中低速磁悬浮列车高架车站结构设计

宋长江,高修建

(铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院,天津 300251)

1 概述

中低速磁悬浮列车轨道交通,是一项高科技、高技术含量的轨道交通尖端工程,已被国家列入“十一五”规划,具有广阔的发展前景。根据高架车站轨道梁与站房的关系,高架车站结构可分为“桥建合一”和“桥建分开”两类,昆明磁浮列车新建工程及唐山磁浮试验线均采用“桥建合一”形式。这种结构形式涉及建筑结构和桥梁两个专业,结构承担的荷载大、作用特征复杂,分析计算和设计难度大。一般认为直接承受列车荷载的轨道梁按“铁道工程专业相关规范”,采用容许应力法计算,其下部的框架结构既要满足“铁道工程专业相关规范”,又要满足工民建专业相关规范要求。

中低速磁浮列车运行条件与传统的轮轨式列车有很大的差别,在力学性能上主要体现在:单跨磁浮轨道梁要求竖向挠跨比≤1/3800,水平挠跨比≤1/2000,而轻轨轨道梁要求竖向挠跨比≤1/2000,磁浮轨道梁刚度要求比轻轨严格;磁浮列车荷载是均布荷载形式,而轻轨荷载是集中荷载形式;为满足磁浮车辆下方供电要求,并具备一定的检修功能,车站内要设置支墩支撑受流轨,要求设置连续的轨道梁来支撑支墩等。由于以上的磁浮列车特性,更加大了车站结构设计的难度。

2 荷载及荷载组合

由于磁浮车辆进出站的频率较高,因此,对于高架车站如何进行荷载组合以求出最不利的内力,是高架车站设计的一个难点。昆明磁浮列车轨道交通和唐山试验线都是采用单线的形式,所以对内力进行组合仅考虑单线有车的情况,考虑主力、主力与附加力、主力与特殊力(地震力)的几种组合分别进行建模计算。

2.1 荷载

通过对工程结构构件的受力分析,综合所有各种可能对结构产生作用的荷载,将荷载分为主力、附加力、特殊力三类,在设计中,部分荷载(一般房屋建筑设计中不考虑的荷载)的取值按如下原则。

(1)车辆静活载图示(图1)

图1 车辆静活载图示

(2)列车竖向动力作用:为车辆静活载乘以动力系数 μ,μ=10/(30+L)(L为轨道梁跨度,单位为 m)。

(3)列车制动力或牵引力:列车的制动力或牵引力按列车竖向静活载的 13%计算,紧急制动力按竖向静活载的 20%计算。列车制动力取 3.0kN/m,紧急制动力取 4.6kN/m。车站位于直线上,离心力 C=0。

(4)伸缩力、挠曲力:由于磁浮车辆的轨排是磁浮特有的一种形式,目前尚缺少试验数据,参考轮轨高架车站取值,伸缩力、挠曲力取 10kN。

(5)汽车撞击力:落地框架柱有可能受汽车撞击,应设置防撞保护设施。无法设置防撞保护设施时,墩柱设计必须考虑汽车对墩柱的撞击力。汽车撞击力顺着汽车行驶方向时采用 1000kN,垂直于汽车行驶方向时,采用 500kN,作用在路面以上 1.20m高度处。

2.2 荷载组合

根据磁浮高架车站的实际情况,在进行内力组合时考虑以下几种情况:伸缩力与挠曲力不同时组合,制动力或牵引力不与摇摆力同时出现,地震力与汽车撞击力不同时组合。荷载组合见表1。

这篇文章构思很巧妙，小作者从“我”现在玩的游戏写到妈妈小时候玩的游戏，非常自然，既体现出时代的进步，又引人思考。

表1 荷载组合

3 结构分析及计算

3.1 程序的选取及模型、参数的合理选择

由于车站大多采用框架结构,所以可以采用三维的空间设计软件 SATWE、TAT、SAP2000等进行计算。一般以 SATWE来计算,SATWE程序是用于高层及多层建筑结构的空间分析程序,它采用空间杆系、墙元等计算模型,对高架车站这种复杂的结构更能真实的反映出结构的受力性能。但是,由于车站与一般的民用建筑有所不同,所以,在计算时要合理地简化模型及选用参数,以获得合理的计算结果。

车站长度≥80m时,一般设置变形缝,建模时对每个框架单独建模计算。楼板大开洞处,不符合楼板无限刚性的假定,应将洞口的梁柱节点设置为弹性节点,再进行计算,这样比较符合实际。对于车站平面不对称的情况,一般选择考虑扭转耦联,振型个数≥9,当结构层数较多或结构刚度突变较大时,则振型数也应取得多些。若车站内有较多管理用房,实际的刚度大于程序计算出的刚度,实际周期小于计算周期,因此计算出来的地震力比实际小,结构偏于不安全,所以应对地震力再放大些,通过调整“周期折减系数”可以达到这个目的,周期折减系数可取“0.7～0.75”。由于车站相对于一般民用建筑,活载占整体结构荷载的比例较大,所以框架梁计算时要考虑活载的不利布置。

3.2 框架梁、框架柱的计算

“桥建合一”型车站结构剖面如图2所示。

有支撑轨道梁的框架横梁及与框架横梁连接在一起的框架柱如何设计是结构设计中需重点研究的问题。因为一方面,框架横梁及框架柱作为框架的一部分,需要满足工民建规范要求的框架空间计算及抗震计算和构造要求;另一方面,框架结构横梁作为轨道梁的支座,直接承受列车活载,又需要满足铁路规范的要求。框架柱作为框架横梁的支撑点,也要满足两种规范的要求,两者之间相连的节点处理也同样不可忽视。所以,设计时需要对框架梁柱进行框架空间计算,以满足工民建规范的抗震等要求,又需对它们单独计算以满足铁路规范的要求。在计算时可通过电算输入各种不同工况的荷载进行三维计算,对框架横梁和框架柱进行比较分析。

图2 磁浮车站结构剖面(单位:mm)

车站框架横梁一方面要负担轨道梁传来的列车荷载,另一方面又要承受楼面的恒载、活载。框架横梁承受的荷载比较大,受力复杂。因此为了控制跨中的挠度,增强结构的刚性,提高抗裂性,在框架横梁设计时挠跨比限值定为 1/4600。计算中,对不同工况进行横向平面框架计算,同时进行三维空间计算,取计算结果的较不利者对框架横梁进行设计。设计中可根据弯矩包络图确定纵筋弯起的位置进行抗剪筋的设置。

4 连续轨道梁计算

4.1 连续轨道梁计算模型

轨道梁及支墩如图3所示。

对于磁浮车站,由于轨道梁上部设有支墩,支墩间距 2.4m,为保证支墩连续性和整体性,采用轨道梁和框架横梁刚接的形式,因此计算轨道梁不能按理想的铰支多跨连续梁考虑,应按弹性支座多跨连续梁进行计算。通过大型有限元软件建立5跨连续梁模型,计算出剪力和弯矩包络图,发现弹性支座连续梁边跨跨中产生的弯矩,要比简支支座连续梁跨中大 15%,但支座弯矩比简支支座小 10%。为计算方便,在设计时仍采用 5跨简支连续梁模型,在轨道梁跨中配筋时依据模型结果适当加大。

图3 轨道梁及支墩(单位:mm)

图4 连续轨道梁内力图

通过上面轨道梁剪力包络图和弯矩包络图,可以看出磁浮列车产生的跨中弯矩、支座弯矩约占总弯矩的 40%,支座剪力占总剪力的 45%。可见,列车荷载在车站结构设计中是非常关键的一种荷载,在模型计算中应进行认真分析。

4.2 连续轨道梁刚度及配筋设计

当磁浮列车在轨排上运行时,整个车体与轨排的间隙仅有8mm,为满足磁浮车辆的正常运营,要求磁浮轨道梁竖向挠跨比≤1/3800,水平挠跨比≤1/2000。

轨道梁的挠度计算中考虑长期作用效应的影响,边跨挠度为 1mm,中跨挠度为 0.6mm,均 ＜L/3800=1.9mm,满足磁浮列车运行的要求。为了避免由于车-轨道梁的耦合振动导致的车轨共振,轨道梁一阶固定频率宜 ＞64/L,经过计算得到 5跨连续梁的自振频率为 18.03Hz＞64/L=8.9Hz。满足自振频率要求。

轨道梁既要承受列车荷载,又要承受楼面传来的恒载及人群活载,所以轨道梁配筋既要满足《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002),又要满足《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005),两种不同规范配筋作比较如表2所示。

表2 配筋计算比较

可见,按 TB10002.3—2005受弯计算,钢筋应力满足 σs≤180MPa的要求下,配筋率比 GB50010—2002增加 70%。而剪力配筋则采用了不同的设计理念,铁路规范中抗剪是以斜筋为主,箍筋为辅,但这样不能满足框架结构抗震同一断面上出现不同符号剪力的要求,轨道梁的箍筋应以工民建规范计算控制。

5 结论及建议

(1)对同时承受两种不同类型荷载的构件,在目前没有合适设计规范的情况下,要求同时满足两种规范,对于保证结构安全是完全必要的。

(2)中低速磁浮列车对轨道梁刚度的要求很高,在设计中对连续轨道梁可以采用 5跨连续梁模型进行计算,但对计算结果要进行适当调整才能进行配筋设计。

(3)高架车站中的车-轨道梁耦合动力反应分析是今后的一个研究重点,对于乘客在车站舒适度的研究有重要的作用。

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