低真空高速磁悬浮管道结构形式探析

文／中国航天科工集团有限公司磁悬浮与电磁推进技术总体部 刘昊苏 贾允祥

克拉玛依市先进科技联合研究院 曹俊梅

新疆交通建设集团股份有限公司 斯毅

关键字:低真空；高速磁悬浮；管道结构；有限元；磁阻特性

0 引言

随着高速铁路的蓬勃发展，全球对超高速交通系统的关注度逐步提高。目前，传统的轮轨式轨道交通在速度上面临着空气阻力、轮轨黏着、蛇形失稳、运行噪声以及弓网受流极限[1]等“瓶颈”问题。为突破速度限制，将磁悬浮技术与低真空技术相结合的超高速低真空磁悬浮交通系统应运而生。自2013年美国SpaceX公司创始人埃隆·马斯克正式提出“超级高铁”的概念[2]后，世界范围内掀起“超级高铁”的热潮，同时作为承载“超级高铁”的核心基础设施——低真空管道的技术研究也越来越多地得到学者及国家的关注[3]~[5]。2017年后，国内中国航天科工集团（简称：航天科工）、西南交通大学等研究机构和高校也开展了低真空管道相关理论的研究。2018年10月，中国工程院主导的中国超高速磁浮技术发展战略研究项目在深圳启动，2019年“合理统筹安排低真空管（隧）道高速列车等技术储备研发”写入《交通强国建设纲要》，标志着“真空管道+高速磁浮”中国制式“超级高铁”的发展步入快车道。低真空管道对整个超高速低真空磁悬浮交通系统的安全性、气密性及可靠性极为重要。

本文针对低真空管道的结构形式，在调研国内外相关试验线工程的基础上，通过改进已有截面形式，提出了一种低真空管道钢-混凝土组合结构，并利用有限元对这一方案开展了不同荷载工况下的挠度研究。

1 低真空管道的技术难点分析

1）大体积管道结构真空密封技术尚需完善。

管道内部需长时间维持低真空环境，对结构具有较高的气密性及强度设计要求。管道之间的连接装置在具有变形补偿功能的同时，也需要具有与管道同样的气密性要求。我国的低真空技术虽然已相对成熟，但对大体积、长里程的管道真空环境的维持技术尚无工程经验参考，对其中的关键问题尚未有解决经验。

2）高精度低真空管道设计、制造及安装技术。

高速磁悬浮列车在低真空管道内高速运行时对平顺度具有极高的要求，梁体在多种荷载工况作用下的挠度限制较为严格。梁体承压结构需满足真空容器对结构稳定性、变形量的要求。此外，磁悬浮电机安装精度直接影响磁轨的不平顺度，因此设备安装精度极为重要。

3）管道材料尽可能降低对车辆电磁力的影响。

在高速磁悬浮运行过程中，磁场易受到导磁材料的影响从而降低能源的利用率，所以在低真空磁悬浮结构材料的选取及结构设计上需要特别关注材料本身对管道内磁场的影响。

4）真空下瞬时大面积高热量密度散热技术难度高。

管道内处于低真空环境时，磁悬浮列车高速、高频次通过后，电机表面产生巨大的瞬时热能，但因内部对流效应弱、管内热传递效率低，管内热能的快速耗散存在技术难题。

2 低真空管道试验线典型工程

近几年来，美国、荷兰及中国等国家已根据各自“超级高铁”的技术要求，建成和在建多个低真空管道试验线用以验证低真空管道交通的可行性。

2.1 美国Hyperloop低真空试验线

美国Virgin Hyperloop One低真空试验线（图1）位于美国内华达州拉斯维加斯附近沙漠中，长度500m，全线采用圆形筒状钢结构作为结构承载的主要结构。2017年7月13日完成首次全真空测试，并于2020年11月8日完成首次载人测试。

图1 Virgin Hyperloop One试验线

2.2 荷兰Hardt Global Mobility低真空测试管道

位于荷兰的Hardt测试线（图2）总长150m，由每节30m的圆形钢管道组成，外管直径达到3.2m。2019年开始，该公司将建造一条长约3km的测试线路，用于测试速度超过700km/h的超高速列车，并将成为未来欧洲超级高速铁路基础设施和技术标准化测试基地。

图2 Hardt Global Mobility试验线

2.3 国内研究情况

目前，国内尚未有建成的低真空管道试验线工程。西南交通大学正在建设一条140m全钢结构的真空管道高温超导磁悬浮直道试验线[5]。

航天科工于2017年8月正式宣布开展时速1000km/h的“高速飞行列车（T-Flight）”项目研究计划[6]。目前航天科工正与国内多家研究机构和高校联合开展低真空管道关键技术的工程验证性工作，并依托新材料、新技术革新开展公里级试验线工程的建设。

图3 航天科工试验线效果图

3 低真空管道改进与验证

3.1 现有低真空管道截面的问题

国内外现有的低真空管道试验线多以钢结构作为主要承载结构，截面多以圆形截面为主。该类低真空管道结构尚存以下几点问题：

1）普通碳钢结构为导磁、导电材料，在磁悬浮电机工作时，易对管道内部磁场产生影响，从而大大增加磁悬浮车辆的磁阻力，造成推进能耗的增加。

2）未来低真空管网在地面以上多采用高架形式，大尺寸（直径大于5.0m）下全钢材管道可实现的跨径较低（小于24.0m），线路系统受桥墩增多的影响，经济性较低，土地占用较大。

3.2 低真空管道截面的改进

针对上述问题，本文在已有圆形低真空管道梁结构的基础上，配合不导磁的混凝土材料对低真空管道进行了优化，提出了图4中的低真空管道结构形式。

图4 新型低真空管道结构断面示意图

该种管道形式具有以下优势：

1）低真空管道结构以圆形管道为雏形，底部增加混凝土结构联合外壁钢结构形成一体式受力结构，一方面可以降低整体管道的磁阻力，另一方面，利用混凝土结构刚度大、阻尼大的特点，实现较大跨径和较好的吸能特性。

2）参考文献[7]、文献[8]中的低真空隧道结构密封方式，外部钢结构依然是较为可靠的气密性结构。

3.2 低真空管道结构形式的验证

为验证图4中低真空管道结构的力学特性，利用大型实体有限元分析软件Midas FEA 3.7 对采用图4截面的30 m简支梁进行仿真分析。有限元模型中混凝土结构采用C50混凝土，钢壳结构采用Q345钢材，厚度20 mm。模型支撑采用四点简支支撑形式，支撑点距离梁端0.5m（图5）。低真空管道的荷载主要考虑恒荷载、活载、大气压荷载及温度荷载等4种荷载，其中温度荷载考虑管道整体升降温30℃和日晒造成的钢结构与混凝土结构的温差工况。以竖向荷载作为主要研究对象，多种荷载单独作用下的有限元仿真结果汇于表1中。

图5 低真空管道结构实体有限元模型

表1 低真空管道多种荷载单独下的仿真结果

从有限元仿真结果中可以得出：

1）低真空管道在钢结构与混凝土结构的共同作用下，管道截面具有较大的刚度，恒载、活载的竖向挠度均较小。

2）低真空环境下，管梁内外压差约101kPa，这一荷载数值相比管道结构的承载力较小，所以在大气压荷载单独作用下，管道跨中的竖向挠度较小。

3）该管道方案为钢-混组合结构，受两种材料的热膨胀系数不同，在日晒条件下，两者存在较大温差时，管道发生了明显上拱，且为各项荷载中的最不利荷载，需在后续设计中予以高度重视和改进。

4 结语

低真空管道系统具有复杂的流-固-磁-热多物理系统耦合特性，真正实现“工程化”方面还面临着技术、经济、安全等诸多方面的问题和挑战。本文基于力学性能、磁阻特性等方面的考虑，初步提出了一种适合低真空高速磁浮交通系统的组合式管梁断面，基本满足管道结构真空环境下的力学性能及磁阻特性，为低真空管道的结构形式提出了新的思路，但管道热效应、气密性方面仍需进一步验证、改进与优化。