淺談中低速磁浮常用跨度梁設計

謝　華， 周永禮

(中鐵二院工程集團有限公司土建一院，四川成都 610031)

中低速磁浮交通具有噪聲低、列車爬坡能力大、轉彎半徑小等優點,是未來軌道交通發展的一個重要方向，具有廣闊的前景。但是，目前總體上是處于探索試驗階段，商業運營線很少，缺乏系統和完善的技術標準，分析軟件也不成熟。

磁浮交通橋梁的結構形式、橋梁結構適宜的基本跨度、 列車對橋梁的沖擊效應橋梁的變形及剛度控制等問題是磁浮軌道交通橋梁結構設計的關鍵問題。

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：軌道梁結構和作為初級支承結構的橋梁+承軌梁結構。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構；后者一般以橋梁為初級支承結構，軌道支承設在橋梁頂面承軌梁上。由于低速磁浮軌道交通是直線感應電機系統，因此橋梁跨度的確定不需要考慮的系統模數，軌道梁跨度可以根據經濟性、標準化要求，因地制宜確定。從減小混凝土體量，節約工程投資角度出發，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構形式，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構在上述方面尚需進一步的研究、優化(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，車輛需要抱梁運行，軌道梁梁體截面的上部位于車體內部的部分，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置超高，由于梁體上部截面又位于車輛內部，所以軌道梁常常需隨軌面變化扭轉。

軌道梁結構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構。盡管這種結構梁部體量較小，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，因此曲線梁體均為空間實體，施工工藝復雜，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。目前個別線路也嘗試梁體不進行扭轉,軌道的超高完全由梁上的軌道結構實現,但該種方式必將引起梁上軌道結構及梁體兩側的供電軌結構安裝困難(圖2)。

圖2　軌道梁效果圖

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

圖3　梁上承軌梁橫斷面

梁上承軌梁結構上層為承軌梁、下層為橋梁結構。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構，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要求可以通過調整承軌梁的兩個腹板很方便的實現。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的要求限制，可以按一般橋梁結構設計，橋梁結構具有更大的跨越能力橋梁的截面形式也可以更加多樣化。梁上承軌梁結構，可以在橋面設置疏散平臺，橋梁逃生救援及檢查維修都比較方便。同時寬大的橋面為通信、信號以及電力的電纜鋪設提供了更多的空間，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

軌道梁結構常用的施工方法是梁場預制、運架施工。軌道梁結構梁體工廠預制偏差可以控制在1 cm以內，梁體架設偏差一般可以控制在2.5 cm以內，兩項偏差疊加，軌道梁結構偏差會達到3.5 cm。梁上承軌梁結構常用的施工方法是，下部橋梁梁體預制運架或現澆施工，梁上承軌梁部分待下部橋梁施工完成后，再現澆施工。梁上承軌梁結構上部的承軌梁施工偏差大約在1.5 cm以內，而下部橋梁結構的施工偏差不會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。

2　橋梁基本跨度

根據鐵路和城市軌道交通橋梁建設經驗，高架橋的經濟跨度都在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橋梁結構形式的不同多有不同，多集中在30 m以下。表1為現有磁浮軌道交通中采用的跨度[1]。

表1　國內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構時，橋梁的跨度多集中在25 m以內，當采用梁上承軌梁結構時橋梁的跨度可以適當加大，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，常用的軌道梁結構跨度常常較小。由于受剛度及變形控制等多方面因素的控制，當采用梁上承軌梁結構時，橋梁的基本跨度比輪軌系統稍小，但差異不大。

3　橋梁動力效應研究

磁浮車輛通過軌道梁時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生振動的同時也會受到軌道梁振動的影響，而軌道梁的振動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主動控制的有源時變力。磁浮車輛上的懸浮控制器可以根據安裝在懸浮架底部傳感器的反饋信號，依照一定的算法產生合適的時變控制電壓，再由該控制電壓驅動產生時變電流，并因此產生時變控制電磁力，以此時變力來調整磁浮車輛，從而達到始終維持懸浮間隙在額定懸浮間隙上下波動的目的[2]。這也是導致磁浮系統本身是一個不穩定系統的原因。對于這一新型軌道交通，磁浮系統車橋動力分析尤為重要。

以株機廠中低速磁浮試驗線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)，并進行了相關的動力分析。和現場實測試驗結果進行了對比(表2)。

通過計算，在磁浮車輛以10～80 km/h速度范圍通過20 m簡支梁時，車體的最大加速度0.187 m/s2。簡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。參照輪軌車橋動力響應中車輛及無砟軌道橋梁評價指標，以上計算結果均小于限值，表明該梁按撓跨比1/4600，每延米質量3.5 t設計具有良好的動力性能。

圖5　磁浮交通系統車橋動力仿真分析模型

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

4　橋梁沖擊效應研究

軌道梁結構在車輛動載作用下的沖擊效應研究是車橋耦合作用問題研究中的一個重點內容。目前，相對于中低速磁浮軌道梁，普通輪軌作用下軌道梁結構的沖擊效應研究較成熟，磁浮交通發展較晚，其車輛對橋梁的作用方式又完全不同與傳統的輪軌交通，因此各國規范在制定磁浮車輛對橋梁的沖擊系數時又各有不同。為此，在株機廠試驗線中，重點對磁浮橋梁的沖擊效應進行了相關研究。通過研究沖擊效應與磁浮車輛車速、車體質量、阻尼比、橋梁跨度及截面形式等方面關系，提出影響橋梁動力系數的主要參數有：各階模態阻尼比、頻率比、荷載長度與橋梁跨度之比和車速，當各階模態阻尼比和荷載長度確定時，可以認為橋梁的動力系數僅與頻率、車速和跨度相關。定義無量綱參數基頻比，

根據運算結果，得到動力系數與基頻比相關的散點圖(圖6)。

圖6　跨中位移動力系數

由圖6可知：

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

(2)在一定基頻比范圍內，簡支梁跨中動力系數隨基頻比的增大有增大趨勢。

(3)基頻比一定時，簡支梁跨中動力系數值處在與基頻比成線性關系的兩條線包絡的區間內，包絡線區間如圖6所示，包絡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，尚處于發展初期，本文研究內容僅在磁浮軌道交通橋梁的基本結構形式、基本跨度、橋梁的動力性能及沖擊效應進行了初步探討，研究內容在一定程度上基于我院在南車株機中低速磁浮試驗線上的工程建設及研究成果，但由于該線為試驗線，橋梁梁型單一，期待在以后的商業運營線中對相關研究成果進一步完善。