低真空高速磁懸浮管道結構形式探析

文／中國航天科工集團有限公司磁懸浮與電磁推進技術總體部 劉昊蘇 賈允祥

克拉瑪依市先進科技聯合研究院 曹俊梅

新疆交通建設集團股份有限公司 斯毅

關鍵字:低真空；高速磁懸浮；管道結構；有限元；磁阻特性

0 引言

隨著高速鐵路的蓬勃發展，全球對超高速交通系統的關注度逐步提高。目前，傳統的輪軌式軌道交通在速度上面臨著空氣阻力、輪軌黏著、蛇形失穩、運行噪聲以及弓網受流極限[1]等“瓶頸”問題。為突破速度限制，將磁懸浮技術與低真空技術相結合的超高速低真空磁懸浮交通系統應運而生。自2013年美國SpaceX公司創始人埃隆·馬斯克正式提出“超級高鐵”的概念[2]后，世界范圍內掀起“超級高鐵”的熱潮，同時作為承載“超級高鐵”的核心基礎設施——低真空管道的技術研究也越來越多地得到學者及國家的關注[3]~[5]。2017年后，國內中國航天科工集團（簡稱：航天科工）、西南交通大學等研究機構和高校也開展了低真空管道相關理論的研究。2018年10月，中國工程院主導的中國超高速磁浮技術發展戰略研究項目在深圳啟動，2019年“合理統籌安排低真空管（隧）道高速列車等技術儲備研發”寫入《交通強國建設綱要》，標志著“真空管道+高速磁浮”中國制式“超級高鐵”的發展步入快車道。低真空管道對整個超高速低真空磁懸浮交通系統的安全性、氣密性及可靠性極為重要。

本文針對低真空管道的結構形式，在調研國內外相關試驗線工程的基礎上，通過改進已有截面形式，提出了一種低真空管道鋼-混凝土組合結構，并利用有限元對這一方案開展了不同荷載工況下的撓度研究。

1 低真空管道的技術難點分析

1）大體積管道結構真空密封技術尚需完善。

管道內部需長時間維持低真空環境，對結構具有較高的氣密性及強度設計要求。管道之間的連接裝置在具有變形補償功能的同時，也需要具有與管道同樣的氣密性要求。我國的低真空技術雖然已相對成熟，但對大體積、長里程的管道真空環境的維持技術尚無工程經驗參考，對其中的關鍵問題尚未有解決經驗。

2）高精度低真空管道設計、制造及安裝技術。

高速磁懸浮列車在低真空管道內高速運行時對平順度具有極高的要求，梁體在多種荷載工況作用下的撓度限制較為嚴格。梁體承壓結構需滿足真空容器對結構穩定性、變形量的要求。此外，磁懸浮電機安裝精度直接影響磁軌的不平順度，因此設備安裝精度極為重要。

3）管道材料盡可能降低對車輛電磁力的影響。

在高速磁懸浮運行過程中，磁場易受到導磁材料的影響從而降低能源的利用率，所以在低真空磁懸浮結構材料的選取及結構設計上需要特別關注材料本身對管道內磁場的影響。

4）真空下瞬時大面積高熱量密度散熱技術難度高。

管道內處于低真空環境時，磁懸浮列車高速、高頻次通過后，電機表面產生巨大的瞬時熱能，但因內部對流效應弱、管內熱傳遞效率低，管內熱能的快速耗散存在技術難題。

2 低真空管道試驗線典型工程

近幾年來，美國、荷蘭及中國等國家已根據各自“超級高鐵”的技術要求，建成和在建多個低真空管道試驗線用以驗證低真空管道交通的可行性。

2.1 美國Hyperloop低真空試驗線

美國Virgin Hyperloop One低真空試驗線（圖1）位于美國內華達州拉斯維加斯附近沙漠中，長度500m，全線采用圓形筒狀鋼結構作為結構承載的主要結構。2017年7月13日完成首次全真空測試，并于2020年11月8日完成首次載人測試。

圖1 Virgin Hyperloop One試驗線

2.2 荷蘭Hardt Global Mobility低真空測試管道

位于荷蘭的Hardt測試線（圖2）總長150m，由每節30m的圓形鋼管道組成，外管直徑達到3.2m。2019年開始，該公司將建造一條長約3km的測試線路，用于測試速度超過700km/h的超高速列車，并將成為未來歐洲超級高速鐵路基礎設施和技術標準化測試基地。

圖2 Hardt Global Mobility試驗線

2.3 國內研究情況

目前，國內尚未有建成的低真空管道試驗線工程。西南交通大學正在建設一條140m全鋼結構的真空管道高溫超導磁懸浮直道試驗線[5]。

航天科工于2017年8月正式宣布開展時速1000km/h的“高速飛行列車（T-Flight）”項目研究計劃[6]。目前航天科工正與國內多家研究機構和高校聯合開展低真空管道關鍵技術的工程驗證性工作，并依托新材料、新技術革新開展公里級試驗線工程的建設。

圖3 航天科工試驗線效果圖

3 低真空管道改進與驗證

3.1 現有低真空管道截面的問題

國內外現有的低真空管道試驗線多以鋼結構作為主要承載結構，截面多以圓形截面為主。該類低真空管道結構尚存以下幾點問題：

1）普通碳鋼結構為導磁、導電材料，在磁懸浮電機工作時，易對管道內部磁場產生影響，從而大大增加磁懸浮車輛的磁阻力，造成推進能耗的增加。

2）未來低真空管網在地面以上多采用高架形式，大尺寸（直徑大于5.0m）下全鋼材管道可實現的跨徑較低（小于24.0m），線路系統受橋墩增多的影響，經濟性較低，土地占用較大。

3.2 低真空管道截面的改進

針對上述問題，本文在已有圓形低真空管道梁結構的基礎上，配合不導磁的混凝土材料對低真空管道進行了優化，提出了圖4中的低真空管道結構形式。

圖4 新型低真空管道結構斷面示意圖

該種管道形式具有以下優勢：

1）低真空管道結構以圓形管道為雛形，底部增加混凝土結構聯合外壁鋼結構形成一體式受力結構，一方面可以降低整體管道的磁阻力，另一方面，利用混凝土結構剛度大、阻尼大的特點，實現較大跨徑和較好的吸能特性。

2）參考文獻[7]、文獻[8]中的低真空隧道結構密封方式，外部鋼結構依然是較為可靠的氣密性結構。

3.2 低真空管道結構形式的驗證

為驗證圖4中低真空管道結構的力學特性，利用大型實體有限元分析軟件Midas FEA 3.7 對采用圖4截面的30 m簡支梁進行仿真分析。有限元模型中混凝土結構采用C50混凝土，鋼殼結構采用Q345鋼材，厚度20 mm。模型支撐采用四點簡支支撐形式，支撐點距離梁端0.5m（圖5）。低真空管道的荷載主要考慮恒荷載、活載、大氣壓荷載及溫度荷載等4種荷載，其中溫度荷載考慮管道整體升降溫30℃和日曬造成的鋼結構與混凝土結構的溫差工況。以豎向荷載作為主要研究對象，多種荷載單獨作用下的有限元仿真結果匯于表1中。

圖5 低真空管道結構實體有限元模型

表1 低真空管道多種荷載單獨下的仿真結果

從有限元仿真結果中可以得出：

1）低真空管道在鋼結構與混凝土結構的共同作用下，管道截面具有較大的剛度，恒載、活載的豎向撓度均較小。

2）低真空環境下，管梁內外壓差約101kPa，這一荷載數值相比管道結構的承載力較小，所以在大氣壓荷載單獨作用下，管道跨中的豎向撓度較小。

3）該管道方案為鋼-混組合結構，受兩種材料的熱膨脹系數不同，在日曬條件下，兩者存在較大溫差時，管道發生了明顯上拱，且為各項荷載中的最不利荷載，需在后續設計中予以高度重視和改進。

4 結語

低真空管道系統具有復雜的流-固-磁-熱多物理系統耦合特性，真正實現“工程化”方面還面臨著技術、經濟、安全等諸多方面的問題和挑戰。本文基于力學性能、磁阻特性等方面的考慮，初步提出了一種適合低真空高速磁浮交通系統的組合式管梁斷面，基本滿足管道結構真空環境下的力學性能及磁阻特性，為低真空管道的結構形式提出了新的思路，但管道熱效應、氣密性方面仍需進一步驗證、改進與優化。