中低速磁懸浮列車高架車站結構設計

宋長江,高修建

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司城交分院,天津 300251)

1 概述

中低速磁懸浮列車軌道交通,是一項高科技、高技術含量的軌道交通尖端工程,已被國家列入“十一五”規劃,具有廣闊的發展前景。根據高架車站軌道梁與站房的關系,高架車站結構可分為“橋建合一”和“橋建分開”兩類,昆明磁浮列車新建工程及唐山磁浮試驗線均采用“橋建合一”形式。這種結構形式涉及建筑結構和橋梁兩個專業,結構承擔的荷載大、作用特征復雜,分析計算和設計難度大。一般認為直接承受列車荷載的軌道梁按“鐵道工程專業相關規范”,采用容許應力法計算,其下部的框架結構既要滿足“鐵道工程專業相關規范”,又要滿足工民建專業相關規范要求。

中低速磁浮列車運行條件與傳統的輪軌式列車有很大的差別,在力學性能上主要體現在:單跨磁浮軌道梁要求豎向撓跨比≤1/3800,水平撓跨比≤1/2000,而輕軌軌道梁要求豎向撓跨比≤1/2000,磁浮軌道梁剛度要求比輕軌嚴格;磁浮列車荷載是均布荷載形式,而輕軌荷載是集中荷載形式;為滿足磁浮車輛下方供電要求,并具備一定的檢修功能,車站內要設置支墩支撐受流軌,要求設置連續的軌道梁來支撐支墩等。由于以上的磁浮列車特性,更加大了車站結構設計的難度。

2 荷載及荷載組合

由于磁浮車輛進出站的頻率較高,因此,對于高架車站如何進行荷載組合以求出最不利的內力,是高架車站設計的一個難點。昆明磁浮列車軌道交通和唐山試驗線都是采用單線的形式,所以對內力進行組合僅考慮單線有車的情況,考慮主力、主力與附加力、主力與特殊力(地震力)的幾種組合分別進行建模計算。

2.1 荷載

通過對工程結構構件的受力分析,綜合所有各種可能對結構產生作用的荷載,將荷載分為主力、附加力、特殊力三類,在設計中,部分荷載(一般房屋建筑設計中不考慮的荷載)的取值按如下原則。

(1)車輛靜活載圖示(圖1)

圖1 車輛靜活載圖示

(2)列車豎向動力作用:為車輛靜活載乘以動力系數 μ,μ=10/(30+L)(L為軌道梁跨度,單位為 m)。

(3)列車制動力或牽引力:列車的制動力或牽引力按列車豎向靜活載的 13%計算,緊急制動力按豎向靜活載的 20%計算。列車制動力取 3.0kN/m,緊急制動力取 4.6kN/m。車站位于直線上,離心力 C=0。

(4)伸縮力、撓曲力:由于磁浮車輛的軌排是磁浮特有的一種形式,目前尚缺少試驗數據,參考輪軌高架車站取值,伸縮力、撓曲力取 10kN。

(5)汽車撞擊力:落地框架柱有可能受汽車撞擊,應設置防撞保護設施。無法設置防撞保護設施時,墩柱設計必須考慮汽車對墩柱的撞擊力。汽車撞擊力順著汽車行駛方向時采用 1000kN,垂直于汽車行駛方向時,采用 500kN,作用在路面以上 1.20m高度處。

2.2 荷載組合

根據磁浮高架車站的實際情況,在進行內力組合時考慮以下幾種情況:伸縮力與撓曲力不同時組合,制動力或牽引力不與搖擺力同時出現,地震力與汽車撞擊力不同時組合。荷載組合見表1。

這篇文章構思很巧妙，小作者從“我”現在玩的游戲寫到媽媽小時候玩的游戲，非常自然，既體現出時代的進步，又引人思考。

表1 荷載組合

3 結構分析及計算

3.1 程序的選取及模型、參數的合理選擇

由于車站大多采用框架結構,所以可以采用三維的空間設計軟件 SATWE、TAT、SAP2000等進行計算。一般以 SATWE來計算,SATWE程序是用于高層及多層建筑結構的空間分析程序,它采用空間桿系、墻元等計算模型,對高架車站這種復雜的結構更能真實的反映出結構的受力性能。但是,由于車站與一般的民用建筑有所不同,所以,在計算時要合理地簡化模型及選用參數,以獲得合理的計算結果。

車站長度≥80m時,一般設置變形縫,建模時對每個框架單獨建模計算。樓板大開洞處,不符合樓板無限剛性的假定,應將洞口的梁柱節點設置為彈性節點,再進行計算,這樣比較符合實際。對于車站平面不對稱的情況,一般選擇考慮扭轉耦聯,振型個數≥9,當結構層數較多或結構剛度突變較大時,則振型數也應取得多些。若車站內有較多管理用房,實際的剛度大于程序計算出的剛度,實際周期小于計算周期,因此計算出來的地震力比實際小,結構偏于不安全,所以應對地震力再放大些,通過調整“周期折減系數”可以達到這個目的,周期折減系數可取“0.7～0.75”。由于車站相對于一般民用建筑,活載占整體結構荷載的比例較大,所以框架梁計算時要考慮活載的不利布置。

3.2 框架梁、框架柱的計算

“橋建合一”型車站結構剖面如圖2所示。

有支撐軌道梁的框架橫梁及與框架橫梁連接在一起的框架柱如何設計是結構設計中需重點研究的問題。因為一方面,框架橫梁及框架柱作為框架的一部分,需要滿足工民建規范要求的框架空間計算及抗震計算和構造要求;另一方面,框架結構橫梁作為軌道梁的支座,直接承受列車活載,又需要滿足鐵路規范的要求。框架柱作為框架橫梁的支撐點,也要滿足兩種規范的要求,兩者之間相連的節點處理也同樣不可忽視。所以,設計時需要對框架梁柱進行框架空間計算,以滿足工民建規范的抗震等要求,又需對它們單獨計算以滿足鐵路規范的要求。在計算時可通過電算輸入各種不同工況的荷載進行三維計算,對框架橫梁和框架柱進行比較分析。

圖2 磁浮車站結構剖面(單位:mm)

車站框架橫梁一方面要負擔軌道梁傳來的列車荷載,另一方面又要承受樓面的恒載、活載。框架橫梁承受的荷載比較大,受力復雜。因此為了控制跨中的撓度,增強結構的剛性,提高抗裂性,在框架橫梁設計時撓跨比限值定為 1/4600。計算中,對不同工況進行橫向平面框架計算,同時進行三維空間計算,取計算結果的較不利者對框架橫梁進行設計。設計中可根據彎矩包絡圖確定縱筋彎起的位置進行抗剪筋的設置。

4 連續軌道梁計算

4.1 連續軌道梁計算模型

軌道梁及支墩如圖3所示。

對于磁浮車站,由于軌道梁上部設有支墩,支墩間距 2.4m,為保證支墩連續性和整體性,采用軌道梁和框架橫梁剛接的形式,因此計算軌道梁不能按理想的鉸支多跨連續梁考慮,應按彈性支座多跨連續梁進行計算。通過大型有限元軟件建立5跨連續梁模型,計算出剪力和彎矩包絡圖,發現彈性支座連續梁邊跨跨中產生的彎矩,要比簡支支座連續梁跨中大 15%,但支座彎矩比簡支支座小 10%。為計算方便,在設計時仍采用 5跨簡支連續梁模型,在軌道梁跨中配筋時依據模型結果適當加大。

圖3 軌道梁及支墩(單位:mm)

圖4 連續軌道梁內力圖

通過上面軌道梁剪力包絡圖和彎矩包絡圖,可以看出磁浮列車產生的跨中彎矩、支座彎矩約占總彎矩的 40%,支座剪力占總剪力的 45%。可見,列車荷載在車站結構設計中是非常關鍵的一種荷載,在模型計算中應進行認真分析。

4.2 連續軌道梁剛度及配筋設計

當磁浮列車在軌排上運行時,整個車體與軌排的間隙僅有8mm,為滿足磁浮車輛的正常運營,要求磁浮軌道梁豎向撓跨比≤1/3800,水平撓跨比≤1/2000。

軌道梁的撓度計算中考慮長期作用效應的影響,邊跨撓度為 1mm,中跨撓度為 0.6mm,均 ＜L/3800=1.9mm,滿足磁浮列車運行的要求。為了避免由于車-軌道梁的耦合振動導致的車軌共振,軌道梁一階固定頻率宜 ＞64/L,經過計算得到 5跨連續梁的自振頻率為 18.03Hz＞64/L=8.9Hz。滿足自振頻率要求。

軌道梁既要承受列車荷載,又要承受樓面傳來的恒載及人群活載,所以軌道梁配筋既要滿足《混凝土結構設計規范》(GB50010—2002),又要滿足《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005),兩種不同規范配筋作比較如表2所示。

表2 配筋計算比較

可見,按 TB10002.3—2005受彎計算,鋼筋應力滿足 σs≤180MPa的要求下,配筋率比 GB50010—2002增加 70%。而剪力配筋則采用了不同的設計理念,鐵路規范中抗剪是以斜筋為主,箍筋為輔,但這樣不能滿足框架結構抗震同一斷面上出現不同符號剪力的要求,軌道梁的箍筋應以工民建規范計算控制。

5 結論及建議

(1)對同時承受兩種不同類型荷載的構件,在目前沒有合適設計規范的情況下,要求同時滿足兩種規范,對于保證結構安全是完全必要的。

(2)中低速磁浮列車對軌道梁剛度的要求很高,在設計中對連續軌道梁可以采用 5跨連續梁模型進行計算,但對計算結果要進行適當調整才能進行配筋設計。

(3)高架車站中的車-軌道梁耦合動力反應分析是今后的一個研究重點,對于乘客在車站舒適度的研究有重要的作用。

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