U梁在鳳凰磁浮文化旅游項目中的應用研究

邱 冰,戴 旺,李金光,鄧娟紅,鄧 昆

(湖南省交通規劃勘察設計院有限公司,長沙 410200)

1 項目背景

鳳凰磁浮文化旅游項目全長9.121 km，共設5座車站，設計速度100 km/h，采用中低速磁浮車輛制式，軌道結構采用F軌，“H”形軌枕，鋁感應板，為國內第一個“磁浮+文化+旅游”項目。該項目旅游屬性強，對工程自身景觀要求高，需要從車輛、工程構筑物，線路沿線資源進行全方位的文化旅游屬性打造。目前，中低速磁浮工程中長沙磁浮快線采用無翼緣小箱梁[1]。無翼緣小箱梁的優點是工程量省，造價低；缺點是軌道結構安裝不便，建成后維修養護不便。因此，迫切需要研究一種既能滿足景觀文化旅游屬性需要，又能方便山區架設，后期維修養護方便的梁型。需著重研究在軌道交通工程中已經成熟應用的U梁應用到鳳凰磁浮文化旅游項目的可行性和必要性。

目前，在中低速磁浮工程領域，正式開通運營的有日本愛知磁浮線，韓國仁川機場線，國內的長沙磁浮快線和北京S1線。試驗線主要有上海中低速磁浮試驗線、唐山中低速磁浮試驗線，日本大江中低速磁浮試驗線和南車株機中低速磁浮試驗線，統計結果如表1、表2所示[2-3]。

表1 國內外中低速磁浮試驗線梁型情況統計

表2 國內外中低速磁浮線梁型情況統計

從表1、表2可以看出，在磁浮軌道交通工程中，國內外主要應用的梁型為箱梁[4]，包含有翼緣箱梁和無翼緣箱梁，尚無U梁應用實例。但軌道交通建設采用U梁較多，如國外巴黎軌道交通13號線在塞納河上高架橋，智利圣地亞哥地鐵4、5號線高架段，荷蘭鹿特丹地鐵延伸高架橋，印度新德里的地鐵3號線，阿聯酋迪拜地鐵高架段，沙特阿拉伯麥加輕軌等項目均采用了U梁。2003年前，國內軌道交通廣泛采用整體箱梁或組合小箱梁，較少采用U梁。自2003年上海地鐵8號線采用U梁以來，近年來采用U梁逐漸呈上升趨勢[6-8]，如上海地鐵8號線、南京地鐵2號線、重慶地鐵l號線、廣州地鐵2號線、臺北內湖木柵線延伸段、青島地鐵11號線和13號線均有使用。國內外軌道交通U梁使用情況如表3所示。

表3 國內外軌道交通U梁情況匯總[2-5]

通過以上分析，U梁在國內外軌道交通中多條線路使用，使用情況良好，國內近年來呈逐年上升趨勢，因此，研究U梁在鳳凰磁浮文化旅游工程中應用的可行性和必要性具有較好的基礎條件。

2 U梁的應用研究

2.1 梁型對比分析

對幾種梁型進行對比分析，如表4所示。

表4 梁型對比分析

由表4分析可知，無翼緣箱梁雖然總體造價最經濟，但維修養護、疏散逃生等功能較差，且本項目線路走行于山區，橋下架梁不便，對景觀要求較高。綜合分析，U梁功能和造價比較均衡，性價比較高。

2.2 U梁與項目周圍環境融合度

本項目所處的自然環境主要是低山、小峽谷為主，部分線路緊鄰沱江，風景秀麗；所處的人文環境，主要為湘西土家族、苗族少數民族文化，特別典型的有土家族、苗族特有的吊腳樓，吊腳樓屬于木結構，四周有設計獨特的樓角垂吊，美觀大方。若選擇箱梁或T梁，管線設備一般將暴露在游客視線之內，對工程本身旅游觀光屬性是一種較大的破壞。經過調研及查詢相關報道，國內外采用U梁軌道交通線路，如青島地鐵11號線，沙特麥加輕軌，迪拜輕軌等項目，當地民眾普遍對U梁的外觀表示滿意，其中，青島地鐵11號線被譽為青島最美地鐵線路。同時，利用BIM建模把U梁模型植入現場實景中，與項目所處自然環境匹配度較好。U梁外觀通過優化設計使用流暢曲線，減少棱角，整體視覺效果較好，且能與自然環境更好的融為一體，同時U梁將管線設備等藏于腹中，更加美觀簡潔[9-11]。

2.3 U梁設計與視點狀況的關系

橋梁建筑造型的目的是為人們視覺服務，視點狀況不同，視覺所獲得的景象信息不同。本項目有2個主要視點：一是靜態視點，從橋下仰視、從較遠處遠視或從觀景平臺俯視；二是動態視點，在列車上觀賞，車內視點處于高速運動中，無法辨認橋梁細節，僅從宏觀上感受。本項目充分考慮U梁翼緣對游客車內視線的影響，普通軌道交通U梁梁高約1.8 m，凹槽內部深度約1.55 m，工程主要從兩方面考慮，一是將U梁梁高從1.8 m減小到1.7 m，二是提高U梁內部承軌梁高度，F軌軌面至承軌梁底面高度控制在1.1 m以上。因此，車輛嵌入U梁內部的高度將減少至0.45 m以下，確保列車踏板位置高于U梁翼緣頂部，方便游客觀光。

2.4 U梁與磁浮列車運行的匹配情況

磁浮列車荷載如圖1所示，與普通軌道交通不同，普通軌道交通主要為集中荷載，而磁浮列車主要為均布荷載，從受力角度來看，磁浮荷載作用下，梁體受力更為有利。為維修養護方便，U梁比無翼緣箱梁增加維修通道和逃生通道，更有利于后期的維修養護和運營安全。基于多體動力學原理與有限元法，利用多體動力學軟件Simpack建立三維車-軌-橋耦合振動仿真模型，對磁浮列車過橋時U梁及軌道結構豎向和橫向振動進行分析，研究F軌、軌下彈性支承與橋梁支座參數對U梁和軌道結構振動的影響，給出各參數合理取值范圍，磁浮列車與F軌之間按照空氣彈簧模擬受力情況[12]。經過反復試算，優化調整U梁斷面，直至U梁的行車平穩性和舒適性滿足旅游觀光軌道交通項目的要求。

圖1 懸浮狀態列車荷載(1列車荷載，按6輛編組)(單位：mm)

通過CJJT262—2017《中低速磁浮交通設計規范》和GB50157—2013《地鐵設計規范》對梁部設計指標進行對比，如表5所示。中低速磁浮交通設計規范對梁部的豎向撓度限值、梁端轉角均要求更高，通過調整截面設計，建立有限元模型進行分析，均能滿足規范要求[13]。

表5 中低速磁浮交通設計規范和地鐵設計規范設計指標對比

2.5 U梁采用先張法和后張法施工工藝對比分析

國內軌道交通U梁采用后張法工藝居多，先張法工藝偏少，需對比分析選擇合適的施工工藝。

針對沙特阿拉伯麥加輕軌先張法U梁，青島地鐵11號線后張法U梁和青島地鐵13線先張法U梁3條線路U梁施工工藝進行對比分析。通過建立有限元模型，模擬同等外界條件，相同冗余設計，同等外型尺寸條件下，把先張法預應力鋼絞線改為后張法進行對比分析；再進一步對比分析3條線路外部荷載、規范要求等方面。

2.5.1 沙特麥加輕軌梁施工工藝對比

沙特麥加輕軌U梁采用美國規范AASHTO LRFD 2007設計，設計荷載為A+型車，6+6輛編組，設計時速為80 km，設計地震烈度相當于國內6度，地震波峰值加速度0.075g。全跨為等截面設計，標準跨度25 m，斷面如圖2所示，梁上鋪設無砟軌道。輕軌采用先張法預應力混凝土U梁[14]，該線已于2011年開通運營。

圖2 沙特麥加輕軌U梁主要斷面(單位：mm)

通過BSAS軟件和Midas軟件分別建立有限元模型進行對比分析，活荷載、材料和外部邊界條件保持一致，跨中截面與既有先張法預應力混凝土梁保持一致，梁端截面由于后張法預應力混凝土梁受力變化及錨固要求，逐漸加寬加厚。對比結果如表6所示。

2.5.2 青島地鐵11號線和13號線U梁施工工藝對比

由表3可知，青島地鐵11號線和13號線一是外部荷載相同，均采用B型車，4列編組，設計速度120 km/h；二是外部邊界條件相同，同為青島地區，地質情況相近，地震等級相同；三是建設時序相近。因此，這2條線路是軌道交通U梁先張法和后張法比較的理想案例。

表6 沙特麥加輕軌U梁先張法和后張法對比

青島地鐵11號線標準跨30 m，直線段線間距5 m，跨中為等截面設計(圖3)，梁高1.8 m，梁頂寬5.32 m，底寬3.98 m，梁端底板加厚加寬，加厚范圍為1.62 m，加厚14 cm，梁高變為1.94 m，梁頂寬保持5.32 m，梁底寬加寬為4.58 m。本梁為后張法預應力混凝土U梁，跨中鋼束均布置在底板上，到梁端時，部分鋼束向上彎起[15-16]。

圖3 青島地鐵11號線跨中斷面(單位：mm)

青島地鐵13號線采用先張法預應力混凝土簡支U梁(圖4)，標準跨度 30 m，梁形和青島地鐵11號線相同，梁端底板同樣采用加寬和加厚處理[17-18]。 對比結果見表7。

圖4 青島地鐵13號線跨中斷面(單位：mm)

表7 青島地鐵11號線和13號線先張法和

從以上2個案例可以看出，先張法和后張法預應力混凝土U梁施工工藝在軌道交通應用領域都是成熟的。后張法使用更為普遍，但先張法預應力混凝土施工無需預留孔道、壓漿及端頭錨具，因此，不存在混凝土振搗不密實，壓漿質量事故。同時，梁端腹板及底板尺寸無需增大，預應力端頭應力不會集中導致端頭混凝土裂紋，影響梁體使用壽命。先張法工藝全梁可采用等截面設計，梁整體剛度無突變，更適合對剛度變化敏感的磁懸浮列車，因此，本項目推薦采用先張法工藝[19-20]。

2.6 鳳凰磁浮文化旅游項目U梁截面設計

通過優化設計，本項目標準跨采用25 m，直線段線間距為4.6 m，跨中為等截面設計，梁高1.7 m，梁頂寬5.05 m，底寬3.75 m，梁端底板加厚，如圖5所示。 跨中所有鋼束均布置在底板上。預應力鋼絞線標準強度為1 860 MPa，錨下張拉控制應力采用1 302 MPa，鋼絞線彈性模量為195 GPa。項目現已開工建設，為第一條采用U梁的磁浮交通工程，預計于2021年年底建成。

圖5 鳳凰磁浮文化旅游項目U梁斷面(單位：mm)

3 結論

(1)旅游軌道交通工程對景觀要求較高。本項目通過優化U梁設計，充分考慮游客視角感受，使U梁造型與周圍環境較好融合。

(2)磁懸浮列車與輪軌列車荷載作用方式不同，進行磁懸浮列車與U梁匹配設計及車-軌-橋耦合分析，通過不斷優化U梁斷面，實現了磁浮列車、軌道和U梁之間的良好匹配。

(3)通過先張法和后張法施工工藝對比，建議采用先張法施工工藝。

(4)綜上分析，U梁在鳳凰磁浮文化旅游項目中應用可行，且經濟合理。