U梁在鳳凰磁浮文化旅游項目中的應(yīng)用研究

邱 冰,戴 旺,李金光,鄧娟紅,鄧 昆

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司,長沙 410200)

1 項目背景

鳳凰磁浮文化旅游項目全長9.121 km，共設(shè)5座車站，設(shè)計速度100 km/h，采用中低速磁浮車輛制式，軌道結(jié)構(gòu)采用F軌，“H”形軌枕，鋁感應(yīng)板，為國內(nèi)第一個“磁浮+文化+旅游”項目。該項目旅游屬性強，對工程自身景觀要求高，需要從車輛、工程構(gòu)筑物，線路沿線資源進行全方位的文化旅游屬性打造。目前，中低速磁浮工程中長沙磁浮快線采用無翼緣小箱梁[1]。無翼緣小箱梁的優(yōu)點是工程量省，造價低；缺點是軌道結(jié)構(gòu)安裝不便，建成后維修養(yǎng)護不便。因此，迫切需要研究一種既能滿足景觀文化旅游屬性需要，又能方便山區(qū)架設(shè)，后期維修養(yǎng)護方便的梁型。需著重研究在軌道交通工程中已經(jīng)成熟應(yīng)用的U梁應(yīng)用到鳳凰磁浮文化旅游項目的可行性和必要性。

目前，在中低速磁浮工程領(lǐng)域，正式開通運營的有日本愛知磁浮線，韓國仁川機場線，國內(nèi)的長沙磁浮快線和北京S1線。試驗線主要有上海中低速磁浮試驗線、唐山中低速磁浮試驗線，日本大江中低速磁浮試驗線和南車株機中低速磁浮試驗線，統(tǒng)計結(jié)果如表1、表2所示[2-3]。

表1 國內(nèi)外中低速磁浮試驗線梁型情況統(tǒng)計

表2 國內(nèi)外中低速磁浮線梁型情況統(tǒng)計

從表1、表2可以看出，在磁浮軌道交通工程中，國內(nèi)外主要應(yīng)用的梁型為箱梁[4]，包含有翼緣箱梁和無翼緣箱梁，尚無U梁應(yīng)用實例。但軌道交通建設(shè)采用U梁較多，如國外巴黎軌道交通13號線在塞納河上高架橋，智利圣地亞哥地鐵4、5號線高架段，荷蘭鹿特丹地鐵延伸高架橋，印度新德里的地鐵3號線，阿聯(lián)酋迪拜地鐵高架段，沙特阿拉伯麥加輕軌等項目均采用了U梁。2003年前，國內(nèi)軌道交通廣泛采用整體箱梁或組合小箱梁，較少采用U梁。自2003年上海地鐵8號線采用U梁以來，近年來采用U梁逐漸呈上升趨勢[6-8]，如上海地鐵8號線、南京地鐵2號線、重慶地鐵l號線、廣州地鐵2號線、臺北內(nèi)湖木柵線延伸段、青島地鐵11號線和13號線均有使用。國內(nèi)外軌道交通U梁使用情況如表3所示。

表3 國內(nèi)外軌道交通U梁情況匯總[2-5]

通過以上分析，U梁在國內(nèi)外軌道交通中多條線路使用，使用情況良好，國內(nèi)近年來呈逐年上升趨勢，因此，研究U梁在鳳凰磁浮文化旅游工程中應(yīng)用的可行性和必要性具有較好的基礎(chǔ)條件。

2 U梁的應(yīng)用研究

2.1 梁型對比分析

對幾種梁型進行對比分析，如表4所示。

表4 梁型對比分析

由表4分析可知，無翼緣箱梁雖然總體造價最經(jīng)濟，但維修養(yǎng)護、疏散逃生等功能較差，且本項目線路走行于山區(qū)，橋下架梁不便，對景觀要求較高。綜合分析，U梁功能和造價比較均衡，性價比較高。

2.2 U梁與項目周圍環(huán)境融合度

本項目所處的自然環(huán)境主要是低山、小峽谷為主，部分線路緊鄰沱江，風景秀麗；所處的人文環(huán)境，主要為湘西土家族、苗族少數(shù)民族文化，特別典型的有土家族、苗族特有的吊腳樓，吊腳樓屬于木結(jié)構(gòu)，四周有設(shè)計獨特的樓角垂吊，美觀大方。若選擇箱梁或T梁，管線設(shè)備一般將暴露在游客視線之內(nèi)，對工程本身旅游觀光屬性是一種較大的破壞。經(jīng)過調(diào)研及查詢相關(guān)報道，國內(nèi)外采用U梁軌道交通線路，如青島地鐵11號線，沙特麥加輕軌，迪拜輕軌等項目，當?shù)孛癖娖毡閷梁的外觀表示滿意，其中，青島地鐵11號線被譽為青島最美地鐵線路。同時，利用BIM建模把U梁模型植入現(xiàn)場實景中，與項目所處自然環(huán)境匹配度較好。U梁外觀通過優(yōu)化設(shè)計使用流暢曲線，減少棱角，整體視覺效果較好，且能與自然環(huán)境更好的融為一體，同時U梁將管線設(shè)備等藏于腹中，更加美觀簡潔[9-11]。

2.3 U梁設(shè)計與視點狀況的關(guān)系

橋梁建筑造型的目的是為人們視覺服務(wù)，視點狀況不同，視覺所獲得的景象信息不同。本項目有2個主要視點：一是靜態(tài)視點，從橋下仰視、從較遠處遠視或從觀景平臺俯視；二是動態(tài)視點，在列車上觀賞，車內(nèi)視點處于高速運動中，無法辨認橋梁細節(jié)，僅從宏觀上感受。本項目充分考慮U梁翼緣對游客車內(nèi)視線的影響，普通軌道交通U梁梁高約1.8 m，凹槽內(nèi)部深度約1.55 m，工程主要從兩方面考慮，一是將U梁梁高從1.8 m減小到1.7 m，二是提高U梁內(nèi)部承軌梁高度，F(xiàn)軌軌面至承軌梁底面高度控制在1.1 m以上。因此，車輛嵌入U梁內(nèi)部的高度將減少至0.45 m以下，確保列車踏板位置高于U梁翼緣頂部，方便游客觀光。

2.4 U梁與磁浮列車運行的匹配情況

磁浮列車荷載如圖1所示，與普通軌道交通不同，普通軌道交通主要為集中荷載，而磁浮列車主要為均布荷載，從受力角度來看，磁浮荷載作用下，梁體受力更為有利。為維修養(yǎng)護方便，U梁比無翼緣箱梁增加維修通道和逃生通道，更有利于后期的維修養(yǎng)護和運營安全?；诙囿w動力學原理與有限元法，利用多體動力學軟件Simpack建立三維車-軌-橋耦合振動仿真模型，對磁浮列車過橋時U梁及軌道結(jié)構(gòu)豎向和橫向振動進行分析，研究F軌、軌下彈性支承與橋梁支座參數(shù)對U梁和軌道結(jié)構(gòu)振動的影響，給出各參數(shù)合理取值范圍，磁浮列車與F軌之間按照空氣彈簧模擬受力情況[12]。經(jīng)過反復(fù)試算，優(yōu)化調(diào)整U梁斷面，直至U梁的行車平穩(wěn)性和舒適性滿足旅游觀光軌道交通項目的要求。

圖1 懸浮狀態(tài)列車荷載(1列車荷載，按6輛編組)(單位：mm)

通過CJJT262—2017《中低速磁浮交通設(shè)計規(guī)范》和GB50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》對梁部設(shè)計指標進行對比，如表5所示。中低速磁浮交通設(shè)計規(guī)范對梁部的豎向撓度限值、梁端轉(zhuǎn)角均要求更高，通過調(diào)整截面設(shè)計，建立有限元模型進行分析，均能滿足規(guī)范要求[13]。

表5 中低速磁浮交通設(shè)計規(guī)范和地鐵設(shè)計規(guī)范設(shè)計指標對比

2.5 U梁采用先張法和后張法施工工藝對比分析

國內(nèi)軌道交通U梁采用后張法工藝居多，先張法工藝偏少，需對比分析選擇合適的施工工藝。

針對沙特阿拉伯麥加輕軌先張法U梁，青島地鐵11號線后張法U梁和青島地鐵13線先張法U梁3條線路U梁施工工藝進行對比分析。通過建立有限元模型，模擬同等外界條件，相同冗余設(shè)計，同等外型尺寸條件下，把先張法預(yù)應(yīng)力鋼絞線改為后張法進行對比分析；再進一步對比分析3條線路外部荷載、規(guī)范要求等方面。

2.5.1 沙特麥加輕軌梁施工工藝對比

沙特麥加輕軌U梁采用美國規(guī)范AASHTO LRFD 2007設(shè)計，設(shè)計荷載為A+型車，6+6輛編組，設(shè)計時速為80 km，設(shè)計地震烈度相當于國內(nèi)6度，地震波峰值加速度0.075g。全跨為等截面設(shè)計，標準跨度25 m，斷面如圖2所示，梁上鋪設(shè)無砟軌道。輕軌采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土U梁[14]，該線已于2011年開通運營。

圖2 沙特麥加輕軌U梁主要斷面(單位：mm)

通過BSAS軟件和Midas軟件分別建立有限元模型進行對比分析，活荷載、材料和外部邊界條件保持一致，跨中截面與既有先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁保持一致，梁端截面由于后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁受力變化及錨固要求，逐漸加寬加厚。對比結(jié)果如表6所示。

2.5.2 青島地鐵11號線和13號線U梁施工工藝對比

由表3可知，青島地鐵11號線和13號線一是外部荷載相同，均采用B型車，4列編組，設(shè)計速度120 km/h；二是外部邊界條件相同，同為青島地區(qū)，地質(zhì)情況相近，地震等級相同；三是建設(shè)時序相近。因此，這2條線路是軌道交通U梁先張法和后張法比較的理想案例。

表6 沙特麥加輕軌U梁先張法和后張法對比

青島地鐵11號線標準跨30 m，直線段線間距5 m，跨中為等截面設(shè)計(圖3)，梁高1.8 m，梁頂寬5.32 m，底寬3.98 m，梁端底板加厚加寬，加厚范圍為1.62 m，加厚14 cm，梁高變?yōu)?.94 m，梁頂寬保持5.32 m，梁底寬加寬為4.58 m。本梁為后張法預(yù)應(yīng)力混凝土U梁，跨中鋼束均布置在底板上，到梁端時，部分鋼束向上彎起[15-16]。

圖3 青島地鐵11號線跨中斷面(單位：mm)

青島地鐵13號線采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支U梁(圖4)，標準跨度 30 m，梁形和青島地鐵11號線相同，梁端底板同樣采用加寬和加厚處理[17-18]。 對比結(jié)果見表7。

圖4 青島地鐵13號線跨中斷面(單位：mm)

表7 青島地鐵11號線和13號線先張法和

從以上2個案例可以看出，先張法和后張法預(yù)應(yīng)力混凝土U梁施工工藝在軌道交通應(yīng)用領(lǐng)域都是成熟的。后張法使用更為普遍，但先張法預(yù)應(yīng)力混凝土施工無需預(yù)留孔道、壓漿及端頭錨具，因此，不存在混凝土振搗不密實，壓漿質(zhì)量事故。同時，梁端腹板及底板尺寸無需增大，預(yù)應(yīng)力端頭應(yīng)力不會集中導(dǎo)致端頭混凝土裂紋，影響梁體使用壽命。先張法工藝全梁可采用等截面設(shè)計，梁整體剛度無突變，更適合對剛度變化敏感的磁懸浮列車，因此，本項目推薦采用先張法工藝[19-20]。

2.6 鳳凰磁浮文化旅游項目U梁截面設(shè)計

通過優(yōu)化設(shè)計，本項目標準跨采用25 m，直線段線間距為4.6 m，跨中為等截面設(shè)計，梁高1.7 m，梁頂寬5.05 m，底寬3.75 m，梁端底板加厚，如圖5所示。 跨中所有鋼束均布置在底板上。預(yù)應(yīng)力鋼絞線標準強度為1 860 MPa，錨下張拉控制應(yīng)力采用1 302 MPa，鋼絞線彈性模量為195 GPa。項目現(xiàn)已開工建設(shè)，為第一條采用U梁的磁浮交通工程，預(yù)計于2021年年底建成。

圖5 鳳凰磁浮文化旅游項目U梁斷面(單位：mm)

3 結(jié)論

(1)旅游軌道交通工程對景觀要求較高。本項目通過優(yōu)化U梁設(shè)計，充分考慮游客視角感受，使U梁造型與周圍環(huán)境較好融合。

(2)磁懸浮列車與輪軌列車荷載作用方式不同，進行磁懸浮列車與U梁匹配設(shè)計及車-軌-橋耦合分析，通過不斷優(yōu)化U梁斷面，實現(xiàn)了磁浮列車、軌道和U梁之間的良好匹配。

(3)通過先張法和后張法施工工藝對比，建議采用先張法施工工藝。

(4)綜上分析，U梁在鳳凰磁浮文化旅游項目中應(yīng)用可行，且經(jīng)濟合理。