中低速磁浮線連續彎梁設計研究

顏志華

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,300142,天津∥工程師)

常導中低速磁浮列車作為一種新興的交通技術,以其安全、舒適等特點受到交通運輸業內人士的關注。中低速磁浮唐山試驗線位于唐山機車車輛工廠北側,正線全長1546.8 m。中低速磁浮列車具有轉彎半徑小、爬坡能力強的特點。唐山試驗線在半徑為100 m的曲線地段采用連續梁,跨度為17.7 m+27 m+17.7 m。本文以該曲線地段為依托,對中低速磁浮線軌道梁設計進行初步探討。

1 結構設計

1.1 軌道梁截面

17.7 m+27 m+17.7 m連續梁為了滿足車輛限界和軌道安裝及承軌臺預埋件的要求,截面設計成以鋼軌頂面中心為旋轉中心的傾斜箱形截面。其中,圓曲線上按6°設置超高,曲線超高在緩和曲線范圍內線性變化,超高順坡為線性順坡,超高橫坡漸變率為10′/m。在平面上,由鋼軌頂面中心坐標推算出梁頂面中心坐標,形成平面曲線。整體看,連續梁形成空間斜彎梁橋。為滿足橋梁傾斜,支點處加寬加高,并保持底面水平,以利于支座安裝(見圖1)。

1.2 預應力鋼束與防崩鋼筋布置

由于箱梁梁內空間很小,無法實現梁內進人張拉,故底板和腹板鋼束采用通長束。頂板束采用扁錨,其中一束通長,另外兩束在中跨跨中截斷,并錨固于頂板。

當梁的曲率半徑很小時,預應力在其長度范圍內對混凝土施加很大的徑向分布力。在設計中,除考慮預應力鋼筋之間以及預應力鋼筋與混凝土之間的局部承壓作用外,還要考慮預應力鋼筋和梁的內側之間的混凝土必須有足夠的厚度,以防止預應力鋼筋的崩彈作用。構造上設置一定數量系筋,可以使徑向力傳遞給混凝土和相反方向的普通鋼筋。

1.3 軌道梁橋面與軌道的連接

軌道梁橋面與軌道采用承軌臺上置式連接方式。即制梁時在梁頂預埋承軌臺鋼筋,架梁后現澆承軌臺,安裝軌道。曲線地段及變坡段豎曲線上采用調整承軌臺的高度來適應軌道線形。承軌臺的最小高度為130 mm。該方式較易控制系統的高度,對梁部影響不大,施工方便,易于控制軌道的系統誤差。

圖1 跨中和支點截面

1.4 軌道梁的橫向穩定性

《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》規定,在計算荷載最不利組合作用下,梁式橋跨結構橫向傾覆穩定系數不應小于1.3。為了滿足橫向穩定性,可以加大梁底橫向尺寸,并相應加大橋梁墩臺尺寸。但這樣對梁部的經濟性、美觀性都是不利的。尤其中低速磁浮線多用于城市附近或市內,更不宜采用加大梁底截面的方法。17.7 m+27 m+17.7 m連續曲梁曲率很大,扭轉作用很明顯。為保證其橫向穩定性,采取了在支點處增大梁寬,加大支座橫向間距,設置拉力支座等構造措施,來滿足橫向穩定性的要求。

2 結構計算分析

2.1 設計荷載

(1)列車活載為22.9 kN/m均布荷載;

(2)列車沖擊系數取1.1;

(3)列車制動力取3.0 kN/m,緊急制動力取4.6 kN/m;

(4)支點不均勻沉降取1 cm;

(5)整體升溫按25℃計算,整體降溫按-20℃計算。

2.2 計算模型

由于連續曲梁截面斜置,其實際結構為復雜的空間扭轉曲線箱梁。與直線梁相比,曲線梁由于受到曲率的影響,即使外荷載的作用線通過梁的剪力中心,曲線梁載發生豎向彎曲的同時,也還要發生扭轉。這種彎曲與扭轉相互耦合作用,使得曲線梁的結構分析十分復雜。因而,連續梁采用MIDAS程序建立空間模型進行整體分析,并采用ASCB程序進行校核。另外,由于連續梁曲率很大,在支座處產生很大扭矩,有可能出現負反力。為真實模擬支座,設置模擬支座的桿單元,并通過剛性連接與梁體單元連接(見圖2)。

圖2 連續梁模型

2.3 計算結果

2.3.1 應力和強度

連續梁的應力分布比較復雜,主要考察邊跨跨中、中跨跨中、支點等關鍵部位。表1僅列出上述部位在主力組合下的應力。

主力作用下強度安全系數最小為3.40,主力+附加力組合作用下強度安全系數最小為3.29;軌道梁在各種荷載組合作用下均滿足《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》要求。

2.3.2 變形

17.7 m+27 m+17.7 m連續梁在相應荷載下的變形見表2。

表1 17.7 m+27 m+17.7 m連續梁應力計算結果

表2 17.7 m+27 m+17.7 m連續梁變形計算結果

《新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定》對梁體變形有如下要求：在活載作用下,梁端豎向折角不大于1.0‰;在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度作用下,梁體水平撓度應小于或等于梁體計算跨度的1/4 000;無砟橋面梁的徐變上拱值不應大于10 mm。《高速磁懸浮暫行規定》對高速軌道梁在荷載作用下的變形要求為：在垂向均布荷載和側向均布荷載的共同作用下,連續軌道梁中跨垂向撓度小于或等于梁體計算跨度的1/4 000,邊跨垂向撓度小于或等于梁體計算跨度的1/4 800,連續軌道梁中跨側向撓度小于或等于梁體計算跨度的1/15 000,邊跨側向撓度小于或等于梁體計算跨度的1/18 000。

長沙試驗線對于24 m、3×20 m、18m梁跨的撓跨比分別為 1/3 272(裸梁)、1/3 420(裸梁)、1/5 841(鋪設軌道),由于中低速磁浮列車的速度較小,都能滿足運行要求。上述梁跨的梁端轉角分別為 0.001 03 rad 、0.000 6 rad 、0.000 58 rad。

為了更好地控制系統誤差,滿足軌道穩定性和平順性,參照以上規定,結合磁浮試驗線軌道運行的特點,并參考既有中低速磁浮試驗線的研究結論,提出以下控制條件：豎向撓跨比不大于1/3 800,梁端豎向折角不大于0.001 rad,徐變上拱值按5 mm控制。計算結果表明,連續梁變形均符合上述要求。

2.3.3 動力性能

運用MIDAS建立了17.7 m+27 m+17.7 m連續梁空間模型,計算所得其自振頻率和各模態振型方向如表3所示。

表3 特征值分析結果

從表3可以看出：第一階振型3個方向均有參與,且比例相當,因此是一個復雜的自振模態;直到第6階振型才以豎向振動為主,此時自振頻率為12.362 Hz。

長沙試驗線的測試結果為：24 m、3×20 m、18 m梁的一階豎向自振頻率分別為6.1 Hz、8.1 Hz、9.6 Hz。24 m簡支梁對應上述三種規范計算的一階自振頻率分別為 1.91 Hz、5 Hz、3.33 Hz;3×20 m連續梁對應三種規范計算的一階自振頻率分別為2.29 Hz、4.62 Hz、3.08 Hz;18 m 簡支梁對應三種規范計算的一階自振頻率分別為2.55 Hz、6.67 Hz、4.44 Hz。

為安全計,建議設計速度為150 km/h的磁浮線路,橋梁豎向自振頻率n0＞64/L。以設計速度150 km/h計,17.7 m+27 m+17.7 m連續梁按照《高速磁懸浮暫行規定》一階自振頻率限值是2.20 Hz,按照《新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定》一階豎向自振頻率限值是5.77 Hz。計算結果表明,17.7 m+27 m+17.7 m連續梁滿足上述規范要求。

3 施工方法

連續梁采用滿堂支架現澆法施工。在靜載及活載作用下,結構縱向、橫向處于整體工作狀態,因此施工中支架、混凝土澆筑、預應力張拉、卸架都應盡可能使全橋受力協調。為此必須保證混凝土對稱澆筑和預應力鋼束對稱平衡張拉。由于梁體截面較小,為便于拆除內模,在中支點處腹板厚度沒有加厚。

4 結語

17.7 m+27 m+17.7 m斜彎連續梁在各種工況作用下的應力和強度滿足中低速磁浮線的要求,具有足夠的豎向、橫向和抗扭剛度,以及良好的動力特性。希望這一結論能為今后同類橋梁的設計提供參考。

[1] 中華人民共和國鐵道部.新建時速 300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定[S].2007.

[2] T B 10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范[S].

[3] T B 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].

[4] Q/CYBGM J 001—2008 中低速磁浮交通設計規范[S].

[5] 中華人民共和國鐵道部.新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定[S].2005.