0 引言

　　跨座式单轨交通是一种车辆骑跨在轨道梁上走行的制式，如图1所示，目前在全球范围内运营里程<600km，技术研发尚显不足。这一类轨道交通制式的显著特点是“梁轨合一”，轨道梁既是承重结构，也是走行轨道，要求毫米级的线形精度是关键技术之一。混凝土轨道梁建造成本低，运营平稳性好，却面临着毫米级成桥线形精度的重大质量风险，已经通车的重庆轨道交通2,3号线和在建的广西柳州轨道交通2号线均有体现;全钢结构轨道梁线形精度易于保障、建设工期短，但经济成本高、运营噪声大、走行面耐候问题突出。因此，采用大跨径钢-混组合轨道梁结构形式，扬长避短，是技术突破的方向之一(见图1)。

　　图1 跨座式单轨交通  

　　钢-混组合结构等效刚度理论体系已发展成熟并得到广泛应用。聂建国、肖林等、邵旭东等建立和发展了钢-混组合结构的等效刚度理论，对满铺剪力钉、开孔钢板、型钢等组合结构连接件做了大量研究并取得很好的实践应用效果^[1,2,3]。采用群钉实现钢-混组合的研究和应用则相对较少，赵建等通过推出试验研究了群钉受力的不均匀性，并提出极值修正方法^[4];幸思佳等针对二七长江大桥主梁结合段开展了推出试验研究，对破坏形式、承载力、截面滑移量开展了研究^[5];叶梅新等对芜湖长江大桥群钉组合钢-混主梁极限承载力开展了研究^[6];杨岳华等对群钉受力的不均匀性开展研究，获得焊钉承载力折减系数^[7];侯文崎对铁路钢-混组合梁的承载力、疲劳性能、计算分析方法等开展了大量试验及有限元研究^[8];李成君对装配式钢-混组合梁群钉构造及受力开展了相关研究^[9]。

　　综上所述，现有研究主要针对截面宽高比较大的公路、市政、铁路组合梁桥，关注点在于结构承载力和界面滑移等指标，对于截面宽高比小、刚度指标控制的跨座式单轨“瘦高”轨道梁，采用剪力群钉实现预制混凝土板与钢箱组合面临的等效刚度折减和评估问题有待进一步研究。将满铺剪力钉集中布置采用群钉的方式实现钢结构和混凝土结构组合面临着剪力连接度、无钉区无抗剪刚度、群钉区应力集中等问题，理论建模还不完善，受力机理还有待研究^[10]。

　　1 装配前轨道梁钢箱受力特性

　　1.1 轨道梁参数

　　双线轨道梁构造如图2,3所示。沿纵向50m跨径范围内，预制混凝土板分为3段，每段长16m，通过预留剪力群钉槽口后浇混凝土实现与下部钢箱的组合连接，混凝土预制板之间及预制板与梁端之间浇筑湿接缝。轨道梁梁体走行面预制混凝土板宽度为0.69m，整体梁高2.9m，钢-混结合面群钉布置空间有限，群钉在平面布置上沿纵向错位，缓解同一横向位置处的截面削弱，减小“无钉区”长度。

　　图2 轨道梁  

　　图3 50m跨径轨道梁剪力群钉布置  

　　不同于满铺剪力钉现浇混凝土钢-混组合构造方式，群钉组合轨道梁剪力钉集中布置，结合面出现大范围的“无钉区”，钢-混结合面的剪切滑移刚度和竖向“抗掀起”刚度呈现不均匀性，群钉数量、槽口构造、无钉区长度等指标的优化布置是影响轨道梁等效弯曲刚度、界面滑移曲线、结合面非对称群钉布置附加弯矩的主要参数。

　　1.2 有限元分析

　　基于ANSYS18.2开展轨道梁模型有限元分析。预制混凝土板与钢箱组合装配前，轨道梁梁体为全钢结构，采用shell63单元对钢箱顶底板、腹板、隔板、横梁、斜撑板进行建模，平联T形截面杆件采用beam188建模，梁端简支边界条件。试验梁整体有限元模型如图4a所示，试验梁截面有限元模型如图4b所示。开展模态分析识别竖弯固有频率和振型，在梁体跨中施加集中荷载，识别最大竖弯挠度，对荷载-挠度等效竖弯刚度进行评估。

　　图4 试验梁有限元模型  

　　有限元计算试验梁一阶竖弯固有模态如图5所示，对应固有频率为29.6Hz。在试验梁跨中横梁杆件中心施加21.0kN集中荷载，得到如图6所示变形云图，梁体变形中间大、两头小，支座位置处挠度为0。由梁体主要挠度计算结果可看出，在横梁荷载集中作用点存在挠度突变值0.788mm，钢箱整体变形均匀，跨中最大挠度值0.566mm，选取该值作为梁体最大挠度计算结果。

　　图5 试验梁一阶竖弯固有模态  

　　图6 试验梁集中荷载作用挠度  

　　2 装配后钢-混组合轨道梁受力特性

　　预制混凝土板与钢箱组合装配后，轨道梁梁体为下部钢箱、上部混凝土板，中间采用剪力群钉连接的组合梁体。采用solid65单元模拟上部混凝土板，剪力群钉采用combin39单元模拟，栓钉荷载-滑移曲线根据规范值输入^[11]。试验梁整体有限元模型如图7a所示，试验梁截面有限元模型如图7b所示。与预制混凝土板和钢箱组合装配前全钢轨道梁梁体一致，开展模态分析识别竖弯固有频率和振型，在梁体跨中施加集中荷载，识别最大竖弯挠度，对(荷载-挠度)等效竖弯刚度进行评估。

　　图7 试验梁有限元模型  

　　有限元计算试验梁一阶竖弯固有模态如图8所示，对应固有频率为28.5Hz，小于钢-混组合前钢箱计算值29.6Hz，主要原因可归结为混凝土板质量提高了轨道梁整体质量，而混凝土板本身提供的刚度增加又不足以弥补质量体系带来的折减，因此最终固有频率略有下降。在试验梁跨中横梁杆件中心施加21.0kN集中荷载，得到如图9所示变形云图，梁体变形中间大、两头小，支座位置处挠度为0。

　　图8 试验梁一阶竖弯固有模态  

　　图9 试验梁集中荷载作用挠度  

　　从梁体主要挠度计算结果可看出，在横梁荷载集中作用点存在挠度突变值0.605mm，小于钢-混组合前钢箱计算值0.788mm，主要由于组合混凝土板提高了轨道梁整体竖弯刚度，在同一荷载作用下挠度值减小;钢箱整体变形均匀，跨中最大挠度值0.386mm，选取该值作为梁体最大挠度计算结果。

　　3 主要结果对比分析

　　3.1 频率阻尼参数

　　根据有限元计算和装配前钢箱结构、装配后钢-混组合结构对比计算结果，对装配前后梁体一阶竖弯固有频率和固有阻尼比进行对比，从对比结果可看出，装配后钢-混组合结构竖弯固有频率为28.5Hz，低于装配前钢箱结构竖弯固有频率29.6Hz。混凝土板与钢箱组合后提高了整体的竖向弯曲刚度，同时也增加了整体的等效质量，刚度提高对固有频率的贡献不足以弥补质量增加带来的对频率值的折减，整体竖弯固有频率略有下降。

　　3.2 质量刚度参数

　　采用材料力学中集中荷载作用下简支梁的荷载-变形关系，如式(1)所示，对装配前钢箱结构、装配后钢-混组合结构的等效刚度进行定性和定量分析。

　　式中:S为跨中竖向变形;P为集中荷载;L为计算跨径;EI为截面刚度。

　　定义P/S为组合梁广义等效竖弯刚度:

　　如表1所示，有限元计算装配后钢-混组合结构与装配前钢箱结构的等效刚度比值为53.8/36.8=1.46。轨道梁模型质量体系中，钢箱质量为2 123kg，混凝土板质量为1 046kg，因此装配后钢-混组合结构模型与装配前钢箱结构模型质量比为(2 123kg+1 046kg)/2 123kg=1.49。

　　表1 竖弯等效刚度对比 

　　表1 竖弯等效刚度对比

　　预制混凝土板与钢箱装配后提高了钢箱梁的整体竖弯刚度，如表2所示，有限元计算等效竖弯刚度提高46%，同时也增加了试验梁每延米物理质量，提高比例为49%。根据等效质量、等效刚度实际不同的提高比例，可得到理论固有频率应降低1%，而有限元计算值为3.7%。

　　表2 装配后钢-混组合结构与装配前钢箱结构动力参数对比 

　　表2 装配后钢-混组合结构与装配前钢箱结构动力参数对比

　　4 结语

　　1)剪力群钉能实现钢箱与预制混凝土板的有效连接，传力可靠。

　　2)预制混凝土板与钢箱结构组合后，大幅度增加截面惯性矩，提高整体竖向弯曲刚度，有限元计算装配后钢-混组合结构等效竖弯刚度大于装配前钢箱结构，提高比例为46%。

　　3)有限元计算装配后钢-混组合结构一阶竖弯固有频率小于装配前钢箱结构，由定量分析可知，预制混凝土板与钢箱组合后，增加钢箱等效竖弯刚度46%，同时也提高了梁体的每延米物理质量49%，竖弯固有频率降低3.7%。