中低速磁懸浮列車高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計

宋長江,高修建

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司城交分院,天津 300251)

1 概述

中低速磁懸浮列車軌道交通,是一項高科技、高技術(shù)含量的軌道交通尖端工程,已被國家列入“十一五”規(guī)劃,具有廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)高架車站軌道梁與站房的關(guān)系,高架車站結(jié)構(gòu)可分為“橋建合一”和“橋建分開”兩類,昆明磁浮列車新建工程及唐山磁浮試驗線均采用“橋建合一”形式。這種結(jié)構(gòu)形式涉及建筑結(jié)構(gòu)和橋梁兩個專業(yè),結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載大、作用特征復(fù)雜,分析計算和設(shè)計難度大。一般認(rèn)為直接承受列車荷載的軌道梁按“鐵道工程專業(yè)相關(guān)規(guī)范”,采用容許應(yīng)力法計算,其下部的框架結(jié)構(gòu)既要滿足“鐵道工程專業(yè)相關(guān)規(guī)范”,又要滿足工民建專業(yè)相關(guān)規(guī)范要求。

中低速磁浮列車運行條件與傳統(tǒng)的輪軌式列車有很大的差別,在力學(xué)性能上主要體現(xiàn)在:單跨磁浮軌道梁要求豎向撓跨比≤1/3800,水平撓跨比≤1/2000,而輕軌軌道梁要求豎向撓跨比≤1/2000,磁浮軌道梁剛度要求比輕軌嚴(yán)格;磁浮列車荷載是均布荷載形式,而輕軌荷載是集中荷載形式;為滿足磁浮車輛下方供電要求,并具備一定的檢修功能,車站內(nèi)要設(shè)置支墩支撐受流軌,要求設(shè)置連續(xù)的軌道梁來支撐支墩等。由于以上的磁浮列車特性,更加大了車站結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。

2 荷載及荷載組合

由于磁浮車輛進出站的頻率較高,因此,對于高架車站如何進行荷載組合以求出最不利的內(nèi)力,是高架車站設(shè)計的一個難點。昆明磁浮列車軌道交通和唐山試驗線都是采用單線的形式,所以對內(nèi)力進行組合僅考慮單線有車的情況,考慮主力、主力與附加力、主力與特殊力(地震力)的幾種組合分別進行建模計算。

2.1 荷載

通過對工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力分析,綜合所有各種可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用的荷載,將荷載分為主力、附加力、特殊力三類,在設(shè)計中,部分荷載(一般房屋建筑設(shè)計中不考慮的荷載)的取值按如下原則。

(1)車輛靜活載圖示(圖1)

圖1 車輛靜活載圖示

(2)列車豎向動力作用:為車輛靜活載乘以動力系數(shù) μ,μ=10/(30+L)(L為軌道梁跨度,單位為 m)。

(3)列車制動力或牽引力:列車的制動力或牽引力按列車豎向靜活載的 13%計算,緊急制動力按豎向靜活載的 20%計算。列車制動力取 3.0kN/m,緊急制動力取 4.6kN/m。車站位于直線上,離心力 C=0。

(4)伸縮力、撓曲力:由于磁浮車輛的軌排是磁浮特有的一種形式,目前尚缺少試驗數(shù)據(jù),參考輪軌高架車站取值,伸縮力、撓曲力取 10kN。

(5)汽車撞擊力:落地框架柱有可能受汽車撞擊,應(yīng)設(shè)置防撞保護設(shè)施。無法設(shè)置防撞保護設(shè)施時,墩柱設(shè)計必須考慮汽車對墩柱的撞擊力。汽車撞擊力順著汽車行駛方向時采用 1000kN,垂直于汽車行駛方向時,采用 500kN,作用在路面以上 1.20m高度處。

2.2 荷載組合

根據(jù)磁浮高架車站的實際情況,在進行內(nèi)力組合時考慮以下幾種情況:伸縮力與撓曲力不同時組合,制動力或牽引力不與搖擺力同時出現(xiàn),地震力與汽車撞擊力不同時組合。荷載組合見表1。

這篇文章構(gòu)思很巧妙，小作者從“我”現(xiàn)在玩的游戲?qū)懙綃寢屝r候玩的游戲，非常自然，既體現(xiàn)出時代的進步，又引人思考。

表1 荷載組合

3 結(jié)構(gòu)分析及計算

3.1 程序的選取及模型、參數(shù)的合理選擇

由于車站大多采用框架結(jié)構(gòu),所以可以采用三維的空間設(shè)計軟件 SATWE、TAT、SAP2000等進行計算。一般以 SATWE來計算,SATWE程序是用于高層及多層建筑結(jié)構(gòu)的空間分析程序,它采用空間桿系、墻元等計算模型,對高架車站這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)更能真實的反映出結(jié)構(gòu)的受力性能。但是,由于車站與一般的民用建筑有所不同,所以,在計算時要合理地簡化模型及選用參數(shù),以獲得合理的計算結(jié)果。

車站長度≥80m時,一般設(shè)置變形縫,建模時對每個框架單獨建模計算。樓板大開洞處,不符合樓板無限剛性的假定,應(yīng)將洞口的梁柱節(jié)點設(shè)置為彈性節(jié)點,再進行計算,這樣比較符合實際。對于車站平面不對稱的情況,一般選擇考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián),振型個數(shù)≥9,當(dāng)結(jié)構(gòu)層數(shù)較多或結(jié)構(gòu)剛度突變較大時,則振型數(shù)也應(yīng)取得多些。若車站內(nèi)有較多管理用房,實際的剛度大于程序計算出的剛度,實際周期小于計算周期,因此計算出來的地震力比實際小,結(jié)構(gòu)偏于不安全,所以應(yīng)對地震力再放大些,通過調(diào)整“周期折減系數(shù)”可以達到這個目的,周期折減系數(shù)可取“0.7～0.75”。由于車站相對于一般民用建筑,活載占整體結(jié)構(gòu)荷載的比例較大,所以框架梁計算時要考慮活載的不利布置。

3.2 框架梁、框架柱的計算

“橋建合一”型車站結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

有支撐軌道梁的框架橫梁及與框架橫梁連接在一起的框架柱如何設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計中需重點研究的問題。因為一方面,框架橫梁及框架柱作為框架的一部分,需要滿足工民建規(guī)范要求的框架空間計算及抗震計算和構(gòu)造要求;另一方面,框架結(jié)構(gòu)橫梁作為軌道梁的支座,直接承受列車活載,又需要滿足鐵路規(guī)范的要求。框架柱作為框架橫梁的支撐點,也要滿足兩種規(guī)范的要求,兩者之間相連的節(jié)點處理也同樣不可忽視。所以,設(shè)計時需要對框架梁柱進行框架空間計算,以滿足工民建規(guī)范的抗震等要求,又需對它們單獨計算以滿足鐵路規(guī)范的要求。在計算時可通過電算輸入各種不同工況的荷載進行三維計算,對框架橫梁和框架柱進行比較分析。

圖2 磁浮車站結(jié)構(gòu)剖面(單位:mm)

車站框架橫梁一方面要負(fù)擔(dān)軌道梁傳來的列車荷載,另一方面又要承受樓面的恒載、活載?？蚣軝M梁承受的荷載比較大,受力復(fù)雜。因此為了控制跨中的撓度,增強結(jié)構(gòu)的剛性,提高抗裂性,在框架橫梁設(shè)計時撓跨比限值定為 1/4600。計算中,對不同工況進行橫向平面框架計算,同時進行三維空間計算,取計算結(jié)果的較不利者對框架橫梁進行設(shè)計。設(shè)計中可根據(jù)彎矩包絡(luò)圖確定縱筋彎起的位置進行抗剪筋的設(shè)置。

4 連續(xù)軌道梁計算

4.1 連續(xù)軌道梁計算模型

軌道梁及支墩如圖3所示。

對于磁浮車站,由于軌道梁上部設(shè)有支墩,支墩間距 2.4m,為保證支墩連續(xù)性和整體性,采用軌道梁和框架橫梁剛接的形式,因此計算軌道梁不能按理想的鉸支多跨連續(xù)梁考慮,應(yīng)按彈性支座多跨連續(xù)梁進行計算。通過大型有限元軟件建立5跨連續(xù)梁模型,計算出剪力和彎矩包絡(luò)圖,發(fā)現(xiàn)彈性支座連續(xù)梁邊跨跨中產(chǎn)生的彎矩,要比簡支支座連續(xù)梁跨中大 15%,但支座彎矩比簡支支座小 10%。為計算方便,在設(shè)計時仍采用 5跨簡支連續(xù)梁模型,在軌道梁跨中配筋時依據(jù)模型結(jié)果適當(dāng)加大。

圖3 軌道梁及支墩(單位:mm)

圖4 連續(xù)軌道梁內(nèi)力圖

通過上面軌道梁剪力包絡(luò)圖和彎矩包絡(luò)圖,可以看出磁浮列車產(chǎn)生的跨中彎矩、支座彎矩約占總彎矩的 40%,支座剪力占總剪力的 45%?？梢?列車荷載在車站結(jié)構(gòu)設(shè)計中是非常關(guān)鍵的一種荷載,在模型計算中應(yīng)進行認(rèn)真分析。

4.2 連續(xù)軌道梁剛度及配筋設(shè)計

當(dāng)磁浮列車在軌排上運行時,整個車體與軌排的間隙僅有8mm,為滿足磁浮車輛的正常運營,要求磁浮軌道梁豎向撓跨比≤1/3800,水平撓跨比≤1/2000。

軌道梁的撓度計算中考慮長期作用效應(yīng)的影響,邊跨撓度為 1mm,中跨撓度為 0.6mm,均 ＜L/3800=1.9mm,滿足磁浮列車運行的要求。為了避免由于車-軌道梁的耦合振動導(dǎo)致的車軌共振,軌道梁一階固定頻率宜 ＞64/L,經(jīng)過計算得到 5跨連續(xù)梁的自振頻率為 18.03Hz＞64/L=8.9Hz。滿足自振頻率要求。

軌道梁既要承受列車荷載,又要承受樓面?zhèn)鱽淼暮爿d及人群活載,所以軌道梁配筋既要滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2002),又要滿足《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》(TB10002.3—2005),兩種不同規(guī)范配筋作比較如表2所示。

表2 配筋計算比較

可見,按 TB10002.3—2005受彎計算,鋼筋應(yīng)力滿足 σs≤180MPa的要求下,配筋率比 GB50010—2002增加 70%。而剪力配筋則采用了不同的設(shè)計理念,鐵路規(guī)范中抗剪是以斜筋為主,箍筋為輔,但這樣不能滿足框架結(jié)構(gòu)抗震同一斷面上出現(xiàn)不同符號剪力的要求,軌道梁的箍筋應(yīng)以工民建規(guī)范計算控制。

5 結(jié)論及建議

(1)對同時承受兩種不同類型荷載的構(gòu)件,在目前沒有合適設(shè)計規(guī)范的情況下,要求同時滿足兩種規(guī)范,對于保證結(jié)構(gòu)安全是完全必要的。

(2)中低速磁浮列車對軌道梁剛度的要求很高,在設(shè)計中對連續(xù)軌道梁可以采用 5跨連續(xù)梁模型進行計算,但對計算結(jié)果要進行適當(dāng)調(diào)整才能進行配筋設(shè)計。

(3)高架車站中的車-軌道梁耦合動力反應(yīng)分析是今后的一個研究重點,對于乘客在車站舒適度的研究有重要的作用。

[1] 劉 玲.雙層連續(xù)式剛架墩的設(shè)計體會[J].鐵路勘測與設(shè)計,2004(5):29-32.

[2] 顧品玉,陳文艷.上海市軌道交通 5號線工程高架車站結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].地下工程與隧道,2005(3):16-20.

[3] 李 瑩,鮑艷玲.上海共和新路高架工程汶水路站結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].地下工程與隧道,2006(3):13-15.

[4] 劉紅燕.三柱預(yù)應(yīng)力剛架橋墩設(shè)計[J].橋梁建設(shè),2001(4):29-31.

[5] 鐵道第三勘察設(shè)計院.橋梁地基和基礎(chǔ)[M].北京:中國鐵道出版社,2002.

[6] 北京控股磁浮技術(shù)發(fā)展有限公司.中低速磁浮交通設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2008.