中低速磁浮门型装配式承轨梁技术研究

刘武斌 丁兆锋 李伟强

(中铁磁浮交通投资建设有限公司 湖北武汉 430060)

1 概述

长沙磁浮快线是我国第一条开通运营的具有完全自主知识产权的中低速磁浮线。该项目实施过程中首次使用了由承轨梁和路基组成的低置结构形式，详见图1。现行低置结构承轨梁技术主要包括实心梁、箱梁、框柱梁、框架梁等。其中长沙磁浮快线项目使用了实心梁、框柱梁[1]，株洲试验线使用了箱梁、框架梁[2]，另外已公开的专利中具有代表性的承轨梁还包括U型梁[3]、工字梁[4]等，见图2。

图1 低置结构路基典型横断面图(单位:m)

图2 承轨梁结构示意

现有承轨梁技术或多或少均存在一些问题，如圬工材料量大、检修不方便、施工工序繁琐、需设置承轨台构造、现浇施工受环境影响大、曲线地段施工难度大、施工质量不易控制等。根据现有技术存在问题及改进需求，本文提出了新型承轨梁解决技术方案—门型装配式承轨梁，并进行了尺寸拟定、结构设计、接口设计、施工工序等一系列的技术研究，获得了许多有益的研究成果。

2 现有技术分析

现有承轨梁技术能够满足中低速磁浮承轨梁的各项功能要求，但也存在一些不利因素和尚待解决的问题[5－7]:

(1)箱梁的优点是刚度大、变形小、节省圬工，但因承轨梁的结构尺寸小，箱体构件内模无法拆除，增加了施工成本，不便于检修。

(2)框柱梁和框架梁的优点是节省圬工，结构轻质，便于检修，但由于构件组成复杂，施工难度较大。

(3)实心梁的优点是构造简单，便于施工和检修，但存在对地基承载力要求高、圬工用量大、对温度的影响较为敏感等问题。

(4)现行承轨梁技术通常采用现浇施工，现浇施工受环境因素影响较大，混凝土构件养护难度较大。

(5)现行技术轨排结构精调需通过设置现浇的承轨台来实现，因承轨台尺寸较小，不易立模和混凝土振捣，成本较高。

(6)小曲线半径地段，承轨梁需设计为曲线梁，曲线梁模板制作和安装增加了施工难度和成本。

3 门型装配式承轨梁技术方案

根据现有承轨梁技术存在问题及改进需求，本文提出一种新型承轨梁技术方案—门型装配式承轨梁[8]，见图3。门型装配式承轨梁由基座和多个砌块组成。基座为现浇钢筋混凝土构件，矩形截面，埋置在路基上；砌块为预制钢筋混凝土构件，由两个立柱和设置在立柱之上的顶板组成，砌块间隔布置在基座之上，每个砌块与轨排结构的一根轨枕相匹配，并通过钢筋连接与基座固定连接。

图3 门型装配式承轨梁立体示意

砌块作为支撑轨道结构的最小结构单元，可大幅度降低材料用量和温度效应；砌块作为标准预制构件，可标准化设计，标准化加工，实现预制装配施工；施工过程中轨排通过螺栓和砌块中预埋的套管直接安装在承轨梁上，然后通过调整轨排和砌块的位置实现精调，无需再设置承轨台。曲线地段通过调整砌块的倾角实现曲线超高，通过扇形布置实现曲梁施工，详见图4。

图4 门型装配式承轨梁曲线布置示意

4 门型装配式承轨梁技术研究

4.1 结构尺寸拟定

门型装配式承轨梁的基座尺寸可参照现有承轨梁技术取值。砌块各构件的最小尺寸需满足钢筋布置、混凝土振捣、具有足够的强度、可抵抗一定的变形等要求。

根据构造要求立柱的最小构造尺寸可拟定为20 cm×20 cm，能够承受的最大轴向压力约为668 kN，最大水平力约为34 kN，可满足强度和变形要求。立柱底部按固定端考虑，同时在不考虑顶板对立柱约束条件下，在最不利水平荷载作用下，柱顶最大横向位移为0.8 mm，转角弧度为0.82‰，柱顶最大纵向位移为0.6 mm，转角弧度为0.7‰，变形均较小，可满足变形控制要求。

根据构造要求顶板的厚度不宜小于20 cm，另外板宽及板长应满足轨排结构的安装要求，每节承轨梁长度应与轨排结构长度相匹配。除上述因素外，砌块尺寸还应考虑预埋锚固钢筋、温度荷载的影响、预制构件连接处键槽设置构造要求[9－11]等。

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现浇基座的尺寸可参考现有承轨梁技术进行取值，所以门型装配式承轨梁标准节的结构尺寸可参见表1和图5。

表1 门型装配式承轨梁结构尺寸

图5 门型装配式承轨梁横断面尺寸示意(单位:mm)

4.2 结构计算及设计

为了进一步明确门型装配式承轨梁的适用性，对其进行结构计算，分析结构内力及变形。计算模型可按纵向和横向简化为框架结构，如图6所示，横向截取单个砌块与其对应的底部基座进行计算，纵向取一节承轨梁进行计算。轨道结构自重及传递的列车动荷载简化为作用力施加在砌块顶部。

图6 门型装配式承轨梁理论模型图式

取适用于一般地区的计算参数多门型装配式承轨梁进行计算，见表2。

表2 计算参数取值

采用结构分析软件对门型装配式承轨梁进行计算，其横向、纵向计算分析结果，见表3、表4，结构内力见图7。

图7 结构内力

表3 横向内力结果

表4 纵向内力结果

根据计算结果，门型装配式承轨梁结构的变形及转角均满足规范要求，梁端转角不大于1‰，挠度不大于跨度的1/3 800，说明门型装配式承轨梁满足其功能要求，适用性良好，可以满足轨道平顺性要求。

根据内力计算结果，门型装配式承轨梁的结构内力和变形均较小，按容许应力法[16－17]进行设计，结构抗剪按构造布筋，抗弯主筋配筋率采用0.7%。

为了保证砌块与基座的连接强度满足设计要求，需采取必要的构造措施:(1)砌块底部埋置在基座内不小于5 cm；砌块底部设置键槽和粗糙面，键槽深度不小于3 cm；(2)砌块预留连接钢筋弯锚锚入基座，其锚固长度满足规范要求。

4.3 与轨排结构接口设计

砌块与轨排结构[18]通过M30螺栓[19]与预埋套管连接，连接构造见图8。砌块预制加工时应在顶板两侧预埋连接轨排的套管，套管内径31 mm，外径50 mm，采用玻璃纤维增强聚酰胺66材料[20]制作，预埋位置见图9，根据锚固长度要求，套管长度11 cm，套管预埋精度控制在±0.5 mm。

图8 砌块与轨排结构连接示意

图9 砌块顶板预埋套管位置示意(单位:mm)

4.4 施工工艺

门型装配式承轨梁可按下列施工工序实施:

(1)在工厂内现浇砌块，养护合格后提供给施工现场。

(2)将路基上的混凝土垫层作为施工平台，绑扎好基座的钢筋笼，并安装好模板。

(3)将砌块放置在钢筋笼内，确保锚入钢筋满足设计要求。

(4)采用测量仪器对砌块进行定位，采用排架对砌块进行固定。

(5)安装轨排结构，采用螺栓将轨排和砌块组装成整体，并对轨排结构进行精调。

(6)浇筑基座混凝土，将砌块与基座浇筑成整体。

4.5 与现有技术对比分析

门型装配式承轨梁方案与现有技术相比具有一定的技术优势，以工程实例中使用最多的实心梁为例进行比较，比较结果见表5。

表5 技术经济对比

5 结论

门型装配式承轨梁是在现有承轨梁技术存在问题及改进需求的基础上提出的，通过对门型装配式承轨梁方案研究，得出以下主要结论:

(1)门型装配式承轨梁由基座和多个小砌块装配而成，具有材料用量省、结构自重轻、温度效应低、工程投资省、施工便捷、施工工期短、质量易控制等特点。

(2)门型装配式承轨梁标准节的结构尺寸建议值:基座长11.6 m，宽2 m，高0.4 m；砌块立柱长0.35 m，宽0.3 m，高 0.9 m；砌块顶板长 1.3 m，宽0.49 m，高0.2 m；砌块沿线路方向间距1.2 m。

(3)门型装配式承轨梁的结构内力和变形均较小，结构抗剪按构造布筋，抗弯主筋配筋率采用0.7%。

(4)砌块可通过预埋套管与螺栓及轨排结构直接连接，轨排精调通过调整砌块位置实现，然后通过现浇基座固定，无需再设置承轨台构造。

门型装配式承轨梁技术与现有技术相比具有一定的技术优势和良好的推广应用价值，其仿真分析及室内模型试验研究正在进行当中，相关研究成果预计将在清远磁浮旅游专线工程中推广使用，相关施工工艺和设备的研究工作也将陆续开展。