某中低速磁浮试验线桥梁总体设计

张文斌,文功启

(中铁第五勘察设计院集团有限公司桥梁设计院,北京 102600)

1 工程概况

中低速磁浮是我国具有自主知识产权的新技术，也是城市轨道交通中较为先进的技术。它具有环保、安全性高、爬坡能力强、转弯半径小、建设成本低等优点，适用于城市市区、近距离城市间及旅游景区的交通连接。未来我国三、四线城市也将进入到轨道交通建设的黄金期，而作为中等运量轨道交通的磁浮市场发展前景巨大。磁浮市场发展壮大的同时必将面临许多车辆制造和工程建设等方面技术难题的挑战，尤其是当前国内已运营的长沙机场快线、北京S1线最高速度仅100～120 km/h，无法满足如市域、长距离旅游线等对更高速度(120～160 km/h)的迫切需求，急需对现有中低速磁浮技术进行提升与改进。因此，有必要建设一条用于磁浮技术测试和研究的工程试验线路作为中低速磁浮技术发展的基础平台，为磁浮系统的进一步成熟和完善提供有力的技术保障[1-5]。

本试验线线路正线全长5.44 km，新建桥梁2座，桥梁全长5 274.3 m，桥梁占比97.0%。工程范围内地质条件较好，基础持力层多为泥质粉砂岩和砾岩，场地地震动峰值加速度为0.05g。

2 主要设计原则及技术标准

根据试验线所采用的车型、现场工程条件、线路要求、限界要求等，合理选择桥梁结构及相关附属结构方案，以实现试验线功能[6-9]。在满足结构刚度要求以及有关规范的前提下，应尽可能优化桥梁结构尺寸。

试验线采用单线，结构设计使用年限为100年，最高设计时速160 km。为满足试验需求，试验线线路最小曲线半径R=500 m，最大纵坡70‰，其他地段均为平缓坡段[9]。磁浮列车采用3辆编组并预留6辆编组条件，DC1500V接触轨受流，轨道采用F型钢轨、感应板、H型钢枕的结构形式。本工程所处环境作用等级分别为碳化环境T1、化学侵蚀环境H1。

3 桥梁主体结构设计

3.1 标准桥跨结构选型

3.1.1 结构体系的选择

城市轨道交通高架结构受力体系主要有：简支体系、连续体系两种。在连续结构中，制动墩承受的水平力较大，相比于非制动墩其结构尺寸偏大，对全线的整体景观效果影响较大。虽可采用多制动墩的办法减小单个制动墩承受的水平力，以达到减小制动墩尺寸的目的，但增加了安装固定支座的难度，施工精度要求高。因此，连续梁体系存在一定的不足。同时，连续梁结构的温度跨度较长，梁端的温度伸缩变形较大，需对磁浮轨排设置特殊接缝构造，对行车舒适度有不利影响。而简支结构对沉降的影响相对较小，施工工艺简单，施工周期短。且采用简支梁结构，桥墩的尺寸均匀，全线的下部整体景观效果好。

综上所述，为了减少设置轨排特殊接缝，避免对行车的干扰，本次设计推荐采用简支梁结构。

3.1.2 轨道梁梁型选择

中低速磁浮轨道交通因其独特的抱轨运行方式，轨道梁的结构形式有别于普通轮轨轨道交通桥梁。轨道梁不仅是承受列车荷载的承重结构，也是车辆走行的轨道，其外观尺寸既要满足磁浮轨道特殊构造要求，还要满足运营的安全及舒适性要求[10-11]。由于箱形截面的整体性强，抗扭刚度大，其动力特性也比较优越，所以，目前的磁浮桥梁基本上都采用箱形截面。磁浮轨道交通与跨坐式单轨交通类似，车辆需抱轨运行，轨道梁梁部结构可选择“抱轨”式小箱梁方案或“梁上梁”箱梁方案。见图1、图2。两种梁型优缺点比较见表1。

图1 “抱轨”式单线简支小箱梁结构形式

图2 “梁上梁”箱梁结构形式

表1 两种梁型优缺点比较

经表1比较，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，“抱轨式”小箱梁方案顺应磁浮交通独特的“抱轨”运行方式，结构形式合理，在施工、结构噪声、景观效果等方面优于“梁上梁”箱梁方案，且截面外形规则，模板加工难度小，施工工艺简单。因此，本线高架区间轨道梁采用“抱轨”式小箱梁，可根据现场情况采用预制吊装或支架现浇方案。

3.1.3 常用跨度的选择

根据国内轨道交通工程设计经验，区间标准梁的经济跨度为20～35 m。桥梁跨度越大，则桥下视线通透性就越好，也更容易避开地下管线。中低速磁浮轨道交通对轨道梁的刚度要求较高，为满足刚度及结构受力要求，轨道梁跨度越大则其梁高越高，截面尺寸也相应加大，梁部经济指标也就越大，基础和墩身经济指标随跨径的增加而递减，具体经济指标见表2。

表2 各种跨度简支箱梁经济指标比较 万元/延米

通过表2比较可知：25 m跨度简支箱梁综合经济指标明显低于20，30，35 m跨度简支箱梁的综合经济指标。另因20，25 m简支箱梁质量较小，对运梁车及架桥机的运架能力要求较低，箱梁的运输及架设也更加便利。磁浮工程标准轨排长度为12.5 m，轨排与轨排之间需设置伸缩接头。采用25 m简支梁跨度能较好地适应标准轨排布置，同时也能减少伸缩接头数量。国内已建成的长沙中低速磁浮交通工程及北京S1线简支梁标准跨度均为25 m。

从经济性、景观效果及施工便捷方面的综合比较，结合国内已建工程经验，从结构受力要求以及架梁能力需要，推荐高架区间标准段轨道梁以25 m作为主要跨径，优先采用20 m作为调整跨径[12-14]。

3.1.4 轨道梁施工方法

本线轨道梁采用小箱梁，形状规则、跨度适中，且桥梁长度5.43 km，累计标准轨道梁梁长约4.885 km，共计约200片预制箱梁，规模较大。从经济、施工便捷、保证轨道梁施工质量、预埋件准确定位等方面考虑，推荐采用以预制架设为主的施工方案，箱梁在梁场预制，通过地面交通运输至桥位，利用履带吊车吊装，最后落梁完成梁体架设施工。

3.1.5 桥面布置

根据试验线的设计原则、功能要求，综合轨排、接触轨等设备的结构形式，并考虑“抱轨”式轨道梁自身特点，桥面仅预留承轨台基座、漏缆、CPⅢ立柱等设备布置空间即可，其他无法在桥面布置的信号机、通信天线等立柱采用墩顶牛腿预留安装条件。桥面不需要局部加宽，桥面布置简洁、整齐、桥面宽度统一。具体布置见图3。

图3 桥面布置示意(单位：mm)

3.2 标准桥墩形式的选择

城市轨道交通的墩型主要有独柱墩、H形墩、Π形墩等多种形式，考虑到Π形墩、H 形墩墩底宽度较宽，占地面积较大，不适用于在轨道交通项目的推广。因此，本项目推荐采用独柱墩，独柱墩外形简洁美观，能够做成不同的截面形式，如矩形、圆形及圆端形等(图4)，并且能通过简要的修饰，体现出不同的风格。

图4 独柱墩墩形示意

鉴于磁浮轨道交通对墩顶位移量限值较为严格(纵向<10 mm)，本工程推荐纵、横向刚度均较大的矩形截面桥墩方案[15-18](图5)。另因支点处梁底横向较宽(约2.5 m)，墩顶与墩身可通过曲线顺接，使上部箱梁与墩柱形成自上而下的过渡，产生自然、和谐之美，有效降低了建筑结构物的“视觉重量”。同时现代轨道交通均注重景观要求，可在墩柱内侧刻槽以增加墩柱立体感，墩底尺寸根据墩高分级可以在满足墩顶位移要求下尽量缩小，减小占地面积。

图5 花瓣形矩形桥墩效果图

3.3 节点桥方案

本线多处跨越既有道路及规划道路，桥式方案的选择首先必须满足桥下交通的限界要求，在技术可行的同时，从经济美观、环境影响、施工方便快捷、对交通干扰及与标准梁衔接等方面进行综合比较。连续梁具有变形小、结构刚度好、行车平顺舒适、造价经济、施工方便、养护简单等优点[19]。因此，本线节点桥推荐采用预应力混凝土连续梁。

由于受到梁体横向刚度(一般表现为梁宽与跨度的比值)的控制，混凝土连续梁跨度一般难以超过50 m，所以本工程节点桥桥梁主跨≤50 m时采用“抱轨式”单线小箱梁结构方案(图6)，40 m及以下跨度采用等高度截面形式，40 m以上50 m以下跨度采用变高度截面形式；主跨>50 m时则采用“梁上梁”结构形式(图7)。

图6 “抱轨式”连续梁典型截面示意(单位：cm)

图7 “梁上梁”连续箱梁典型截面示意(单位：cm)

4 附属工程设计

结合本工程主体结构设计，因上部结构采用“抱轨式”单线小箱梁方案，桥面没有足够的设备安装与管线布置空间。本线强、弱电均采用地下电缆槽敷设方式，仅在跨越较大既有或规划道路时，采用上桥并在梁底预埋电缆槽道沿梁下敷设的布置方式(图8)，而通信、信号立杆则采用在墩顶预留支架牛腿方式布置(图9)。

图8 桥上电缆敷设示意

图9 墩顶通信、信号设备支架预埋件示意

5 结语

本文依托磁浮试验线桥梁结构形式的比选，提出推荐的结构形式。本试验线作为磁浮交通工程技术的试验平台，下阶段需结合试验需求布置相应的试验梁，探索不同桥梁结构形式对于中低速磁浮交通的适应性和经济性。另外，根据目前国内已运营的长沙磁浮快线和北京S1线的建设经验，大跨度特殊结构桥梁在全线桥梁所占的比重均较大，特殊节点桥梁的经济性对中低速磁浮桥梁的整体经济性影响很大[20]。因此，有必要对中低速磁浮特殊桥梁结构尺寸优化及受力性能等开展基础性研究，为中低速磁浮交通采用大跨度桥梁跨越大江大河或其他障碍打下基础。