U梁在凤凰磁浮文化旅游项目中的应用研究

2021-08-05李金光邓娟红

铁道标准设计 2021年8期

邱冰,戴旺,李金光,邓娟红,邓昆

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司,长沙 410200)

1 项目背景

凤凰磁浮文化旅游项目全长9.121 km，共设5座车站，设计速度100 km/h，采用中低速磁浮车辆制式，轨道结构采用F轨，“H”形轨枕，铝感应板，为国内第一个“磁浮+文化+旅游”项目。该项目旅游属性强，对工程自身景观要求高，需要从车辆、工程构筑物，线路沿线资源进行全方位的文化旅游属性打造。目前，中低速磁浮工程中长沙磁浮快线采用无翼缘小箱梁[1]。无翼缘小箱梁的优点是工程量省，造价低；缺点是轨道结构安装不便，建成后维修养护不便。因此，迫切需要研究一种既能满足景观文化旅游属性需要，又能方便山区架设，后期维修养护方便的梁型。需着重研究在轨道交通工程中已经成熟应用的U梁应用到凤凰磁浮文化旅游项目的可行性和必要性。

目前，在中低速磁浮工程领域，正式开通运营的有日本爱知磁浮线，韩国仁川机场线，国内的长沙磁浮快线和北京S1线。试验线主要有上海中低速磁浮试验线、唐山中低速磁浮试验线，日本大江中低速磁浮试验线和南车株机中低速磁浮试验线，统计结果如表1、表2所示[2-3]。

表1 国内外中低速磁浮试验线梁型情况统计

表2 国内外中低速磁浮线梁型情况统计

从表1、表2可以看出，在磁浮轨道交通工程中，国内外主要应用的梁型为箱梁[4]，包含有翼缘箱梁和无翼缘箱梁，尚无U梁应用实例。但轨道交通建设采用U梁较多，如国外巴黎轨道交通13号线在塞纳河上高架桥，智利圣地亚哥地铁4、5号线高架段，荷兰鹿特丹地铁延伸高架桥，印度新德里的地铁3号线，阿联酋迪拜地铁高架段，沙特阿拉伯麦加轻轨等项目均采用了U梁。2003年前，国内轨道交通广泛采用整体箱梁或组合小箱梁，较少采用U梁。自2003年上海地铁8号线采用U梁以来，近年来采用U梁逐渐呈上升趋势[6-8]，如上海地铁8号线、南京地铁2号线、重庆地铁l号线、广州地铁2号线、台北内湖木栅线延伸段、青岛地铁11号线和13号线均有使用。国内外轨道交通U梁使用情况如表3所示。

表3 国内外轨道交通U梁情况汇总[2-5]

通过以上分析，U梁在国内外轨道交通中多条线路使用，使用情况良好，国内近年来呈逐年上升趋势，因此，研究U梁在凤凰磁浮文化旅游工程中应用的可行性和必要性具有较好的基础条件。

2 U梁的应用研究

2.1 梁型对比分析

对几种梁型进行对比分析，如表4所示。

表4 梁型对比分析

由表4分析可知，无翼缘箱梁虽然总体造价最经济，但维修养护、疏散逃生等功能较差，且本项目线路走行于山区，桥下架梁不便，对景观要求较高。综合分析，U梁功能和造价比较均衡，性价比较高。

2.2 U梁与项目周围环境融合度

本项目所处的自然环境主要是低山、小峡谷为主，部分线路紧邻沱江，风景秀丽；所处的人文环境，主要为湘西土家族、苗族少数民族文化，特别典型的有土家族、苗族特有的吊脚楼，吊脚楼属于木结构，四周有设计独特的楼角垂吊，美观大方。若选择箱梁或T梁，管线设备一般将暴露在游客视线之内，对工程本身旅游观光属性是一种较大的破坏。经过调研及查询相关报道，国内外采用U梁轨道交通线路，如青岛地铁11号线，沙特麦加轻轨，迪拜轻轨等项目，当地民众普遍对U梁的外观表示满意，其中，青岛地铁11号线被誉为青岛最美地铁线路。同时，利用BIM建模把U梁模型植入现场实景中，与项目所处自然环境匹配度较好。U梁外观通过优化设计使用流畅曲线，减少棱角，整体视觉效果较好，且能与自然环境更好的融为一体，同时U梁将管线设备等藏于腹中，更加美观简洁[9-11]。

2.3 U梁设计与视点状况的关系

桥梁建筑造型的目的是为人们视觉服务，视点状况不同，视觉所获得的景象信息不同。本项目有2个主要视点：一是静态视点，从桥下仰视、从较远处远视或从观景平台俯视；二是动态视点，在列车上观赏，车内视点处于高速运动中，无法辨认桥梁细节，仅从宏观上感受。本项目充分考虑U梁翼缘对游客车内视线的影响，普通轨道交通U梁梁高约1.8 m，凹槽内部深度约1.55 m，工程主要从两方面考虑，一是将U梁梁高从1.8 m减小到1.7 m，二是提高U梁内部承轨梁高度，F轨轨面至承轨梁底面高度控制在1.1 m以上。因此，车辆嵌入U梁内部的高度将减少至0.45 m以下，确保列车踏板位置高于U梁翼缘顶部，方便游客观光。

2.4 U梁与磁浮列车运行的匹配情况

磁浮列车荷载如图1所示，与普通轨道交通不同，普通轨道交通主要为集中荷载，而磁浮列车主要为均布荷载，从受力角度来看，磁浮荷载作用下，梁体受力更为有利。为维修养护方便，U梁比无翼缘箱梁增加维修通道和逃生通道，更有利于后期的维修养护和运营安全。基于多体动力学原理与有限元法，利用多体动力学软件Simpack建立三维车-轨-桥耦合振动仿真模型，对磁浮列车过桥时U梁及轨道结构竖向和横向振动进行分析，研究F轨、轨下弹性支承与桥梁支座参数对U梁和轨道结构振动的影响，给出各参数合理取值范围，磁浮列车与F轨之间按照空气弹簧模拟受力情况[12]。经过反复试算，优化调整U梁断面，直至U梁的行车平稳性和舒适性满足旅游观光轨道交通项目的要求。

图1 悬浮状态列车荷载(1列车荷载，按6辆编组)(单位：mm)

通过CJJT262—2017《中低速磁浮交通设计规范》和GB50157—2013《地铁设计规范》对梁部设计指标进行对比，如表5所示。中低速磁浮交通设计规范对梁部的竖向挠度限值、梁端转角均要求更高，通过调整截面设计，建立有限元模型进行分析，均能满足规范要求[13]。

表5 中低速磁浮交通设计规范和地铁设计规范设计指标对比

2.5 U梁采用先张法和后张法施工工艺对比分析

国内轨道交通U梁采用后张法工艺居多，先张法工艺偏少，需对比分析选择合适的施工工艺。

针对沙特阿拉伯麦加轻轨先张法U梁，青岛地铁11号线后张法U梁和青岛地铁13线先张法U梁3条线路U梁施工工艺进行对比分析。通过建立有限元模型，模拟同等外界条件，相同冗余设计，同等外型尺寸条件下，把先张法预应力钢绞线改为后张法进行对比分析；再进一步对比分析3条线路外部荷载、规范要求等方面。

2.5.1 沙特麦加轻轨梁施工工艺对比

沙特麦加轻轨U梁采用美国规范AASHTO LRFD 2007设计，设计荷载为A+型车，6+6辆编组，设计时速为80 km，设计地震烈度相当于国内6度，地震波峰值加速度0.075g。全跨为等截面设计，标准跨度25 m，断面如图2所示，梁上铺设无砟轨道。轻轨采用先张法预应力混凝土U梁[14]，该线已于2011年开通运营。

图2 沙特麦加轻轨U梁主要断面(单位：mm)

通过BSAS软件和Midas软件分别建立有限元模型进行对比分析，活荷载、材料和外部边界条件保持一致，跨中截面与既有先张法预应力混凝土梁保持一致，梁端截面由于后张法预应力混凝土梁受力变化及锚固要求，逐渐加宽加厚。对比结果如表6所示。

2.5.2 青岛地铁11号线和13号线U梁施工工艺对比

由表3可知，青岛地铁11号线和13号线一是外部荷载相同，均采用B型车，4列编组，设计速度120 km/h；二是外部边界条件相同，同为青岛地区，地质情况相近，地震等级相同；三是建设时序相近。因此，这2条线路是轨道交通U梁先张法和后张法比较的理想案例。

表6 沙特麦加轻轨U梁先张法和后张法对比

青岛地铁11号线标准跨30 m，直线段线间距5 m，跨中为等截面设计(图3)，梁高1.8 m，梁顶宽5.32 m，底宽3.98 m，梁端底板加厚加宽，加厚范围为1.62 m，加厚14 cm，梁高变为1.94 m，梁顶宽保持5.32 m，梁底宽加宽为4.58 m。本梁为后张法预应力混凝土U梁，跨中钢束均布置在底板上，到梁端时，部分钢束向上弯起[15-16]。

图3 青岛地铁11号线跨中断面(单位：mm)

青岛地铁13号线采用先张法预应力混凝土简支U梁(图4)，标准跨度 30 m，梁形和青岛地铁11号线相同，梁端底板同样采用加宽和加厚处理[17-18]。对比结果见表7。

图4 青岛地铁13号线跨中断面(单位：mm)

表7 青岛地铁11号线和13号线先张法和

从以上2个案例可以看出，先张法和后张法预应力混凝土U梁施工工艺在轨道交通应用领域都是成熟的。后张法使用更为普遍，但先张法预应力混凝土施工无需预留孔道、压浆及端头锚具，因此，不存在混凝土振捣不密实，压浆质量事故。同时，梁端腹板及底板尺寸无需增大，预应力端头应力不会集中导致端头混凝土裂纹，影响梁体使用寿命。先张法工艺全梁可采用等截面设计，梁整体刚度无突变，更适合对刚度变化敏感的磁悬浮列车，因此，本项目推荐采用先张法工艺[19-20]。

2.6 凤凰磁浮文化旅游项目U梁截面设计

通过优化设计，本项目标准跨采用25 m，直线段线间距为4.6 m，跨中为等截面设计，梁高1.7 m，梁顶宽5.05 m，底宽3.75 m，梁端底板加厚，如图5所示。跨中所有钢束均布置在底板上。预应力钢绞线标准强度为1 860 MPa，锚下张拉控制应力采用1 302 MPa，钢绞线弹性模量为195 GPa。项目现已开工建设，为第一条采用U梁的磁浮交通工程，预计于2021年年底建成。