装配式中低速磁浮轨道梁及桥墩设计研究

郭俊峰

(中铁二十三局集团有限公司 四川成都 610072)

1 引言

目前中低速磁浮属于城市轨道交通中比较先进的技术，具有速度快、成本低、安全环保等优势，适用于市区与城郊、旅游景区之间的交通连接。随着磁浮市场不断壮大，关于磁浮轨道梁及桥墩的研究受到越来越多的关注[1]。

磁浮轨道梁不仅承受列车荷载，还要承受导轨及供电信号装置的荷载，其跨度和截面型式是在普通铁路的基础上，满足特殊构造要求与运营舒适性确定的。张文斌和文功启[2]依托某中低速磁浮试验线，研究了满足线路运营安全性和行使舒适性要求的轨道梁结构形式及施工方法。耿杰[3]以长沙中低速磁浮为工程背景，对比分析了各梁型、梁高条件下轨道梁的差异。张子尧[4]利用有限元软件研究了25～40 m跨度范围的磁浮轨道梁，结论表明，30 m跨度结构其社会和经济效应最优，为推荐跨径。杨光[5]研究了株机厂试验线和长沙磁浮商业线中简支梁在不同挠跨比下的系统动力响应，提出了适合我国中低速磁浮交通简支轨道梁的竖向挠跨比限值。

装配式桥梁构件具有建设速度快、震后易修复等优势，逐渐被应用于桥梁建造领域。相比桥梁的上部结构，桥墩的预制化程度远远不足，因此越来越多的学者开始研究桥墩的预制装配化方案。刘少乾[6]设计不同的桥墩模型进行拟静力试验研究，分析空心预制节段桥墩的抗震性能与破坏机理。陈久强[7]设计制作了传统现浇桥墩、半预制半现浇桥墩和完全预制桥墩三种试件，并通过有限元软件进行参数分析，得出不同轴压比与底部节段纵筋配筋率下所对应的底部节段高度的合理取值。张发飞等[8]利用限位螺栓改善了预制节段桥墩的耗能能力，并进行模拟地震来袭情况下的动力学时程分析。江梦莹[9]则采用一种新型法兰连接的方式对普通预制节段钢管混凝土桥墩进行结构改进，运用ABAQUS有限元分析软件并采用混凝土塑性损伤模型对结构进行分析验证，发现新型法兰连接节段桥墩的抗震性能优于普通节段钢管混凝土桥墩，其结合了现浇桥墩和预制节段桥墩两者的优点。

本文以某中低速磁浮工程为背景，对比分析磁浮轨道梁的截面型式，在满足适用、安全、技术性、经济性以及施工便捷性的基础上，设计了装配式中低速磁浮轨道梁及桥墩，显著改善了传统施工占道严重、运输效率低、施工周期长、环境污染大等缺点，为中低速磁浮轨道梁及桥墩设计提供参考[10－12]。

2 装配式轨道梁设计

预制节段梁的划分方法有多种，一般包括纵向划分法、横向划分法与竖向划分法三种，如图1所示。拼接缝处可采有树脂类粘接剂或预应力钢材使预制块连接为整体，辅以剪力键抵抗剪力。

图1 装配式轨道梁节段划分

在预制、运输、架设方面，竖向划分方法与整孔预制梁区别不大，没有明显优势，反而增加了桥梁拼装工序。因此下文仅分析纵向划分法和横向划分法。

2.1 技术标准

为满足跨越城市宽幅道路的需求，设计轨道梁桥梁全长为31.2 m，计算跨度为30.1 m，按全预应力构件设计。主要技术指标如下:

(1)正线数目:单线；

(2)设计行车速度:100 km/h；

(3)设计活载:按25 kN考虑；

(4)轨道结构高度:梁顶至轨面高度0.5 m。

2.2 纵向节段拼装箱梁

轨道梁型式为单箱单室截面，跨中截面顶部宽度为1.3 m，底部宽度为1.4 m，梁高为2.4 m，顶板厚为22 cm，底板厚为20 cm，腹板厚为26 cm；靠近梁端位置底板及腹板分别局部向内侧线性加厚至47 cm与36 cm。轨道梁纵向在跨中位置划分为两节段，节段间通过树脂类胶粘剂粘接。纵向设置8束永久预应力管道，节段拼装时可为胶粘剂提供临时压应力。梁顶铺设轨道等附属结构，跨中截面见图2。

图2 纵向节段拼装箱梁截面(单位:cm)

采用有限元软件建模计算，纵向节段拼装箱梁强度计算结果见表1，刚度计算结果见表2。

表1 _纵向节段拼装箱梁强度计算结果

表2 纵向节段拼装箱梁刚度计算结果

由表1和表2可以看出:纵向节段拼装箱梁强度和刚度计算结果均满足规范要求。

2.3 横向节段拼装梁方案(U梁＋承轨梁)

轨道梁设计为U梁＋承轨梁型式，其上布置矩形承轨梁段，承轨梁高为0.3 m，节段每隔3～4 m设置一道横向分缝，沿轨道梁纵向通长布置。U梁跨中截面梁顶宽度为1.3 m，底面宽度为1.4 m。顶板厚30 cm，底板厚40 cm，腹板厚24 cm，腹板在梁端附近加厚至29 cm。梁端、1/4跨及跨中位置设置40 cm厚的横隔板，横隔板预留洞口用于布设磁浮系统相关线缆。

承轨梁与U梁间通过树脂类胶粘剂粘接，竖向间隔1～2 m设置预应力管道，可为节段拼装胶粘剂提供临时压应力，施工完成后拆除。跨中截面见图3。

图3 横向节段拼装梁截面(单位:cm)

采用有限元软件建模计算，横向节段拼装梁强度计算结果见表3，刚度计算结果见表4。

表3 横向节段拼装梁强度计算结果

表4 横向节段拼装梁刚度计算结果

由表3和表4可以看出:横向节段拼装梁强度和刚度均满足规范要求。

2.4 方案比选

对比分析纵向节段拼装箱梁方案与横向节段拼梁方案，虽然两种梁型均满足强度及刚度要求，但在构造方面二者有明显区别。在制作方面，横向划分法的“U”梁结构外形复杂，模板精度要求高，预应力支座会占用一定梁顶面积，易与轨道结构冲突；在运输方面，纵向划分法的箱梁具备明显优势，可沿纵向划分若干节段，从而实现城市复杂交通要求下的长距离运输；在建造成本方面，纵向划分法可方便取出内模板，模板周转率可达到100%，降低了磁浮轨道梁的建造成本。综合考虑上述三方面因素，本文选定纵向节段拼装箱梁方案。

3 装配式桥墩设计

本文选择装配式单柱桥墩方案，由1个墩底节、若干个中间节与1个墩顶节自下而上拼装。墩身标准节段长度为2 m，桥墩高度调整方式通过增减中间节个数以及调整承台顶标高实现。墩身最大高度为12 m。节间竖筋采用专用钢筋连接套筒连接，截面采用环氧树脂胶粘剂粘接，桥墩立面及截面如图4所示。

图4 预制桥墩立面及截面(单位:cm)

主要计算参数如下:

(1)恒载:结构自重、二期恒载、预加应力以及混凝土收缩徐变等；

(2)活载:列车竖向动力作用、侧向导向力；

(3)附加力:制动力、牵引力、风力、温度力等；

(4)特殊荷载:紧急制动力、地震力作用；

(5)材料:桥墩采用C40混凝土，支座垫石采用C50混凝土，钢筋采用HPB300和HRB400级。

考虑上述主要计算参数，采用有限元软件建模计算，装配式单柱桥墩强度和刚度计算结果见表5。

表5 装配式桥墩强度和刚度计算结果

从表5可以看出:装配式桥墩强度和刚度均满足规范要求。

装配式轨道梁与桥墩施工主要包括预制节段制作、运输以及现场拼装。与传统现浇施工方法相比，装配式施工减少了现场钢筋绑扎、混凝土浇筑及养护等步骤，节省了大量时间。

4 结论

中低速磁浮系统具有较先进的技术，是城市交通未来的发展方向。本文基于装配式构件的思路设计了中低速磁浮轨道梁及桥墩，并采用有限元软件计算分析磁浮轨道梁及桥墩的力学特性，可得如下结论:

(1)横向节段拼装梁(U梁＋承轨梁)的强度和刚度均满足规范要求。其不足之处表现为:结构外形复杂，模板精度要求高；预应力支座会占用一定梁顶面积，易与轨道结构冲突。

(2)纵向节段拼装梁的强度和刚度均满足规范要求。其优势表现为:便于施工，适合复杂交通环境下长距离运输；模板周转率可达100%，降低了磁浮轨道梁的建造成本。

(3)设计了装配式单柱桥墩，其强度与刚度均满足规范标准，具有一定的安全储备。