徐家博，潘图春，王荣康，胡军，练华江
柳州东方工程橡胶制品有限公司，广西柳州 545025
摘要：随着国民经济的发展，我国城市化进程也得到快速发展，而交通拥堵也成为城市发展的瓶颈。城市轨道交通是为适应城市交通发展而出现的一种新型交通形式，包括轻轨、地铁、城市铁路等。它们具有汽车交通所不具备的一些优点，如不会塞车、不会污染环境、节约能源等。在城市轨道交通中，与地铁及城市铁路相比，轻轨交通具有投资省（仅相当于地铁投资的40％）、不占用土地（一般采用高架形式）、爬坡能力强、转弯半径小等特点，特别适合山地城市使用。
目前轻轨梁端采用的伸缩装置普遍为指形板伸缩装置。指形板伸缩装置为悬臂受力结构，受该结构限制，工程中使用的指形板伸缩装置最大位移量不超过200mm。且指形板之间间隙小，随梁体转动的能力也小。跨越江河的轨道梁单联长度长，设计的位移量相应的也很大，远超过200mm，对转角能力的要求也很高，常规的指形板伸缩装置不适用。所以轻轨大位移量伸缩装置的研究便显得犹为迫切。
关键词：轻轨 大位移量伸缩装置
1引言
发展轨道交通是解决城市公共交通问题的根本途径，而轻轨交通又是各大城市发展快速轨道交通的一种重要模式。和桥梁一样，伸缩装置也是轻轨的重要组成部分。轻轨一般地段轨道梁采用跨度25m或30m的先简支后连续结构，跨径小，位移量小，梁端采用指形板式伸缩装置（见图1）。但是特殊地段如过江过河位置，梁体跨度大，位移量大，梁端需采用轻轨大位移量伸缩装置。
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2伸缩装置标准
轻轨伸缩装置目前没有相应的标准，可参考公路桥梁伸缩装置标准——（JT/T 327-2016）《公路桥梁伸缩装置通用技术条件》。公路桥梁伸缩装置的位移量可以设计很大，最大达到3000mm，但只有一个面承力，而轻轨伸缩装置要求三面承力，所以结构设计差异很大。
3轻轨大位移量伸缩装置
3.1轻轨大位移量伸缩装置结构设计
轻轨大位移量伸缩装置包括支撑系统、位移控制系统、减噪系统、三向承力系统和连梁系统（见图2）。
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支撑系统包括上支撑系统和下支撑系统。上支撑系统与下支撑系统结构相同，包括横梁、箱体、压紧支座、承压支座和侧支座。箱体位于支撑系统横梁的两端并通过连梁系统与轻轨梁伸缩缝的两端连接。横梁的两端分别套在箱体的内腔，横梁顶面与固定连接在箱体顶板的压紧支座滑动连接，横梁底面与固定连接在箱体底板的承压支座滑动连接。N个矩形框架均布在左右两个箱体之间的横梁上，上支撑系统的横梁贯穿在矩形框架的上方框内，并与固定连接在上方框内腔的上下前后侧面的压紧支座、承压支座和侧支座滑动连接；下支撑系统的横梁贯穿在矩形框架的下方框内，并与固定连接在下方框内腔的上下前后侧面的压紧支座、承压支座和侧支座滑动连接。
位移控制系统通过锚栓连接在矩形框架之中方框内腔的前后两侧，包括2（N-2）个结构相同的位移单元。位移单元包括连接板、右位移剪切弹簧、左位移剪切弹簧和连接筒。其中第一个位移单元的连接筒连接于第二个矩形框架之中方框内侧，其右位移剪切弹簧和左位移剪切弹簧分别连接第一个和第三个矩形框架之中方框内同一侧；第二个位移单元的连接筒连接于第三个矩形框架之中方框内同一侧，其右位移剪切弹簧和左位移剪切弹簧分别连接第二个和第四个矩形框架之中方框内同一侧，如此类推。
减噪系统通过锚栓连接在矩形框架的走行面、导向面和稳定面，齿形交叉布置，形成一个连续的平面，保证轨道列车平顺通过。
三向承力系统由支撑系统支承并通过连梁系统连接在轻轨梁伸缩缝的两端，并随着轻轨梁的热胀冷缩而作适应性的伸缩。三向承力系统包括N个结构相同并具有一定宽度、并列支承在支撑系统上的矩形框架，相邻两矩形框架之间形成±40mm的位移间隙，矩形框架上腰部和下腰部分别连接有一根宽度与矩形框架相同的上横担和下横担，从而将矩形框架分隔成上方框、中方框和下方框。
连梁系统包括连梁钢板和连接螺栓。连梁钢板上开有阶梯螺栓孔，其中轻轨梁一侧的阶梯螺栓孔设计腰形，保证梁端间隙有误差的情况下能顺利安装。
上述N的取值为4-38之间的任意整数。
3.2轻轨大位移量伸缩装置设计校核分析
大位移量轨道梁伸缩装置结构复杂，通过结构受力分析，其主要受力构件为横梁和连接螺栓。现以位移量320mm轻轨大位移量伸缩装置为例，计算横梁和连接螺栓受力。
为了确保伸缩装置使用的安全性、可靠性，在伸缩装置的设计计算中，从荷载的取值、作用位置方面均遵循规范要求，按最不利情况进行设计和验算。
（1）设计荷载
轻轨列车单轴荷载为140KN，安全系数取1.3，则最大荷载P＝140×1.3＝182KN，在计算时，趋于安全考虑，简化为集中荷载进行计算。
（2）横梁设计计算
横梁材料为Q345， 许用应力：[σ] =295MPa，伸长率≥22%，弹性模量E＝195GPa。
横梁按支承在箱体内承压支座上的简支梁计算，最不利工况为伸缩装置拉开最大时，横梁承受车轮的最大荷载（见图3），
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ymax＜920/600=1.53mm OK
（3）连接螺栓设计计算
设计参数：选择8.8级螺栓, 物理机械性能：抗拉强度σb=800MPa，屈服强度σs=640MPa，保证应力[σ] =600MPa，允许剪应力为保证应力的60%，则[τ]=360MPa。
将伸缩装置看作一个整体，简支在轨道梁的两端，当轻轨列车车轴处于伸缩装置中间位置时，两端连接螺栓受力最大（见图4）。
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5mm
取连接螺栓直径为20mm 其小径为17.3mm ≥5mm OK
连接螺栓拉伸强度校核
螺栓承载力：F=S×[σ]
F=π×(17.3/2)2×600=140966N ≥12033N OK
连接螺栓剪应力校核
连接螺栓在水平方向的受力主要为轻轨列车冲击Ff，按单轴最大荷载20%取值，
则Ff=P×0.2=36400N
考虑最不利的情况，单颗连接螺栓承受冲击力的剪切，则
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根据标准规定的强度极限状况下的车辆荷载，并考虑最不利情况（荷载发生在中梁跨中位置），建立位移量640mm轻轨大位移量伸缩装置有限元分析模型。通过使用ANSYS有限元软件分析，得出强度极限状态下伸缩装置的应力云图和应变云图。其中中梁最大应力271.5MPa(见图5),小于其材料许用应力295MPa；中梁最大变形1.74mm(见图6)，在挠度允许范围内(1700/600=2.83mm)。由此可知伸缩装置强度、刚度合理。
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3.3轻轨大位移量伸缩装置结构特点
1.伸缩装置的三向承力系统根据位移量设计数个矩形框架并列而成，满足轻轨三向承力的需求；两矩形框架之间形成±40mm的位移间隙，适应的位移量可以达到JT/T327-2016标准规定最高的3000mm。
2．伸缩装置的减噪系统通过锚栓连接在三向承力系统外部的走行面、导向面和稳定面，设计齿形交叉布置，形成一个连续的平面，保证轨道列车平顺通过，达到降噪效果。
3．伸缩装置的位移控制系统由位移剪切弹簧、连接板和连接筒组成，通过锚栓固定于三向承力系统内腔前后两侧，保证各个单元框架之间间隙伸缩均匀性，能适应梁体正常伸缩的工程要求。
4．伸缩装置的支撑系统设计成单梁结构，包括上下支撑系统，保证空间联动有序，三面受力均衡；支撑系统的承压支座采用球形钢支座，具有超强的空间变位能力。
5．伸缩装置上顶面和前后侧面通过连梁系统与轨道梁体的预埋底座连成一体，安装方便快捷，简支受力合理，方便产品维护保养。
4结语
轻轨大位移量伸缩装置是针对普通指形板式伸缩装置位移量小、缺少转角变位功能的缺陷，结合公路单梁模数式伸缩装置的优点，进行深入研究与实践的基础上，成功研制的具有行业领先水平的新一代轻轨伸缩装置，对城市轨道梁体系的完善有深远的意义。
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