常導(dǎo)磁懸浮車輛支墩支承結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

1、常導(dǎo)磁懸浮車輛支墩支承結(jié)構(gòu)設(shè)計探討     摘要:研究目的:磁懸浮列車在軌道上懸浮運行,具有快捷、安全、舒適、低噪聲、無輪軌摩擦、無污染等優(yōu)點,發(fā)展前景十分美好,必將成為21世紀的一種重要交通工具。本文對常導(dǎo)磁懸浮車輛支墩結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論進行了探討。研究方法:上部支承結(jié)構(gòu)計算按門式框架結(jié)構(gòu)進行分析。底梁設(shè)計時沿線路縱向取1米寬底梁作為計算單元,按彈性地基梁理論進行內(nèi)力和變形分析。研究結(jié)果:結(jié)合磁懸工程,對其主要結(jié)構(gòu)車輛支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計,從設(shè)計荷載、計算模型、計算圖式及結(jié)構(gòu)計算方法、結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計等方面進行了較為詳盡的說明。其設(shè)計理論及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法已經(jīng)用于多項工程

2、實驗。研究結(jié)論:常導(dǎo)磁懸浮車輛支承墩的設(shè)計理論及結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,經(jīng)工程實驗及四年多的運營實踐,證明設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)安全可靠,滿足懸浮運行的要求,具有一定的推廣價值。關(guān)鍵詞:常導(dǎo)磁懸浮;車輛支墩支承結(jié)構(gòu);設(shè)計;探討 磁懸浮列車在軌道上懸浮運行,具有快捷、安全、舒適、低噪聲、無輪軌摩擦、無污染的優(yōu)點,發(fā)展前景十分美好?？茖W(xué)家預(yù)言:磁懸浮列車是21世紀的一種重要的交通工具。      磁懸浮列車的基本原理是:利用磁力克服地球引力,使列車在軌道上懸浮,并利用線性直線電機推動前進。與常規(guī)輪軌列車相比,磁懸浮列車主要有以下優(yōu)點:  

3、;    (1)乘坐平穩(wěn)舒適、噪音低。列車運行時處于懸浮狀態(tài),車身與軌道之間無接觸,傳統(tǒng)輪軌列車系統(tǒng)相互作用引起的振動在這里被消除了,因此運行平穩(wěn),乘坐舒適。由于沒有輪軌之間的撞擊和摩擦,磁懸浮列車運行時的噪音也是非常低的。      (2)占地面積少、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強。磁懸浮鐵路占地面積較少,當采用高架線時,其效果將更加突出。充分利用其轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強的特點,則可適應(yīng)較為復(fù)雜地形的地區(qū),并能大量的減少工程數(shù)量,降低工程造價。      (3)安全可靠。

4、磁懸浮車體兩側(cè)是“包”在軌道上的,不存在脫軌掉道的問題。由于采用冗余結(jié)構(gòu)等措施,能確保其安全可靠。      (4)無輪軌磨損,壽命長機械維修工作量非常低。      (5)使電力牽引,無空氣污染,加之其低噪聲的特點,有利于環(huán)境保護,特別適合作為城市內(nèi)和市域區(qū)的交通工具。1 國內(nèi)外常導(dǎo)磁懸浮開發(fā)研究進程1.1 國外常導(dǎo)磁懸浮直線電動機車輛及工程的研發(fā)進程簡介      常導(dǎo)磁懸浮直線電動機車輛的研究開發(fā)始于20世紀70年代,它是日本航公司專為機場

5、高速交通而開發(fā)的車輛交通系統(tǒng),已歷經(jīng)30多年的發(fā)展歷史。它由直線感應(yīng)電機(Linearinductionmotor)推進,所以又稱為“Linimo”型。在1989年的Yokohama博覽會后,名古屋鐵路集團、愛知縣行政區(qū)和HSST公司聯(lián)合建立了ChubuHSST公司(CHSST)來推進HSST的商業(yè)化。CHSST先后推出了兩種商業(yè)化HSST型號:HSST100S和HSST100L,并在名古屋的大江修建了一條1.5km長的試驗線,在上面進行了兩種型號的全尺寸運營試驗。為TKL線設(shè)計的TKL“Linimo”列車樣車(屬于HSST100L型,結(jié)構(gòu)方面有較大改進)也在上面進行了試驗。同時確定了“常導(dǎo)磁

6、懸浮直線電動機車輛”的基本構(gòu)造。1993年,常導(dǎo)磁懸浮直線電動機車輛在大江試驗線經(jīng)過2年的運行試驗,運輸省得出了“關(guān)于實用化,技術(shù)層面上沒有問題”的結(jié)論,愛知縣得出了“作為城市市內(nèi)交通系統(tǒng),十分實用”的結(jié)論。而后開始了以提高系統(tǒng)維護性能和降低費用為目的的研究開發(fā),繼續(xù)進行耐久性試驗。2000年2月,他們又成立了半公開的“AichiKosokuKotsu(AKK)”公司來專門運營TKL項目。      為了迎接2005年“愛知”世博會,日本在名古屋(Nagoya)市郊的藤丘(Tobu)至萬博八草(Kyuryo)建設(shè)了一條磁浮商業(yè)運營線(也稱東部丘

7、陵線,簡稱TKL)。該線全長9km,全程運行大約需要15min,列車最大速度為100km/h。每天能運送30000名乘客。1.2 國內(nèi)常導(dǎo)磁懸浮車輛及工程研發(fā)情況簡介      我國從80年代開始進行磁懸浮車輛研究。并于2001年4月建成了長204m中低速磁懸浮列車某試驗線。2001年11月在北京市科委主持下,邀請國家科技部、某某省科技廳有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和包括5位中科院、工程院院士在內(nèi)的國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的專家,通過了中試系統(tǒng)評審?，F(xiàn)在,常導(dǎo)磁懸浮直線電動機車輛系統(tǒng)已經(jīng)在試驗線上安全試驗運行了8000km之多。2 線路及結(jié)構(gòu)的主要特點  

8、    由于磁浮列車系統(tǒng)車輛與軌道之間的無接觸、無磨損的支承和導(dǎo)向,無接觸的牽引和制動特性,對線路的曲線半徑和爬坡能力有了極大改善,使選線有更大的靈活性。2.1 轉(zhuǎn)彎半徑小。在曲線地段,為平衡側(cè)向自由加速度,不論公路還是鐵路,均設(shè)置橫坡(超高)。速度越快,半徑越小,橫坡值越大。由于磁浮列車不存在輪軌接觸,不會脫軌,其運行時也不會對軌道造成磨損,因此,可采用較大的橫坡值;緩和曲線和橫坡的線型,采用正弦曲線,其線型變化是圓順的,動力學(xué)特性較佳,不產(chǎn)生突變點,而且其橫坡角度變化完全以舒適度作為控制,不再受到防脫軌的限制。2.2 爬坡能力強。列車在坡道上運行時,會產(chǎn)生沿坡

9、道向下的重力分力。坡度越陡,載客越多,重力分力越大,對機車的牽引功率和粘軸能力的要求就越高。如法國高速輪軌列車TGV的最大坡度只達到3.5%。磁浮列車的直線電機被直接固定在轉(zhuǎn)向架上,沒有輪軌粘軸限制,列車的爬坡能力可達到10%。2.3 磁浮列車的行進必須在地面上有一個堅實可靠的支承和供電系統(tǒng),即線路系統(tǒng)。它包括軌道、線路梁及其支承結(jié)構(gòu)、供電軌和信號系統(tǒng)等。磁浮列車的無接觸支承、導(dǎo)向和驅(qū)動就是依靠上述的磁浮列車支承導(dǎo)向系統(tǒng)和軌道反應(yīng)板相互作用來實現(xiàn)的。軌道結(jié)構(gòu)在構(gòu)造上應(yīng)能滿足軌道設(shè)備的安裝、固定和界限等要求,并且滿足磁浮列車的穩(wěn)定供電及懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動等受力的要求。此外,還必須滿足磁浮列車在不同

10、環(huán)境條件下運行的舒適性和安全性。3 支承結(jié)構(gòu)設(shè)計      磁懸浮線路工程是一項高科技、高技術(shù)含量的軌道交通工程。目前國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計均無現(xiàn)成的經(jīng)驗、標準、規(guī)范作為依據(jù)。本著實驗指導(dǎo)設(shè)計,設(shè)計依靠實驗的原則,在某試驗線建成后,經(jīng)過4年多運行實驗,取得一些工程設(shè)計所需的相關(guān)資料或數(shù)據(jù)。下面對支墩型式的支承結(jié)構(gòu)設(shè)計作一介紹。3.1 設(shè)計規(guī)范及設(shè)計荷載3.1.1 采用設(shè)計規(guī)范      (1)鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(TB100252001)      (

11、2)鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范(TB1002·199)      (3)鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(TB1002·399)      (4)鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(TB1002·599)      (5)鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范(GBJ11187)3.1.2 采用設(shè)計荷載3.1.2.1 列車活載:      列車活載為均布活載。列車車長XXm,為均布活載。

12、每延米XXkN/m。設(shè)計加載時,對結(jié)構(gòu)設(shè)計分別按一輛車、兩輛車五輛車分別加載,取其最不利工況進行設(shè)計。      列車荷載沖擊系數(shù)取0.XX。      曲線門式框架結(jié)構(gòu)的離心力率C值計算參見鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范。3.1.2.2 恒載:      (1)線路設(shè)備重含導(dǎo)軌、鋼枕、反應(yīng)板、軌枕下橡膠墊板及與門式框架結(jié)構(gòu)聯(lián)接用的錨固螺栓等。      (2)門式框架結(jié)構(gòu)兩側(cè)的供電軌,其恒載共計每延米XX

13、kN/m。3.1.2.3 最大牽引力XXkN/m。3.1.2.4 最大制動力XXkN/m。3.1.2.5 地震力計算按鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范設(shè)計,并采取相應(yīng)的抗震措施。      設(shè)計荷載組合如表1所示。3.2 計算圖式及結(jié)構(gòu)計算3.2.1 計算圖式      (1)動力分析模型圖式如圖1所示。       (2)活載計算縱向圖式如圖2所示。      (3)活載計算橫向圖式如圖3所示。 

14、    3.2.2 結(jié)構(gòu)計算3.2.2.1 上部支承結(jié)構(gòu)計算(包括:縱梁、橫梁、支墩)。3.2.2.1.1 縱梁計算      (1)單元劃分:在支墩、距支墩1/2及距支墩1/4處截面處均應(yīng)設(shè)置節(jié)點。      (2)按門式框架結(jié)構(gòu)進行分析。3.2.2.1.2 橫梁計算      (1)橫梁板的計算。      (2)橫向閉合框架計算橫梁。3.2.2.1.3 支墩計算

15、      (1)支墩的計算。      (2)端部錨固區(qū)段局部應(yīng)力計算。3.2.2.1.4 局部計算      支墩底部的局部承壓。3.2.2.2 下部支承結(jié)構(gòu)(底板、或稱底梁)      作用在底板的恒載為門式框架結(jié)構(gòu)自重、底板自重?；钶d為磁懸浮列車荷載。3.2.2.2.1 底梁設(shè)計時沿線路縱向取1m寬底梁作為計算單元,按彈性地基梁理論進行內(nèi)力和變形分析。3.2.2.2.2 內(nèi)力和變形計算根據(jù)

16、彈性半無限體理論,彈性地基梁的撓度曲線微分方程為      式中E、u、I彈性地基梁的彈性模量、泊松比、慣性矩;               q(x)地基梁所受荷載;               P(x)地基的反力。    

17、60; 靜力平衡條件Q=0;M=0      變形協(xié)調(diào)條件梁的撓度等于地基的沉陷變形。由于彈性地基梁所受荷載類型復(fù)雜,曲線微分方程中待定系數(shù)多,計算工作大。采用近似按平面應(yīng)變問題處理?？珊喕嬎愎ぷ?。      計算時將底板上分布的荷載類型(均布荷載、集中荷載、力偶荷載)分別進行內(nèi)力、變形計算,再疊加。3.2.2.2.3 手算公式手算時采用彈性半無限體理論分析法中的級數(shù)法,這種方法已有備表。計算用表可查詢鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊橋梁地基與基礎(chǔ)中的有關(guān)章節(jié)。不再敘述。3.2.3 結(jié)構(gòu)物計算主要技術(shù)要求

18、3.2.3.1 主要技術(shù)標準      (1)結(jié)構(gòu)物使用壽命:100年。      (2)結(jié)構(gòu)物的設(shè)計烈度按地震烈度提高1度考慮。3.2.3.2 計算方法-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)按容許應(yīng)力法。3.2.3.3 主要材料      (1)混凝土及鋼筋混凝土均采用C25。      (2)鋼筋螺紋筋采用HRB335鋼筋,光鋼筋采用HPB235鋼筋。3.3 結(jié)構(gòu)計算具體步驟簡述   

19、   本結(jié)構(gòu)設(shè)計計算分為支墩、縱梁、橫梁、圈梁、底板、車擋共計6個部分。其中底板采用現(xiàn)場澆注C25鋼筋混凝土條形整體底板,并與支墩澆注成整體;車擋采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)場澆注臺階形整體結(jié)構(gòu),設(shè)置于底板上部,并與底板及支墩澆注成整體;支墩與縱梁、支墩及橫梁均采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)場澆注,由于本次設(shè)計采用門式框架結(jié)構(gòu),所以一根橫梁聯(lián)接兩根支墩,支墩縱向間距采用2.40m,橫向間距采用1.0m,支墩與橫梁均采用等截面正方形設(shè)計?？v梁沿線路方向?qū)⒅Ф者B接成整體,縱梁截面0.4m×0.2m,并與支墩及橫梁澆注成整體。圈梁采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)場澆注長方形結(jié)構(gòu),四角與支墩連接

20、成整體。結(jié)構(gòu)計算采用容許應(yīng)力法,具體計算方法如下:3.3.1 縱梁計算3.3.1.1 內(nèi)力(彎矩、剪力、支座反力)計算:采用兩端固定梁方法,受均布荷載作用。計算它的最大彎矩和支座反力或剪力,采用其中最大值配鋼筋。采用的公式如下:      式中Mmax均布荷載作用下產(chǎn)生最大彎矩(kN·m);               RA、RB均布荷載作用下兩端支座點的反力(kN);  &#

21、160;            q作用在縱梁上的均布荷載(kN/m);               l縱梁的跨度(m);               x0.211l或0.789l。3.3.1.2截面設(shè)計:根據(jù)已

22、知荷載和材料來選擇混凝土和鋼筋的截面尺寸,并結(jié)合鋼筋的直徑和根數(shù)布置鋼筋。      (1)首先假設(shè)梁寬b,計算有效高度h0。      采用的公式如下:      式中Ag受拉鋼筋總截面積;              C2、C4截面系數(shù)(可查表,見鐵路工程設(shè)計     

23、; 技術(shù)手冊路基附錄),其余符號同前。      (2)計算梁的配筋率=Ag/bh0      (3)強度復(fù)核:截面強度復(fù)核是根據(jù)已知截面,驗算鋼筋和混凝土的應(yīng)力是否超出規(guī)范規(guī)定的允許應(yīng)力,或驗算鋼筋和混凝土的抵抗彎矩是否大于或等于最大荷載彎矩。      采用的公式如下:      式中 g受拉鋼筋的應(yīng)力;       

24、60;  h混凝土應(yīng)力;             g鋼筋的容許拉應(yīng)力;             w混凝土彎曲受壓時的容許壓應(yīng)力;          x中行軸位置;        &

25、#160; z內(nèi)力偶臂長,其余符號同前。3.3.1.3 剪應(yīng)力計算:      (1)首先計算矩形截面的剪應(yīng)力采用的公式如下:      式中Qmax某一截面的剪力;               zl-3全由混凝土承受主拉應(yīng)力,其余符號同前。      然后用Qh=0.07Ra×b×h0K

26、Q來應(yīng)算斜截面抗剪強度。      (2)當梁支座截面處的剪應(yīng)力0max<zl-2或Qh>KQ時,箍筋與斜筋可按構(gòu)造要求設(shè)置,不再進行計算。      當zl-1>0max>zl-2或者QhKQ時,則必須設(shè)計剪力鋼筋來承受主拉應(yīng)力。      采用的公式如下:      式中zl-1有箍筋及斜筋的混凝土主拉應(yīng)力;     &

27、#160;         zl-2無箍筋及斜筋的混凝土主拉應(yīng)力;               斜筋承受的剪應(yīng)力圖面積;               n每道箍筋的支數(shù)或斜筋的根數(shù);     

28、          每根斜筋的截面積;               A所需配筋的總面積;               k每支斜筋的截面積;       

29、0;       S箍筋的間距,其余符號同前。3.3.1.4 裂縫檢算:      采用的公式如下:      式中g(shù)受拉鋼筋的應(yīng)力;              d受拉鋼筋直徑;