淺談中低速磁浮常用跨度梁設(shè)計(jì)

謝　華， 周永禮

(中鐵二院工程集團(tuán)有限公司土建一院，四川成都 610031)

中低速磁浮交通具有噪聲低、列車爬坡能力大、轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點(diǎn),是未來軌道交通發(fā)展的一個(gè)重要方向，具有廣闊的前景。但是，目前總體上是處于探索試驗(yàn)階段，商業(yè)運(yùn)營線很少，缺乏系統(tǒng)和完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分析軟件也不成熟。

磁浮交通橋梁的結(jié)構(gòu)形式、橋梁結(jié)構(gòu)適宜的基本跨度、 列車對(duì)橋梁的沖擊效應(yīng)橋梁的變形及剛度控制等問題是磁浮軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。

1　橋梁基本形式

磁浮鐵路中橋梁的形式主要可以分為兩類：軌道梁結(jié)構(gòu)和作為初級(jí)支承結(jié)構(gòu)的橋梁+承軌梁結(jié)構(gòu)。前者是軌道通過螺栓直接連接于軌道梁頂面形成的整體結(jié)構(gòu)；后者一般以橋梁為初級(jí)支承結(jié)構(gòu)，軌道支承設(shè)在橋梁頂面承軌梁上。由于低速磁浮軌道交通是直線感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)，因此橋梁跨度的確定不需要考慮的系統(tǒng)模數(shù)，軌道梁跨度可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、標(biāo)準(zhǔn)化要求，因地制宜確定。從減小混凝土體量，節(jié)約工程投資角度出發(fā)，目前世界各地已建成的磁浮鐵路中，多采用前者作為橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式，但軌道梁的截面形式、跨度、梁上管線布置方式、曲線梁處理方式也各有不同。常用跨度的軌道梁結(jié)構(gòu)在上述方面尚需進(jìn)一步的研究、優(yōu)化(圖1)。

圖1　軌道梁橫斷面

磁浮軌道交通類似于跨坐式單軌交通系統(tǒng)，車輛需要抱梁運(yùn)行，軌道梁梁體截面的上部位于車體內(nèi)部的部分，其截面尺寸基本上完全取決車輛的建筑限界，截面形式固定單一。由于梁體線型需與線路線型保持一致，因此梁體多曲梁曲做。在線路曲線地段軌道需要設(shè)置超高，由于梁體上部截面又位于車輛內(nèi)部，所以軌道梁常常需隨軌面變化扭轉(zhuǎn)。

軌道梁結(jié)構(gòu)截面尺寸由于受到車輛限界的限制常常只能采用小型箱梁結(jié)構(gòu)。盡管這種結(jié)構(gòu)梁部體量較小，但是由于梁體截面較弱，跨度不宜太大，因此下部工程量會(huì)在一定程度上增加。由于梁體需要曲梁曲做、并常常需要扭轉(zhuǎn)，因此曲線梁體均為空間實(shí)體，施工工藝復(fù)雜，不同位置曲線軌道梁需要采用不同的模板，梁體施工精度控制要求高。目前個(gè)別線路也嘗試梁體不進(jìn)行扭轉(zhuǎn),軌道的超高完全由梁上的軌道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),但該種方式必將引起梁上軌道結(jié)構(gòu)及梁體兩側(cè)的供電軌結(jié)構(gòu)安裝困難(圖2)。

圖2　軌道梁效果圖

另一方面，由于磁浮車輛運(yùn)行時(shí)需要“抱梁”，因此軌道梁上逃生通道、維修通道設(shè)置比較困難，目前對(duì)于這種形式的橋梁結(jié)構(gòu)，多是在車上設(shè)置逃生軟管(如上海高速磁浮運(yùn)營線)，逃生效率低、且橋面檢查維修困難。軌道梁上難以設(shè)置電纜槽，通信、信號(hào)電纜暴露在梁體外部，橋梁景觀效果較差。對(duì)于雙線軌道梁目前亦有采用兩片軌道梁之間設(shè)置橫梁,梁上鋪設(shè)鋼桁架作為疏散通道的做法(圖3)。

圖3　梁上承軌梁橫斷面

梁上承軌梁結(jié)構(gòu)上層為承軌梁、下層為橋梁結(jié)構(gòu)。下層梁部為橋梁的主要受力部分，上層承軌梁主要將列車的豎向荷載傳遞至下部橋梁結(jié)構(gòu)，因此，承軌梁高度僅需滿足限界要求即可。承軌梁為磁浮車輛的走行直接接觸部分，因此軌道的超高及梁體的扭轉(zhuǎn)要求可以通過調(diào)整承軌梁的兩個(gè)腹板很方便的實(shí)現(xiàn)。承軌梁的施工可以待下部梁體施工完成后，再在梁上立模澆筑承軌梁，承軌梁的施工精度易于保證。承軌梁以下的橋梁部分，則不受軌道超高及扭轉(zhuǎn)的要求限制，可以按一般橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，橋梁結(jié)構(gòu)具有更大的跨越能力橋梁的截面形式也可以更加多樣化。梁上承軌梁結(jié)構(gòu)，可以在橋面設(shè)置疏散平臺(tái)，橋梁逃生救援及檢查維修都比較方便。同時(shí)寬大的橋面為通信、信號(hào)以及電力的電纜鋪設(shè)提供了更多的空間，避免電纜外掛梁體影響橋梁景觀(圖4)。

圖4　梁上承軌梁效果圖

軌道梁結(jié)構(gòu)常用的施工方法是梁場(chǎng)預(yù)制、運(yùn)架施工。軌道梁結(jié)構(gòu)梁體工廠預(yù)制偏差可以控制在1 cm以內(nèi)，梁體架設(shè)偏差一般可以控制在2.5 cm以內(nèi)，兩項(xiàng)偏差疊加，軌道梁結(jié)構(gòu)偏差會(huì)達(dá)到3.5 cm。梁上承軌梁結(jié)構(gòu)常用的施工方法是，下部橋梁梁體預(yù)制運(yùn)架或現(xiàn)澆施工，梁上承軌梁部分待下部橋梁施工完成后，再現(xiàn)澆施工。梁上承軌梁結(jié)構(gòu)上部的承軌梁施工偏差大約在1.5 cm以內(nèi)，而下部橋梁結(jié)構(gòu)的施工偏差不會(huì)傳遞給上部的承軌梁，因此梁上承軌梁的施工精度可以控制在1.5 cm以內(nèi)。

2　橋梁基本跨度

根據(jù)鐵路和城市軌道交通橋梁建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，高架橋的經(jīng)濟(jì)跨度都在40 m以下，其中輪軌式軌道交通尤其以30 m、25 m為主型跨度，磁浮軌道交通中的橋梁跨度根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式的不同多有不同，多集中在30 m以下。表1為現(xiàn)有磁浮軌道交通中采用的跨度[1]。

表1　國內(nèi)外磁浮線路橋梁跨度

從表1中可以看出，磁浮交通橋梁采用軌道梁結(jié)構(gòu)時(shí)，橋梁的跨度多集中在25 m以內(nèi)，當(dāng)采用梁上承軌梁結(jié)構(gòu)時(shí)橋梁的跨度可以適當(dāng)加大，用到24～30 m。

中低速磁浮交通橋梁雖然承受均布荷載且荷載小，但橋梁的剛度及變形要求高，磁浮車輛需要抱軌運(yùn)行，受其限界影響，軌道梁或承軌梁頂面寬度一般在1.5 m左右。考慮軌道梁的寬跨比、剛度要求、施工重量等因素，常用的軌道梁結(jié)構(gòu)跨度常常較小。由于受剛度及變形控制等多方面因素的控制，當(dāng)采用梁上承軌梁結(jié)構(gòu)時(shí)，橋梁的基本跨度比輪軌系統(tǒng)稍小，但差異不大。

3　橋梁動(dòng)力效應(yīng)研究

磁浮車輛通過軌道梁時(shí)伴隨著車輛與橋梁之間的耦合作用，車輛由于軌道梁不平順的影響而產(chǎn)生振動(dòng)的同時(shí)也會(huì)受到軌道梁振動(dòng)的影響，而軌道梁的振動(dòng)又是起源于車輛的通過。有別于普通輪軌車橋耦合作用，磁浮車輛與軌道梁之間的相互作用力是一個(gè)主動(dòng)控制的有源時(shí)變力。磁浮車輛上的懸浮控制器可以根據(jù)安裝在懸浮架底部傳感器的反饋信號(hào)，依照一定的算法產(chǎn)生合適的時(shí)變控制電壓，再由該控制電壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生時(shí)變電流，并因此產(chǎn)生時(shí)變控制電磁力，以此時(shí)變力來調(diào)整磁浮車輛，從而達(dá)到始終維持懸浮間隙在額定懸浮間隙上下波動(dòng)的目的[2]。這也是導(dǎo)致磁浮系統(tǒng)本身是一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)的原因。對(duì)于這一新型軌道交通，磁浮系統(tǒng)車橋動(dòng)力分析尤為重要。

以株機(jī)廠中低速磁浮試驗(yàn)線20 m軌道梁為例，該梁梁體靜活載撓跨比約1/4600，梁體重量約3.5 t/m。建立該橋的車橋分析模型(圖5)，并進(jìn)行了相關(guān)的動(dòng)力分析。和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比(表2)。

通過計(jì)算，在磁浮車輛以10～80 km/h速度范圍通過20 m簡(jiǎn)支梁時(shí)，車體的最大加速度0.187 m/s2。簡(jiǎn)支梁跨中撓度最大值為2.779 mm，跨中加速度最大值為1.380 m/s2。參照輪軌車橋動(dòng)力響應(yīng)中車輛及無砟軌道橋梁評(píng)價(jià)指標(biāo)，以上計(jì)算結(jié)果均小于限值，表明該梁按撓跨比1/4600，每延米質(zhì)量3.5 t設(shè)計(jì)具有良好的動(dòng)力性能。

圖5　磁浮交通系統(tǒng)車橋動(dòng)力仿真分析模型

車速/(km·h-1)撓度/mm豎向加速度/(m·s-2)1#簡(jiǎn)支梁(0^1#墩)2#簡(jiǎn)支梁(1^2#墩)1#簡(jiǎn)支梁(0^1#墩)2#簡(jiǎn)支梁(1^2#墩)80仿真值2.7712.7471.2031.380實(shí)測(cè)值2.1632.1591.1501.24770仿真值2.7792.7391.0361.036實(shí)測(cè)值2.1082.1160.9550.88960仿真值2.7692.7461.2111.121實(shí)測(cè)值2.1742.0940.9720.87050仿真值2.7472.7391.1240.635實(shí)測(cè)值2.1512.0550.8030.63240仿真值2.7412.7360.7670.572實(shí)測(cè)值2.0962.0450.6420.47430仿真值2.7242.7280.6260.639實(shí)測(cè)值2.1162.0130.4500.45920仿真值2.7302.7130.5380.709實(shí)測(cè)值2.0902.0280.5050.33510仿真值2.7122.7270.5930.544實(shí)測(cè)值2.0902.0140.5070.491

4　橋梁沖擊效應(yīng)研究

軌道梁結(jié)構(gòu)在車輛動(dòng)載作用下的沖擊效應(yīng)研究是車橋耦合作用問題研究中的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。目前，相對(duì)于中低速磁浮軌道梁，普通輪軌作用下軌道梁結(jié)構(gòu)的沖擊效應(yīng)研究較成熟，磁浮交通發(fā)展較晚，其車輛對(duì)橋梁的作用方式又完全不同與傳統(tǒng)的輪軌交通，因此各國規(guī)范在制定磁浮車輛對(duì)橋梁的沖擊系數(shù)時(shí)又各有不同。為此，在株機(jī)廠試驗(yàn)線中，重點(diǎn)對(duì)磁浮橋梁的沖擊效應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。通過研究沖擊效應(yīng)與磁浮車輛車速、車體質(zhì)量、阻尼比、橋梁跨度及截面形式等方面關(guān)系，提出影響橋梁動(dòng)力系數(shù)的主要參數(shù)有：各階模態(tài)阻尼比、頻率比、荷載長度與橋梁跨度之比和車速，當(dāng)各階模態(tài)阻尼比和荷載長度確定時(shí)，可以認(rèn)為橋梁的動(dòng)力系數(shù)僅與頻率、車速和跨度相關(guān)。定義無量綱參數(shù)基頻比，

根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，得到動(dòng)力系數(shù)與基頻比相關(guān)的散點(diǎn)圖(圖6)。

圖6　跨中位移動(dòng)力系數(shù)

由圖6可知：

(1)磁浮列車的運(yùn)行速度較小時(shí)(v<100 km/h)，線路上小跨度簡(jiǎn)支梁的基頻比較小，一般小于0.4。

(2)在一定基頻比范圍內(nèi)，簡(jiǎn)支梁跨中動(dòng)力系數(shù)隨基頻比的增大有增大趨勢(shì)。

(3)基頻比一定時(shí)，簡(jiǎn)支梁跨中動(dòng)力系數(shù)值處在與基頻比成線性關(guān)系的兩條線包絡(luò)的區(qū)間內(nèi)，包絡(luò)線區(qū)間如圖6所示，包絡(luò)線上限直線段公式為y=1.02+0.0273x(0.02

5　展望

由于目前中低速磁浮軌道交通，尚處于發(fā)展初期，本文研究?jī)?nèi)容僅在磁浮軌道交通橋梁的基本結(jié)構(gòu)形式、基本跨度、橋梁的動(dòng)力性能及沖擊效應(yīng)進(jìn)行了初步探討，研究?jī)?nèi)容在一定程度上基于我院在南車株機(jī)中低速磁浮試驗(yàn)線上的工程建設(shè)及研究成果，但由于該線為試驗(yàn)線，橋梁梁型單一，期待在以后的商業(yè)運(yùn)營線中對(duì)相關(guān)研究成果進(jìn)一步完善。