常導(dǎo)磁懸浮車輛支墩支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

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

2、實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)論:常導(dǎo)磁懸浮車輛支承墩的設(shè)計(jì)理論及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)及四年多的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐,證明設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)安全可靠,滿足懸浮運(yùn)行的要求,具有一定的推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞:常導(dǎo)磁懸浮;車輛支墩支承結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì);探討 磁懸浮列車在軌道上懸浮運(yùn)行,具有快捷、安全、舒適、低噪聲、無(wú)輪軌摩擦、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn),發(fā)展前景十分美好。科學(xué)家預(yù)言:磁懸浮列車是21世紀(jì)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(jī)推動(dòng)前進(jìn)。與常規(guī)輪軌列車相比,磁懸浮列車主要有以下優(yōu)點(diǎn):  

3、;    (1)乘坐平穩(wěn)舒適、噪音低。列車運(yùn)行時(shí)處于懸浮狀態(tài),車身與軌道之間無(wú)接觸,傳統(tǒng)輪軌列車系統(tǒng)相互作用引起的振動(dòng)在這里被消除了,因此運(yùn)行平穩(wěn),乘坐舒適。由于沒(méi)有輪軌之間的撞擊和摩擦,磁懸浮列車運(yùn)行時(shí)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(qiáng)。磁懸浮鐵路占地面積較少,當(dāng)采用高架線時(shí),其效果將更加突出。充分利用其轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)的特點(diǎn),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(jià)。      (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(wèn)題。由于采用冗余結(jié)構(gòu)等措施,能確保其安全可靠。      (4)無(wú)輪軌磨損,壽命長(zhǎng)機(jī)械維修工作量非常低。      (5)使電力牽引,無(wú)空氣污染,加之其低噪聲的特點(diǎn),有利于環(huán)境保護(hù),特別適合作為城市內(nèi)和市域區(qū)的交通工具。1 國(guó)內(nèi)外常導(dǎo)磁懸浮開發(fā)研究進(jìn)程1.1 國(guó)外常導(dǎo)磁懸浮直線電動(dòng)機(jī)車輛及工程的研發(fā)進(jìn)程簡(jiǎn)介      常導(dǎo)磁懸浮直線電動(dòng)機(jī)車輛的研究開發(fā)始于20世紀(jì)70年代,它是日本航公司專為機(jī)場(chǎng)

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(jī)(Linearinductionmotor)推進(jìn),所以又稱為“Linimo”型。在1989年的Yokohama博覽會(huì)后,名古屋鐵路集團(tuán)、愛知縣行政區(qū)和HSST公司聯(lián)合建立了ChubuHSST公司(CHSST)來(lái)推進(jìn)HSST的商業(yè)化。CHSST先后推出了兩種商業(yè)化HSST型號(hào):HSST100S和HSST100L,并在名古屋的大江修建了一條1.5km長(zhǎng)的試驗(yàn)線,在上面進(jìn)行了兩種型號(hào)的全尺寸運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)。為TKL線設(shè)計(jì)的TKL“Linimo”列車樣車(屬于HSST100L型,結(jié)構(gòu)方面有較大改進(jìn))也在上面進(jìn)行了試驗(yàn)。同時(shí)確定了“常導(dǎo)磁

6、懸浮直線電動(dòng)機(jī)車輛”的基本構(gòu)造。1993年,常導(dǎo)磁懸浮直線電動(dòng)機(jī)車輛在大江試驗(yàn)線經(jīng)過(guò)2年的運(yùn)行試驗(yàn),運(yùn)輸省得出了“關(guān)于實(shí)用化,技術(shù)層面上沒(méi)有問(wèn)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(shí)用”的結(jié)論。而后開始了以提高系統(tǒng)維護(hù)性能和降低費(fèi)用為目的的研究開發(fā),繼續(xù)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。2000年2月,他們又成立了半公開的“AichiKosokuKotsu(AKK)”公司來(lái)專門運(yùn)營(yíng)TKL項(xiàng)目。      為了迎接2005年“愛知”世博會(huì),日本在名古屋(Nagoya)市郊的藤丘(Tobu)至萬(wàn)博八草(Kyuryo)建設(shè)了一條磁浮商業(yè)運(yùn)營(yíng)線(也稱東部丘

7、陵線,簡(jiǎn)稱TKL)。該線全長(zhǎng)9km,全程運(yùn)行大約需要15min,列車最大速度為100km/h。每天能運(yùn)送30000名乘客。1.2 國(guó)內(nèi)常導(dǎo)磁懸浮車輛及工程研發(fā)情況簡(jiǎn)介      我國(guó)從80年代開始進(jìn)行磁懸浮車輛研究。并于2001年4月建成了長(zhǎng)204m中低速磁懸浮列車某試驗(yàn)線。2001年11月在北京市科委主持下,邀請(qǐng)國(guó)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(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的專家,通過(guò)了中試系統(tǒng)評(píng)審?，F(xiàn)在,常導(dǎo)磁懸浮直線電動(dòng)機(jī)車輛系統(tǒng)已經(jīng)在試驗(yàn)線上安全試驗(yàn)運(yùn)行了8000km之多。2 線路及結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)  

8、    由于磁浮列車系統(tǒng)車輛與軌道之間的無(wú)接觸、無(wú)磨損的支承和導(dǎo)向,無(wú)接觸的牽引和制動(dòng)特性,對(duì)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(huì)脫軌,其運(yùn)行時(shí)也不會(huì)對(duì)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(dòng)力學(xué)特性較佳,不產(chǎn)生突變點(diǎn),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(qiáng)。列車在坡道上運(yùn)行時(shí),會(huì)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(duì)機(jī)車的牽引功率和粘軸能力的要求就越高。如法國(guó)高速輪軌列車TGV的最大坡度只達(dá)到3.5%。磁浮列車的直線電機(jī)被直接固定在轉(zhuǎn)向架上,沒(méi)有輪軌粘軸限制,列車的爬坡能力可達(dá)到10%。2.3 磁浮列車的行進(jìn)必須在地面上有一個(gè)堅(jiān)實(shí)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(hào)系統(tǒng)等。磁浮列車的無(wú)接觸支承、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)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(lái)實(shí)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(dòng)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(yùn)行的舒適性和安全性。3 支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)      磁懸浮線路工程是一項(xiàng)高科技、高技術(shù)含量的軌道交通工程。目前國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均無(wú)現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范作為依據(jù)。本著實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)依靠實(shí)驗(yàn)的原則,在某試驗(yàn)線建成后,經(jīng)過(guò)4年多運(yùn)行實(shí)驗(yàn),取得一些工程設(shè)計(jì)所需的相關(guān)資料或數(shù)據(jù)。下面對(duì)支墩型式的支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作一介紹。3.1 設(shè)計(jì)規(guī)范及設(shè)計(jì)荷載3.1.1 采用設(shè)計(jì)規(guī)范      (1)鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB100252001)      (

11、2)鐵路橋涵設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范(TB1002·399)      (4)鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB1002·599)      (5)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ11187)3.1.2 采用設(shè)計(jì)荷載3.1.2.1 列車活載:      列車活載為均布活載。列車車長(zhǎng)XXm,為均布活載。

12、每延米XXkN/m。設(shè)計(jì)加載時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別按一輛車、兩輛車五輛車分別加載,取其最不利工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。      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(jì)算參見鐵路橋涵設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)力XXkN/m。3.1.2.5 地震力計(jì)算按鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì),并采取相應(yīng)的抗震措施。      設(shè)計(jì)荷載組合如表1所示。3.2 計(jì)算圖式及結(jié)構(gòu)計(jì)算3.2.1 計(jì)算圖式      (1)動(dòng)力分析模型圖式如圖1所示。       (2)活載計(jì)算縱向圖式如圖2所示。      (3)活載計(jì)算橫向圖式如圖3所示。 

14、    3.2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算3.2.2.1 上部支承結(jié)構(gòu)計(jì)算(包括:縱梁、橫梁、支墩)。3.2.2.1.1 縱梁計(jì)算      (1)單元?jiǎng)澐?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(diǎn)。      (2)按門式框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。3.2.2.1.2 橫梁計(jì)算      (1)橫梁板的計(jì)算。      (2)橫向閉合框架計(jì)算橫梁。3.2.2.1.3 支墩計(jì)算

15、      (1)支墩的計(jì)算。      (2)端部錨固區(qū)段局部應(yīng)力計(jì)算。3.2.2.1.4 局部計(jì)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(jì)時(shí)沿線路縱向取1m寬底梁作為計(jì)算單元,按彈性地基梁理論進(jìn)行內(nèi)力和變形分析。3.2.2.2.2 內(nèi)力和變形計(jì)算根據(jù)

16、彈性半無(wú)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(jì)算工作大。采用近似按平面應(yīng)變問(wèn)題處理?？珊?jiǎn)化計(jì)算工作。      計(jì)算時(shí)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(jìn)行內(nèi)力、變形計(jì)算,再疊加。3.2.2.2.3 手算公式手算時(shí)采用彈性半無(wú)限體理論分析法中的級(jí)數(shù)法,這種方法已有備表。計(jì)算用表可查詢鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)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(jì)算主要技術(shù)要求

18、3.2.3.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)      (1)結(jié)構(gòu)物使用壽命:100年。      (2)結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)烈度按地震烈度提高1度考慮。3.2.3.2 計(jì)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(jì)算具體步驟簡(jiǎn)述   

19、   本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算分為支墩、縱梁、橫梁、圈梁、底板、車擋共計(jì)6個(gè)部分。其中底板采用現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)澆注臺(tái)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(chǎng)澆注,由于本次設(shè)計(jì)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(jì)。縱梁沿線路方向?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(chǎng)澆注長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu),四角與支墩連接

20、成整體。結(jié)構(gòu)計(jì)算采用容許應(yīng)力法,具體計(jì)算方法如下:3.3.1 縱梁計(jì)算3.3.1.1 內(nèi)力(彎矩、剪力、支座反力)計(jì)算:采用兩端固定梁方法,受均布荷載作用。計(jì)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(diǎn)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(jì):根據(jù)已

22、知荷載和材料來(lái)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(jì)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(jì)     

23、; 技術(shù)手冊(cè)路基附錄),其余符號(hào)同前。      (2)計(jì)算梁的配筋率=Ag/bh0      (3)強(qiáng)度復(fù)核:截面強(qiáng)度復(fù)核是根據(jù)已知截面,驗(yàn)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(yàn)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(shí)的容許壓應(yīng)力;          x中行軸位置;        &

25、#160; z內(nèi)力偶臂長(zhǎng),其余符號(hào)同前。3.3.1.3 剪應(yīng)力計(jì)算:      (1)首先計(jì)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(hào)同前。      然后用Qh=0.07Ra×b×h0K

26、Q來(lái)應(yīng)算斜截面抗剪強(qiáng)度。      (2)當(dāng)梁支座截面處的剪應(yīng)力0max<zl-2或Qh>KQ時(shí),箍筋與斜筋可按構(gòu)造要求設(shè)置,不再進(jìn)行計(jì)算。      當(dāng)zl-1>0max>zl-2或者QhKQ時(shí),則必須設(shè)計(jì)剪力鋼筋來(lái)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(wú)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(hào)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;