常導磁懸浮車輛支墩支承結構設計探討

1、<p>　　常導磁懸浮車輛支墩支承結構設計探討</p><p>　　摘要:研究目的:磁懸浮列車在軌道上懸浮運行,具有快捷、安全、舒適、低噪聲、無輪軌摩擦、無污染等優(yōu)點,發(fā)展前景十分美好,必將成為21世紀的一種重要的交通工具。本文對常導磁懸浮車輛支墩結構的設計理論進行了探討。</p><p>　　研究方法:上部支承結構計算按門式框架結構進行分析。底梁設計時沿線路縱向取1米寬底梁作為

2、計算單元,按彈性地基梁理論進行內(nèi)力和變形分析。</p><p>　　研究結果:結合磁懸浮工程,對其主要結構———車輛支墩結構設計,從設計荷載、計算模型、計算圖式及結構計算方法、結構構造設計等方面進行了較為詳盡的說明。其設計理論及結構設計方法已經(jīng)用于多項工程實驗。</p><p>　　研究結論:常導磁懸浮車輛支承墩的設計理論及結構設計方法,經(jīng)工程實驗及四年多的運營實踐,證明設計合理、結構安全

3、可靠,滿足懸浮運行的要求,具有一定的推廣價值。</p><p>　　關鍵詞:常導磁懸浮;車輛支墩支承結構;設計;探討</p><p>　　磁懸浮列車在軌道上懸浮運行,具有快捷、安全、舒適、低噪聲、無輪軌摩擦、無污染的優(yōu)點,發(fā)展前景十分美好?？茖W家預言:磁懸浮列車是21世紀的一種重要的交通工具。</p><p>　　磁懸浮列車的基本原理是:利用磁力克服地球引力,使列車

4、在軌道上懸浮,并利用線性直線電機推動前進。與常規(guī)輪軌列車相比,磁懸浮列車主要有以下優(yōu)點:</p><p>　　(1)乘坐平穩(wěn)舒適、噪音低。列車運行時處于懸浮狀態(tài),車身與軌道之間無接觸,傳統(tǒng)輪軌列車系統(tǒng)相互作用引起的振動在這里被消除了,因此運行平穩(wěn),乘坐舒適。由于沒有輪軌之間的撞擊和摩擦,磁懸浮列車運行時的噪音也是非常低的。</p><p>　　(2)占地面積少、轉彎半徑小、爬坡能力強。磁懸

5、浮鐵路占地面積較少,當采用高架線時,其效果將更加突出。充分利用其轉彎半徑小、爬坡能力強的特點,則可適應較為復雜地形的地區(qū),并能大量的減少工程數(shù)量,降低工程造價。</p><p>　　(3)安全可靠。磁懸浮車體兩側是“包”在軌道上的,不存在脫軌掉道的問題。由于采用冗余結構等措施,能確保其安全可靠。</p><p>　　(4)無輪軌磨損,壽命長,機械維修工作量非常低。</p>&

6、lt;p>　　(5)使用電力牽引,無空氣污染,加之其低噪聲的特點,有利于環(huán)境保護,特別適合作為城市內(nèi)和市域區(qū)的交通工具。</p><p>　　1 國內(nèi)外常導磁懸浮開發(fā)研究進程</p><p>　　1.1 國外常導磁懸浮直線電動機車輛及工程的研發(fā)進程簡介</p><p>　　常導磁懸浮直線電動機車輛的研究開發(fā)始于20世紀70年代,它是日本航空公司專為機場高速交通

7、而開發(fā)的車輛交通系統(tǒng),已歷經(jīng)30多年的發(fā)展歷史。它由直線感應電機(Linearinductionmotor)推進,所以又稱為“Linimo”型。在1989年的Yokohama博覽會后,名古屋鐵路集團、愛知縣行政區(qū)和HSST公司聯(lián)合建立了ChubuHSST公司(CHSST)來推進HSST的商業(yè)化。CHSST先后推出了兩種商業(yè)化HSST型號:HSST—100S和HSST—100L,并在名古屋的大江修建了一條1.5km長的試驗線,在上面進行了

8、兩種型號的全尺寸運營試驗。為TKL線設計的TKL“Linimo”列車樣車(屬于HSST—100L型,結構方面有較大改進)也在上面進行了試驗。同時確定了“常導磁懸浮直線電動機車輛”的基本構造。1993年,常導磁懸浮直線電動機車輛在大江試驗線經(jīng)過2年的運行試驗,運輸省得出了“關于實用化,技術層面上沒有問題”的結論,愛知縣得出了“作為城市市內(nèi)交通系統(tǒng),十分實用”的結論。而后開始了以提高系統(tǒng)維護性能和降低費用為目的的研究開發(fā),繼續(xù)進行耐久性試驗

9、。2000年2月,他們又成立了半</p><p>　　為了迎接2005年“愛知”世博會,日本在名古屋(Nagoya)市郊的藤丘(Tobu)至萬博八草(Kyuryo)建設了一條磁浮商業(yè)運營線(也稱東部丘陵線,簡稱TKL)。該線全長9km,全程運行大約需要15min,列車最大速度為100km/h。每天能運送30000名乘客。</p><p>　　1.2 國內(nèi)常導磁懸浮車輛及工程研發(fā)情況簡介&l

10、t;/p><p>　　我國從80年代開始進行磁懸浮車輛研究。并于2001年4月建成了長204m中低速磁懸浮列車某試驗線。2001年11月在北京市科委主持下,邀請國家科技部、某某省科技廳有關領導和包括5位中科院、工程院院士在內(nèi)的國內(nèi)相關領域的專家,通過了中試系統(tǒng)評審。現(xiàn)在,常導磁懸浮直線電動機車輛系統(tǒng)已經(jīng)在試驗線上安全試驗運行了8000km之多。</p><p>　　2 線路及結構的主要特點&l

11、t;/p><p>　　由于磁浮列車系統(tǒng)車輛與軌道之間的無接觸、無磨損的支承和導向,無接觸的牽引和制動特性,對線路的曲線半徑和爬坡能力有了極大改善,使選線有更大的靈活性。</p><p>　　2.1 轉彎半徑小。在曲線地段,為平衡側向自由加速度,不論公路還是鐵路,均設置橫坡(超高)。速度越快,半徑越小,橫坡值越大。由于磁浮列車不存在輪軌接觸,不會脫軌,其運行時也不會對軌道造成磨損,因此,可采用較

12、大的橫坡值;緩和曲線和橫坡的線型,采用正弦曲線,其線型變化是圓順的,動力學特性較佳,不產(chǎn)生突變點,而且其橫坡角度變化完全以舒適度作為控制,不再受到防脫軌的限制。</p><p>　　2.2 爬坡能力強。列車在坡道上運行時,會產(chǎn)生沿坡道向下的重力分力。坡度越陡,載客越多,重力分力越大,對機車的牽引功率和粘軸能力的要求就越高。如法國高速輪軌列車TGV的最大坡度只達到3.5%。磁浮列車的直線電機被直接固定在轉向架上,沒

13、有輪軌粘軸限制,列車的爬坡能力可達到10%。</p><p>　　2.3 磁浮列車的行進必須在地面上有一個堅實可靠的支承和供電系統(tǒng),即線路系統(tǒng)。它包括軌道、線路梁及其支承結構、供電軌和信號系統(tǒng)等。磁浮列車的無接觸支承、導向和驅動就是依靠上述的磁浮列車支承導向系統(tǒng)和軌道反應板相互作用來實現(xiàn)的。軌道結構在構造上應能滿足軌道設備的安裝、固定和界限等要求,并且滿足磁浮列車的穩(wěn)定供電及懸浮、導向和驅動等受力的要求。此外,還

14、必須滿足磁浮列車在不同環(huán)境條件下運行的舒適性和安全性。</p><p><b>　　3 支承結構設計</b></p><p>　　磁懸浮線路工程是一項高科技、高技術含量的軌道交通工程。目前國內(nèi)結構設計均無現(xiàn)成的經(jīng)驗、標準、規(guī)范作為依據(jù)。本著實驗指導設計,設計依靠實驗的原則,在某試驗線建成后,經(jīng)過4年多運行實驗,取得一些工程設計所需的相關資料或數(shù)據(jù)。下面對支墩型式的支承

15、結構設計作一介紹。</p><p>　　3.1 設計規(guī)范及設計荷載</p><p>　　3.1.1 采用設計規(guī)范</p><p>　　(1)《鐵路路基支擋結構設計規(guī)范》(TB10025—2001)</p><p>　　(2)《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB1002·1—99)</p><p>　　(3)《鐵路橋

16、涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范》(TB1002·3—99)</p><p>　　(4)《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》(TB1002·5—99)</p><p>　　(5)《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GBJ111—87)</p><p>　　3.1.2 采用設計荷載</p><p>　　3.1.2.1 列車活載:<

17、;/p><p>　　列車活載為均布活載。列車車長XXm,為均布活載。每延米XXkN/m。設計加載時,對結構設計分別按一輛車、兩輛車……五輛車分別加載,取其最不利工況進行設計。</p><p>　　列車荷載沖擊系數(shù)取0.XX。</p><p>　　曲線門式框架結構的離心力率C值計算參見《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》。</p><p>　　3.1.2.2

18、恒載:</p><p>　　(1)線路設備重—含導軌、鋼枕、反應板、軌枕下橡膠墊板及與門式框架結構聯(lián)接用的錨固螺栓等。</p><p>　　(2)門式框架結構兩側的供電軌,其恒載共計每延米XXkN/m。</p><p>　　3.1.2.3 最大牽引力XXkN/m。</p><p>　　3.1.2.4 最大制動力XXkN/m。</p>

19、;<p>　　3.1.2.5 地震力計算按《鐵路工程抗震設計規(guī)范》設計,并采取相應的抗震措施。</p><p>　　設計荷載組合如表1所示。</p><p>　　3.2 計算圖式及結構計算</p><p>　　3.2.1 計算圖式</p><p>　　(1)動力分析模型圖式如圖1所示。</p><p>　

20、　(2)活載計算縱向圖式如圖2所示。</p><p>　　(3)活載計算橫向圖式如圖3所示。</p><p>　　3.2.2 結構計算</p><p>　　3.2.2.1 上部支承結構計算(包括:縱梁、橫梁、支墩)。</p><p>　　3.2.2.1.1 縱梁計算</p><p>　　(1)單元劃分:在支墩、距支墩1

21、/2及距支墩1/4處截面處均應設置節(jié)點。</p><p>　　(2)按門式框架結構進行分析。</p><p>　　3.2.2.1.2 橫梁計算</p><p>　　(1)橫梁板的計算。</p><p>　　(2)橫向閉合框架計算橫梁。</p><p>　　3.2.2.1.3 支墩計算</p><p&

22、gt;<b>　　(1)支墩的計算。</b></p><p>　　(2)端部錨固區(qū)段局部應力計算。</p><p>　　3.2.2.1.4 局部計算</p><p>　　支墩底部的局部承壓。</p><p>　　3.2.2.2 下部支承結構(底板、或稱底梁)</p><p>　　作用在底板的恒載為

23、門式框架結構自重、底板自重?；钶d為磁懸浮列車荷載。</p><p>　　3.2.2.2.1 底梁設計時沿線路縱向取1m寬底梁作為計算單元,按彈性地基梁理論進行內(nèi)力和變形分析。</p><p>　　3.2.2.2.2 內(nèi)力和變形計算———根據(jù)彈性半無限體理論,彈性地基梁的撓度曲線微分方程為</p><p>　　式中　E、u、I———彈性地基梁的彈性模量、泊松比、慣性矩

24、;</p><p>　　q(x)———地基梁所受荷載;</p><p>　　P(x)———地基的反力。</p><p><b>　　靜力平衡條件</b></p><p><b>　　ΣQ=0;ΣM=0</b></p><p>　　變形協(xié)調(diào)條件　梁的撓度等于地基的沉陷變形。由于

25、彈性地基梁所受荷載類型復雜,曲線微分方程中待定系數(shù)多,計算工作大。采用近似按平面應變問題處理?？珊喕嬎愎ぷ?。</p><p>　　計算時將底板上分布的荷載類型(均布荷載、集中荷載、力偶荷載)分別進行內(nèi)力、變形計算,再疊加。</p><p>　　3.2.2.2.3 手算公式———手算時采用彈性半無限體理論分析法中的級數(shù)法,這種方法已有備表。計算用表可查詢鐵路工程設計技術手冊《橋梁地基與基礎

26、》中的有關章節(jié)。不再敘述。</p><p>　　3.2.3 結構物計算主要技術要求</p><p>　　3.2.3.1 主要技術標準</p><p>　　(1)結構物使用壽命:100年。</p><p>　　(2)結構物的設計烈度按地震烈度提高1度考慮。</p><p>　　3.2.3.2 計算方法-鋼筋混凝土結構按容

27、許應力法。</p><p>　　3.2.3.3 主要材料</p><p>　　(1)混凝土及鋼筋混凝土均采用C25。</p><p>　　(2)鋼筋螺紋筋采用HRB335鋼筋,光鋼筋采用HPB235鋼筋。</p><p>　　3.3 結構計算具體步驟簡述</p><p>　　本結構設計計算分為支墩、縱梁、橫梁、圈梁、底

28、板、車擋共計6個部分。其中底板采用現(xiàn)場澆注C25鋼筋混凝土條形整體底板,并與支墩澆注成整體;車擋采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)場澆注臺階形整體結構,設置于底板上部,并與底板及支墩澆注成整體;支墩與縱梁、支墩及橫梁均采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)場澆注,由于本次設計采用門式框架結構,所以一根橫梁聯(lián)接兩根支墩,支墩縱向間距采用2.40m,橫向間距采用1.0m,支墩與橫梁均采用等截面正方形設計。縱梁沿線路方向將支墩連接成整體,縱梁截面0.4m×0.

29、2m,并與支墩及橫梁澆注成整體。圈梁采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)場澆注長方形結構,四角與支墩連接成整體。結構計算采用容許應力法,具體計算方法如下:</p><p>　　3.3.1 縱梁計算</p><p>　　3.3.1.1 內(nèi)力(彎矩、剪力、支座反力)計算:采用兩端固定梁方法,受均布荷載作用。計算它的最大彎矩和支座反力或剪力,采用其中最大值配鋼筋。采用的公式如下:</p><

30、;p>　　式中　Mmax———均布荷載作用下產(chǎn)生最大彎矩(kN·m);</p><p>　　RA、RB———均布荷載作用下兩端支座點的反力(kN);</p><p>　　q———作用在縱梁上的均布荷載(kN/m);</p><p>　　l———縱梁的跨度(m);</p><p>　　x———0.211l或0.789l。<

31、/p><p>　　3.3.1.2截面設計:根據(jù)已知荷載和材料來選擇混凝土和鋼筋的截面尺寸,并結合鋼筋的直徑和根數(shù)布置鋼筋。</p><p>　　(1)首先假設梁寬b,計算有效高度h0。</p><p><b>　　采用的公式如下:</b></p><p>　　式中　Ag———受拉鋼筋總截面積;</p><

32、p>　　C2、C4———截面系數(shù)(可查表,見鐵路工程設計</p><p>　　技術手冊《路基》附錄),其余符號同前。</p><p>　　(2)計算梁的配筋率μ</p><p><b>　　μ=Ag/bh0</b></p><p>　　(3)強度復核:截面強度復核是根據(jù)已知截面,驗算鋼筋和混凝土的應力是否超出規(guī)范規(guī)

33、定的允許應力,或驗算鋼筋和混凝土的抵抗彎矩是否大于或等于最大荷載彎矩。</p><p><b>　　采用的公式如下:</b></p><p>　　式中 σg———受拉鋼筋的應力;</p><p>　　σh———混凝土應力;</p><p>　　[σg]—鋼筋的容許拉應力;</p><p>　　[σ

34、w]—混凝土彎曲受壓時的容許壓應力;</p><p>　　x———中行軸位置;</p><p>　　z———內(nèi)力偶臂長,其余符號同前。</p><p>　　3.3.1.3 剪應力計算:</p><p>　　(1)首先計算矩形截面的剪應力采用的公式如下:</p><p>　　式中　Qmax———某一截面的剪力;</

35、p><p>　　[σzl-3]———全由混凝土承受主拉應力,其余符號同前。</p><p>　　然后用Qh=0.07Ra×b×h0≥KQ來應算斜截面抗剪強度。</p><p>　　(2)當梁支座截面處的剪應力τ0max&lt;[σzl-2]或Qh&gt;KQ時,箍筋與斜筋可按構造要求設置,不再進行計算。</p><

36、p>　　當[σzl-1]&gt;τ0max&gt;[σzl-2]或者Qh≤KQ時,則必須設計剪力鋼筋來承受主拉應力。</p><p><b>　　采用的公式如下:</b></p><p>　　式中　[σzl-1]———有箍筋及斜筋的混凝土主拉應力;</p><p>　　[σzl-2]———無箍筋及斜筋的混凝土主拉應力;&l

37、t;/p><p>　　ω———斜筋承受的剪應力圖面積;</p><p>　　n———每道箍筋的支數(shù)或斜筋的根數(shù);</p><p>　　αω———每根斜筋的截面積;</p><p>　　Aω———所需配筋的總面積;</p><p>　　αk———每支斜筋的截面積;</p><p>　　S———箍筋的間

38、距,其余符號同前。</p><p>　　3.3.1.4 裂縫檢算:</p><p><b>　　采用的公式如下:</b></p><p>　　式中　σg———受拉鋼筋的應力;</p><p>　　d———受拉鋼筋直徑;</p><p>　　Eg———鋼筋彈性模量;</p><p

39、>　　μz———受拉鋼筋有效配筋率;</p><p>　　γ———距離比值,可取1.1~1.2,其余符號同前。</p><p>　　當δfmax在主力作用下小于0.2mm時,在主力及附加力作用下小于0.25mm,認為滿足要求。</p><p>　　3.3.2 車擋結構設計</p><p>　　車擋所受的力為集中力,首先計算截面所受的剪力

40、和彎矩。在根據(jù)彎矩的大小,進行車擋截面的設計和鋼筋的配置。第三步,根據(jù)彎矩的大小、鋼筋的配置多少以及截面尺寸,來進行截面強度的復核,計算鋼筋和混凝土的應力。第四步對薄弱斷面進行截面設計檢算和剪應力計算。以上第三步和第四步計算結果均必須小于規(guī)范規(guī)定的允許值,否則要重新修改截面的尺寸或者多配置鋼筋來滿足工程設計要求。</p><p><b>　　4 結束語</b></p><

41、p>　　經(jīng)過國內(nèi)外30多年來,對常導磁懸浮直線電動機車輛的開發(fā)研究及耐久性試驗。尤以它在軌道上懸浮運行時,所具有的快捷、安全、舒適、低噪聲、無輪軌摩擦、無污染等特殊優(yōu)點。這種面向未來的環(huán)保型地面運輸系統(tǒng)———磁懸浮系統(tǒng)工程,必將成為21世紀的一種重要的城市及市域軌道交通系統(tǒng)。</p><p>　　本文重點介紹了磁懸浮工程支墩型式支承結構設計,筆者認為,此方法是設計中可采用的一種計算方法,僅供同仁們參考。&l

42、t;/p><p><b>　　參考文獻:</b></p><p>　　[1]陽建鳴編譯.日本常導磁懸浮直線電動機車輛33年的實用化進程[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2005,(4):48-50.</p><p>　　[2]胡人禮.鐵路工程設計技術手冊·橋梁地基和基礎[M].北京:中國鐵道出版社,1991.</p><p&g