图1 应急轨道梁断面图Fig.1 Section of the emergency track beam跨座式单轨交通PC轨道梁超高根据其所处平面线形的不同而采取不同的设置方式,需设置超高的平面线路线形主要分为圆曲线和缓和曲线.处在圆曲线上的PC轨道梁走行面的超高是等值分布的,超高的调整是将 PC轨道梁梁端底部支座处的支座垫石旋转一个角度α,从而在PC轨道梁走行面形成曲线外侧高于曲线内侧的单向超高,见图2.因此,当应急轨道梁置换处于圆曲线上的PC轨道梁时,可采取与处在圆曲线上PC轨道梁相同的超高设置方式,不用再专门地对走行面超高进行调整.图2 PC轨道梁超高设置方式Fig.2 Superelevation setting of the PC track beam而处在缓和曲线上的PC轨道梁的顶面超高是随着里程的变化而连续变化的,故仅仅将支座垫石扭转一个角度来调整超高显然无法满足线路的超高设置要求.处在缓和曲线上的PC轨道梁的两个支座垫石的旋转角度与此梁两个梁缝中心里程处的超高值相同,为了满足缓和曲线上PC轨道梁的设计超高值,PC轨道梁在制作时须将梁体的各个断面随着里程逐渐扭转不同的角度以实现超高设置,故PC轨道梁断面就变成了不规则的Ι形断面,其断面形式如图2(c)所示[2-3].因此,当应急轨道梁替换处于缓和曲线上的PC轨道梁时,须在应急轨道梁走行面上设置具有一定斜率的超高垫层来完成对其超高的调整.具体的调整思路是将应急轨道梁梁端的超高通过超高垫层调整到与原PC轨道梁一致,考虑到应急抢修的时间限制,在应急轨道梁整跨范围内铺垫超高垫层费时费力,故设计仅在支座节段长约2 m的范围内,将超高由原PC轨道梁梁端超高值过渡到跨中超高.由上可知,完成对应急轨道梁的超高调整,首先要确定应急轨道梁超高的调整范围[4].2 应急轨道梁超高调整范围由应急轨道梁超高的设置方式可知,需要调整的超高范围并非原PC轨道梁走行面的实际超高,而是原PC轨道梁走行面超高与支座垫石斜率的差值.在确定应急轨道梁超高垫层的数量和规格之前,首先要根据跨座式单轨交通超高的设置规律,确定PC轨道梁跨中与梁端超高的差值范围,该差值范围取决于原PC轨道梁的跨度及线路超高随缓和曲线里程的变化.因此,确定跨座式单轨交通线路的超高变化率是确定超高垫层斜率的关键所在.《跨座式单轨交通设计规范》[5]规定,超高过渡应呈直线变化,并宜在缓和曲线全长范围内完成,超高变化率由走行面的超高值及缓和曲线的长度共同确定.跨座式单轨交通线路的超高变化率为式中:h为线路超高;L为缓和曲线长度,m.要确定跨座式单轨交通线路的超高变化率,首先要确定线路设置超高的大小和缓和曲线的长度.2.1 跨座式单轨交通超高设置根据文献[5],超高与曲线半径及行车速度的关系为式中:V为行车设计时速,km/h;R为应急轨道梁曲线半径,m.2.2 跨座式单轨交通缓和曲线长度确定2.2.1 非复曲线形式缓和曲线的长度通常是越长越好,若太短,则给乘客的舒适度带来显著影响.为了使乘客乘车舒适,跨座式单轨交通设定的离心加速度变化率β为0.03 g/s,按其圆曲线半径及车辆运行速度规定缓和曲线最小长度,参照圆曲线有关规定,采用不小于20 m 的缓和曲线长度,若条件允许,最好与轨道梁长度协调一致,避免一片轨道梁跨越3种线形,对结构设计不利[5].跨座式单轨交通缓和曲线长度为式中:v为行车设计速度,m/s;β=a/t=v3/RL为离心加速度变化率,其中a=v2/R为离心加速度,t=L/v为列车通过缓和区段时间.取β=0.03 g/s≈0.3 m/s3,得一般情况下,缓和曲线长度算式中的速度是指在其曲线区段车辆的运行速度.但在项目前期方案设计阶段,可能还未进行牵引计算,暂不能确定列车通过曲线的速度,则一般以各种曲线所分别具有的最高允许速度(曲线限制速度)计算缓和曲线长度.2.2.2 复曲线形式因选线条件限制,在同方向两个圆曲线十分接近,而不能设置各个圆曲线独立的缓和曲线时,则采用与两个圆曲线相适应的一段缓和曲线与之衔接,即设计成复曲线形式.当采用复曲线线形时,应从大半径曲线向小半径曲线方向过渡,其过渡段长度为式中:Lc为超高过渡段长度,m;L1为小半径圆曲线所需缓和曲线长,m;L2为小半径圆曲线所需缓和曲线长,m.2.3 PC轨道梁超高变化率一般情况下(非复曲线形式)的超高变化率为当缓和曲线为复曲线时,小半径圆曲线顶面超高h1和大半径圆曲线顶面超高h2分别为复曲线两端顶面超高差为复曲线长度为则复曲线上超高的变化率为式中R2和R1分别为大小圆曲线半径.由此可见,无论是在一般情况下还是在复曲线情况下,跨座式单轨交通缓和曲线上超高变化率均相同,且超高变化率与单轨车辆的设计速度成反比,跨座式单轨车辆设计运行速度为30～80 km/h,β为0.03 g/s,可得PC轨道梁沿线路长度方向的超高变化率的最大值为0.003 6.2.4 应急轨道梁超高调整范围的确定处在缓和曲线上的PC轨道梁两端超高与跨中超高的差值不仅与超高变化率有关,还与PC轨道梁的跨度成正比,由于支座垫石的坡度与PC轨道梁的跨中超高保持一致,因此,梁端与跨中的超高差值等于超高变化率乘以PC轨道梁跨度的一半.PC轨道梁的跨度最大值为24 m,超高的变化率为0.003 6,因此,梁端与跨中最大超高差为为了验证式(11)结论的准确性,课题组对重庆跨座式单轨交通2号和3号线上的2404榀PC轨道梁4 808个梁端与跨中超高差值进行了统计,统计结果表明PC轨道梁的梁端底部坡度值分布在0%～3%之间,没有超出理论分析的界限,由此验证了PC轨道梁超高变化率分析理论的正确,超高垫层调整超高的范围应该分布在0%～4%之间.3 超高调整对行车舒适度的影响线路的超高设置不仅影响乘客乘车舒适度,而且是确定线路最高运行速度的决定性因素[6].应急轨道梁的超高在支座节段2 m范围内急剧变化,因此,如果列车仍按原设计速度行驶的话,将会大幅度增大线路的超高时变率,影响行车安全和乘客乘车的舒适性.因此,有必要结合超高时变率的概念对应急轨道梁超高调整方案的合理性进行探讨.3.1 超高时变率对行车舒适性的影响单轨列车在曲线轨道梁上行走时,由于曲线超高的变化,列车沿线路行驶将使车体在横断面上产生绕底部中心旋转的角速度,即超高时变率ω,如图3所示.如果超高时变率过大,会引起车辆的强烈颠簸,影响乘客乘车的安全性和舒适性[7-8].图3 车体随PC轨道梁超高的变化而旋转Fig.3 Vehicles rotation with the PC track beam superelevation change从超高时变率的概念中可知,超高时变率ω是在行车过程中发生的,反映的是车体在轨道上行驶时车体旋转的快慢,即式中:Δh为所截取缓和曲线段内超高的变化情况;h1′和h2′分别为截取的缓和曲线段首尾的超高率;ΔL为所截取的缓和曲线段长度.由式(12)可得,超高时变率与超高的变化情况及行车的速度相关.对于跨座式单轨系统而言,单轨车辆的宽度要远大于PC轨道梁的宽度.因而即使梁顶面与车体具有相同的旋转角速度,但由于两侧旋转半径较大,车体的起伏比较明显,对乘车舒适性产生直接的影响.因此,应急轨道梁在进行超高调整时,为了确保行车的安全性和平稳性,必须考虑超高调整对超高时变率的影响.3.2 应急轨道梁超高调整方式与行车舒适性在《跨座式单轨交通设计规范》中并没有明确地对超高时变率做出详细的说明,但是对缓和曲线长度及超高的过渡方式都做了详细的规定,可以确定跨座式单轨交通的超高变化率,而超高变化率和超高时变率存在着一定的关系,即处在缓和曲线上的PC轨道梁在半跨范围内将梁端超高调整到跨中超高,而应急轨道梁则要在2m范围内将其调整到垫石坡度值,应急轨道梁的超高变化率将增大5倍左右,如果仍按原PC轨道梁的设计时速行车,将会大大降低单轨车辆行车的安全性和乘客乘车的舒适性.根据超高时变率ω=γ v可知,在超高调整差值不变的情况下,要想取得与原PC轨道梁相似的乘车舒适度,只能将单轨车辆通过应急轨道梁时的速度减小至原线路设计速度的20%,按跨座式单轨车辆的设计时速30～80 km/h 计算,应急轨道梁设计时速应控制在6～16 km/h之间.4 结论1)处在缓和曲线线路上的应急轨道梁应进行超高调整,超高的调整范围为0%～4%.2)结合跨座式单轨交通应急轨道梁超高的具体调整方式,从超高时变率对单轨车辆行车舒适性方面的影响考虑,应急轨道梁的设计时速应限制在6～16 km/h之间. 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