中低速磁浮交通简支轨道梁设计研究

中低速磁浮交通简支轨道梁设计研究耿杰【摘要】为研究选择合适的中低速磁浮交通简支轨道梁结构型式,基于中低速磁浮交通的特点,分析国内外磁浮线路的桥梁型式及跨度;以长沙中低速磁浮为工程背景,在满足使用功能、技术经济性、美观及养护等要求下,对比分析了各梁高、梁型条件下轨道梁的差异,研究选取合理桥梁跨度、结构型式,并对梁部的构造设计和接口设计进行了初步的论述.得出以下结论:(1)对比国内外磁浮线路的桥梁型式及跨度,综合已建工程实例和长沙磁浮工程可行性研究及初步设计阶段比较结果,高架区间拟采用梁高2.1m、跨度25 m简支梁为主;(2)综合考虑技术经济性、施工便捷性、线路后期维护、景观效果等,轨道梁采用并置单线箱梁方案;(3)针对轨道梁进行横联设计及曲线轨道设计,同时兼顾桥上设备、电缆等的布置及疏散、检修通道的空间设置,完成其接口设计.【期刊名称】《铁道建筑技术》【年(卷),期】2018(000)011【总页数】6页(P16-20,71)【关键词】中低速磁浮;梁上梁;单线U梁;并置单线箱梁【作者】耿杰【作者单位】中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉430063【正文语种】中文【中图分类】U442.5;U237目前，城市轨道交通正向多元化发展，地铁、轻轨、磁浮等构成城市综合交通网络，中低速磁浮交通作为又一种快速、高效、环保、高技术含量的运输方式，正受到社会越来越广泛的重视，且国内外均有试验线建成［1-7］。

近年来，伴随着磁浮建设的逐步发展，磁浮轨道高架桥梁的设计等问题的探究受到越来越多的关注，已发表一定数量的研究成果［8-10］。

其中，梁潇用我国已有磁浮试验线建设经验与验证结果设置有关技术参数，以及长沙磁浮工程实施过程中应用实践，研究了中低速磁浮轨道梁的特点和主要技术标准；颜志华于唐山试验线及现场试验结果对比分析了轨道梁结构形式、力学性能、刚度和动力性能、横向稳定性。

然而，中低速磁浮交通多采用高架线路，国内至今没有正式发布关于中低速磁浮交通轨道桥梁的设计规范，对轨道桥梁设计方面未有系统深入的研究。

因此，有必要研究分析中低速磁浮轨道桥梁的合理跨度、桥型和构造设计。

本文基于长沙中低速磁浮工程为背景，对比国内外磁浮线路的桥梁型式及跨度，在满足使用功能、技术经济性、美观及养护等要求下，对比分析了各梁高、梁型条件下轨道梁的差异，研究选取合理桥梁跨度、结构型式、梁部构造设计、接口设计，为中低速磁浮高架桥梁设计提供建议。

1 国内外现状磁悬浮轨道交通高架桥梁的结构体系、施工技术等理论在国内外都处于初期阶段，其独特的抱轨运行模式，有别于轮轨交通桥梁，其不仅承受列车荷载的承重，同时也是车辆走行轨道和供电信号通信等缆线的载体，因此其梁跨、截面形式等是在普通铁路、公路桥梁研究的基础上，满足其特殊构造要求及运营安全舒适性来确定。

德国Emlsand高速磁浮试验线主要两种型式：一是跨径25 m、梁高1.8 m的三角形断面型式简支预应力混凝土梁，二是跨径约25 m的两跨连续钢梁（见图1、图2）。

上海浦东的高速磁浮示范运营线主要由跨径24 m的简支梁和个别跨径较大的结合梁、钢梁组成，其最大跨径为43 m（见图3、图4）。

日本中低速磁浮东部丘陵线轨道梁跨度主要分布在15～30 m之间，目前跨径最大的桥梁是日本高速磁浮山梨线上的小形山桥，为跨径138.5 m的尼尔森体系系杆拱，钢箱梁拱肋高23 m，横梁跨径约15 m（见图5、图6）。

唐山中低速磁浮试验线以20 m 简支梁为主（见图7、图8）。

图1 德国埃姆斯兰高速磁浮线混凝土轨道梁截面形式（单位：m）图2 德国埃姆斯兰高速磁浮线图3 上海浦东高速磁浮运营线轨道梁构造（单位：mm）图4 上海浦东高速磁浮运营线图5 日本中低速磁浮东部丘陵线桥梁横断面图6 日本中低速磁浮东部丘陵线图7 唐山中低速磁浮试验线轨道梁截面（单位：mm）图8 唐山中低速磁浮试验线参照以往公路、铁路和轨道交通桥梁建设经验，从施工方便、经济合理等方面考虑，轨道交通经济跨度一般为20～30 m。

从中低速磁浮轨道梁受均布荷载且荷载值较小的特点出发，简支梁跨度可适当调整，因磁浮轨道梁采用独特的抱轨运行模式，受限界影响其截面宽度一般在1.5 m左右，考虑轨道梁的宽跨比、施工重量等因素，常用简支梁跨度一般为16～30 m较为合理。

综上所述，可以发现目前国内外建成的试验线、运营线采用的桥梁型式都比较简单，以简支梁为主。

结合已建工程磁浮桥梁的3个特点：即跨径小，桥宽窄，对变形要求严格，对比分析长沙磁浮工程初步设计结果，决定磁浮高架桥梁除控制节点外，均采用简支梁体系，跨度以25 m为主。

2 梁型设计2.1 “梁上梁”方案“梁上梁”结构为双线箱梁上设置承轨梁的形式，其中下层双线箱梁为主要受力部分，其上承轨梁作为车辆走行的轨道。

承轨梁的高度仅需满足限界要求，两线之间设置宽度1.2 m的架空疏散平台，强电电缆支架设于疏散平台下面，两侧设置弱电电缆槽及信号机等设备，满足限界要求的桥面宽度为9.6 m，宽度较大。

（1）梁部构造：初步设计25 m跨度简支梁，梁高1.8 m，顶宽9.6 m，底宽4.8 m，腹板厚度0.35 m，顶板及底板厚度0.25 m，详细尺寸见图9、图10。

图9 双线箱形简支梁跨中截面（单位：cm）图10 双线箱形简支梁支点截面（单位：cm）（2）采用通用结构计算软件BSAS4.1建模计算，梁体变形计算结果见表1，梁体强度计算结果见表2。

表1 双线箱形简支梁梁体变形计算结果?表2 双线箱形简支梁梁体强度计算结果?由表可知：强度指标、列车竖向静活载作用下的挠跨比、梁端转角、工后徐变拱度均满足要求，温度作用下的梁体竖向挠度略超限值要求［11-12］。

（3）施工方法：简支梁采取预制架设方法施工，整孔预制梁体后起吊上桥，利用运梁车运至桥位后架梁。

其中承轨梁在梁部架设完成后在桥面利用模板现浇施工，曲线段及缓和曲线处承轨梁因扭转需要，扭转角度不断变化，现浇施工时模板加工复杂、定位困难，承轨梁的施工精度难以保证。

2.2 单线U梁方案轨道梁采用单线U梁方案，在满足使用功能、技术经济性、后期养护等要求的同时，外形美观，景观性好。

（1）梁部构造：跨度25 m简支梁梁高2.0 m，顶宽1.3 m，跨中截面顶板及腹板厚度0.22 m，底板厚度0.22 m，详细尺寸见图11、图12。

图11 单线U梁跨中截面（单位：cm）图12 单线U梁支点截面（单位：cm）（2）采用通用结构计算软件BSAS4.1建模计算，梁体变形计算结果见表3，梁体强度计算结果见表4。

表3 单线U梁梁体变形计算结果?表4 单线U梁梁体强度计算结果?由表可知：梁体强度指标、列车竖向静活载作用下的挠跨比、梁端转角、温度荷载作用下的挠跨比、工后徐变拱度均满足相关要求。

（3）施工方法：从经济、施工便捷、保证施工质量、预埋件准确定位等方面综合考虑，采用预制架设方法施工，梁体自重、横向宽度较小，可通过地面道路进行运输。

2.3 并置单线箱梁方案并置单线箱梁方案，每线分别设置单线箱梁，两幅箱梁之间以横梁联接。

（1）梁部构造：梁高拟采用2.1 m，底板厚30 cm，顶板厚22 cm，腹板厚26 cm，端横梁、中横梁对应位置设置横隔板。

端横梁宽度0.6 m，高1.2 m，中横梁宽度0.3 m，高0.8 m，横梁间距6 m左右。

拟定的截面形式见图13。

图13 支点截面（单位：cm）（2）采用通用结构计算软件BSAS4.1建模计算，梁体变形计算结果见表5，梁体强度计算结果见表6。

表5 并置单线箱梁梁体变形计算结果?表6 并置单线箱梁梁体强度计算结果?由表可知：强度指标、列车竖向静活载作用下的挠跨比和梁端转角、温度荷载作用下的挠跨比、工后徐变拱度均满足要求。

（3）施工方法：从经济、施工便捷、保证施工质量、预埋件准确定位等方面综合考虑，拟采用预制架设方法施工，箱梁架设就位后进行横梁联接施工。

横向宽度较小，梁体可由地面交通进行运输，且可多点同时架设，施工速度快，易于保证工期。

2.4 方案比较对比研究了“梁上梁”、单线U梁、并置单线箱梁方案优缺点，见表7。

表7 各方案优缺点对比?综合所述，考虑技术经济性、施工便捷性、线路后期维护、景观效果等因素，长沙中低速磁浮工程高架区间轨道梁推荐采用并置单线箱梁方案。

3 梁部构造设计研究3.1 梁高设计磁浮车辆需“抱轨”运行，其轨道梁既要满足其上F轨安装所需空间要求，还要满足两侧接触轨带电体与结构间净距的要求，综合两者要求，轨道梁横向宽度只能采用1.3 m。

同时为满足梁体内预应力管道净保护层要求，并考虑方便混凝土浇筑，确保施工质量，轨道梁拟采用顶板厚度22 cm、腹板厚度26 cm、底板厚度30 cm的结构尺寸。

在上述尺寸下，针对并置单线箱梁，计算分析2.0 m、2.1 m、2.2 m三种梁高在静活载、梯度温度作用下的梁体变形，结果见表8。

表8 各梁高梁体变形结果?由表可知：（1）梁高2.0 m时，梯度温度作用下梁体竖向挠跨比为1／7 055，不满足限值要求；（2）梁高2.1 m时，梯度温度作用下梁体竖向挠跨比为1／7 610，列车竖向静活载作用下梁体竖向挠跨比为1／6 533，均满足限值要求；（3）梁高2.2 m时，梯度温度作用下梁体竖向挠跨比为1／8 148，列车竖向静活载作用下梁体竖向挠跨比为1／7 398，均满足限值要求，富余较多。

综合安全经济性比选，轨道梁梁高拟采用2.1 m。

3.2 梁体横向连接长沙磁浮工程轨道梁采用并置单线箱梁方案，每线单独设置小箱梁，两幅箱梁之间以5道横梁联接成为整体，共同受力。

箱梁梁高采用2.1 m，底板厚度30 cm。

两端各设置一道1.2 m×0.6 m端横梁，中间设置三道0.8 m×0.3 m中横梁。

为满足疏散平台安装需要，横梁顶面齐平。

箱梁对应横梁位置设置封闭的横隔板。

3.3 曲线轨道设计线路位于曲线时，轨道梁采取曲梁曲做方式处理，梁体不扭转，仅向曲线外侧设置偏心Δ，计算如下：式中，h为轨面至内外侧供电轨中心连线的垂直距离（mm）；θ为轨道横向超高角（°）。

轨面至内外侧供电轨中心连线的垂直距离h为650 mm，轨道最大横向超高角θ为3.39°，相应的梁体横向最大偏心值Δ为38.4 mm。

从方便桥墩现场施工时定位的角度出发，桥墩可不设置横向预偏心，适当增加支承垫石横桥向尺寸保证支座随梁体偏心后受力满足要求即可。

3.4 接口设计轨道梁是车辆走行的轨道，同时兼顾桥上设备、电缆等的布置，并考虑疏散、检修通道的设置空间。

在横梁施工时布置相关预埋件，然后利用横梁在两线之间沿线路通长设置疏散检修平台。

上层为疏散通道，通道两侧设置栏杆，为方便车上乘客疏散。

下层为检修通道，检修通道两边靠轨道梁侧边各设置7层用于强、弱电缆布设的电缆桥架。