中低速磁浮交通軌道結構變形特性研究

李亞敏

（長沙穗城軌道交通有限公司，湖南 長沙 410000）

中低速磁浮交通系統采用常導電磁吸式技術，實現磁浮車輛與軌道之間保持8mm 懸浮間隙的穩定無接觸運行，具有無摩擦、振動小、安全性高、綠色低碳等優勢，具有很好的市場前景。中低速磁浮交通系統軌道結構作為支承、傳遞車輛載荷的基礎，其整體結構必須具備足夠的剛度和強度；上部軌排作為車輛與軌道之間動力相互作用的界面，必須保持足夠精度的幾何形狀與位置，因此軌道結構及部件必須具有足夠高的可靠性和耐久性，從而保證交通車輛能夠長期安全、穩定、舒適運行。

針對中低速磁浮交通系統軌道結構性能分析，國內很多學者開展了相關研究。劉建超、趙春發[1]等分析了溫差和列車載荷作用下的中低速磁浮軌道結構的豎向和縱向位移響應；朱曉嘉[2]等分析計算了中低速磁浮試驗線軌道梁的強度性能；屈超廣[3]等基于橡膠超彈性理論分析了中低速磁浮軌道扣件的垂向靜剛度；楊光[4]通過理論分析研究了中低速磁浮試驗線和長沙磁浮機場線中簡支梁的系統動力響應；李偉強[5]等分析了墩柱沉降、梁體豎向轉角和梁體豎向錯臺引起的中低速磁浮軌道F 軌豎向變形；劉鳴博[6]等研究了鋼箱梁頂面和底面間溫度差的概率分布特征。為了評估中低速磁浮軌道結構的變形特性，本文以長沙磁浮快線軌道結構為基礎，通過建立箱型軌道梁模型，仿真計算不同載荷作用下的軌道結構的變形特性，并通過設計規范進行對比校核，以確定是否滿足運行要求。

1 中低速磁浮軌道梁結構

長沙磁浮快線軌道結構為HSST 系統箱型簡支梁結構形式，整體結構由軌排系統、接頭、扣件、承軌臺和混凝土梁組成，其中軌排系統包括F 軌、軌枕、鋁反應板和連接螺栓等組成。具體軌道結構如圖1 所示。

圖1 中低速磁浮軌道結構圖

本文分析對象為25m 跨度的混凝土箱型軌道梁結構，軌道梁采用C50 混凝土預制，承軌臺采用C40 混凝土澆筑。本文基于虛擬樣機技術建立了25m 跨度的中低速磁浮整體軌道梁結構分析模型。

2 軌道梁結構計算載荷

列車在各種工況下主要需要考慮動、靜態載荷及分布情況、動力系數等，在豎向上軌道所受載荷主要分為三種工況：靜浮狀態穩定懸浮工況下荷載、靜止狀態滑橇支撐工況下荷載及靜止狀態支撐輪支撐工況下載荷。

2.1 靜浮狀態穩定懸浮工況下荷載

磁浮列車懸浮狀態載荷指的是在整車懸浮狀態下，軌道結構所承受的豎向力，懸浮力的荷載值及其分布如圖2 所示。

圖2 懸浮狀態載荷圖

該荷載是指磁浮列車正常靜止懸浮狀態下軌道所受荷載。該荷載在列車懸浮時候均勻分布在5 個懸浮架上，磁浮軌道所受荷載近似于均布線性荷載作用。超載狀態下，均布載荷Fz1=25.8kN/m（根據滿載狀態下車輛總重35t 計算）。

按照《中低速磁浮交通設計規范》[7]要求，列車運行過程的活載動力系數計算公式如下：

式中，L 為橋梁跨度。

當簡支梁的跨度為25m 時其動力系數為1.267，因此本報告采用1.0、1.3、1.5 倍磁浮列車靜浮狀態下懸浮載荷來分析軌道結構變形。

2.2 靜止狀態滑橇支撐工況下荷載

靜止狀態滑橇支撐工況下荷載是指磁浮列車靜止停放在F-軌上方時，車輛通過垂向滑橇直接作用于F-軌上的豎向力（即車重和有效荷載之和），如圖3 所示。磁浮車輛轉向架的前后垂向滑橇間距為2510mm，單個垂向滑橇的支撐力為17.5kN，整節車輛重力為 350kN。

圖3 靜止狀態滑橇支撐載荷圖

2.3 靜止狀態支撐輪支撐工況下載荷

靜止狀態支撐輪支撐工況下載荷是指磁浮列車由支撐輪支撐在F-軌上的豎向力，如圖4 所示。同一懸浮架前后液壓支撐輪的間距為2080mm，單個滑輪的支撐力為10.5kN。

圖4 靜止狀態支撐輪載荷圖

3 軌道梁結構變形特性分析

3.1 靜浮狀態穩定懸浮荷載作用下軌道結構響應

通過計算，軌道梁的變形呈現為U 型，靜浮狀態穩定懸浮荷載作用下F-軌的垂向位移最大值為4.125mm。由于F-軌處在軌道結構的左右兩邊，在車輛懸浮載荷的作用會出現向外傾斜，即F-軌內外側磁極面會出現垂向的位移偏差。

通過數據分析，F 軌垂向位移和最大位移差出現軌道結構的跨中處，F 軌外側磁極面的最大垂向位移為4.125mm，內外側磁極面垂向最大位移差為0.283mm。在1.3倍懸浮荷載工況下，F軌的最大垂向位移為5.405mm，內外側垂向位移差為0.368mm。在1.5 倍懸浮荷載工況下，F 軌的最大垂向位移為6.236mm，內外側垂向位移差為0.425mm。在上述工況下，F-軌的內外側垂向位移差小于抑制懸浮架側向滾動的規定限值0.5mm[8]。

3.2 靜止狀態滑橇支撐工況下軌道結構響應

通過對靜止狀態滑橇支撐工況下軌道結構動態響應分析，車輛垂向滑橇在F-軌接觸點的垂向位移較大，F-軌的最大垂向位移為3.53mm。靜止狀態滑橇支撐工況下F-軌磁極面的最大垂向位移差為0.233mm，小于抑制懸浮架側向滾動的規定限值0.5mm[9]。

3.3 靜止狀態支撐輪支撐工況下載荷

通過分析，支撐輪與F-軌接觸處的垂向變形較大，F-軌的最大垂向位移為3.278mm。車輛靜止狀態支撐輪支撐工況下載荷作用下F-軌的磁極面的最大垂向位移差為0.154mm，小于抑制懸浮架側向滾動的規定限值0.5mm[10]。

4 結論

本文以長沙磁浮快線軌道結構為基礎，基于虛擬樣機技術建立了箱型軌道梁有限元模型，仿真計算了在磁浮車輛懸浮荷載、滑橇載荷和支承輪載荷作用下的軌道結構的變形特性，得到以下研究結論。

在車輛靜止穩定懸浮荷載作用下、1.3 倍和1.5 倍車輛靜止穩定懸浮荷載作用下，F 軌最大垂向變形為6.236mm，F-軌的磁極面最大垂向位移差為0.425mm，均符合設計規范要求。

在車輛靜止狀態滑橇支撐和支撐輪支撐工況荷載作用下，F-軌最大垂向變形為3.53mm，F-軌的磁極面最大垂向位移差為0233mm，符合設計規范要求。

上述工況下的F-軌磁極面垂向位移差還具有一定的優化空間，后續可通過進一步優化結構尺寸降低建設成本。