金 鑫

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

1 磁浮交通概述

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國城市化進(jìn)程不斷加快，城市人口快速增長，產(chǎn)生了極大的客運交通需求，這也促使我國軌道交通飛速發(fā)展。磁浮交通作為一種采用無直接接觸電磁懸浮、導(dǎo)向及驅(qū)動的新型軌道交通型式，由于其噪聲低、平穩(wěn)性好、安全性高、環(huán)保節(jié)能以及適應(yīng)能力強(qiáng)等方面的優(yōu)勢，在城市軌道交通中脫穎而出，成為一種極具競爭力的綠色地面交通工具[1]。

1.1 磁浮列車懸浮原理

磁浮列車?yán)秒姶盆F產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁吸力或斥力懸浮，并通過直線電機(jī)產(chǎn)生的牽引力驅(qū)動前進(jìn)。目前按照車輛懸浮原理及方式不同，磁浮鐵路可分為常導(dǎo)電磁懸浮EMS (Electromagnetic Suspension)、超導(dǎo)電動磁懸浮EDS (Electrodynamic Suspension)、永磁懸浮PMS (Permanent Magnetic Suspension)三種形式[2](圖1～圖3)。其中常導(dǎo)電磁懸浮采用常溫導(dǎo)體材料作為電磁鐵繞組線圈，產(chǎn)生導(dǎo)向力和懸浮力，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，缺點是由于材料電阻較大，電流損耗大，產(chǎn)生的電磁力小，懸浮高度較小(一般為8～12 mm)。常導(dǎo)電磁懸浮一般采用列車兩邊包住軌道的形式，通過列車車體底部的常規(guī)電磁體與位于電磁體上方的導(dǎo)磁軌道間的吸引力實現(xiàn)懸浮，常導(dǎo)電磁浮型又分為高速磁浮、中低速磁浮兩大類，高速磁浮列車的速度可達(dá)400～500 km/h。超導(dǎo)電動懸浮采用超導(dǎo)材料，將材料降到極低的溫度以達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)，接近零電阻，由于電流損耗小，電磁鐵功率較大，理論懸浮高度可達(dá)100 mm，缺點是會產(chǎn)生強(qiáng)磁場。超導(dǎo)電動懸浮一般采用軌道包住列車形式，利用列車與軌道間產(chǎn)生的排斥力懸浮，可實現(xiàn)列車高速運行(500 km/h以上)。永磁浮型(PMS)：作為一種新的磁浮技術(shù)，又稱磁浮飛機(jī)，懸浮高度80～150 mm，速度可達(dá)550 km/h。尤其是永磁體的使用比起超導(dǎo)懸浮列車更經(jīng)濟(jì)，不需要超低溫制冷，簡化了磁浮列車系統(tǒng)，同時也使磁浮系統(tǒng)更可靠，原理更簡單，建造更方便。

圖1 常導(dǎo)電磁懸浮EMS示意

圖2 超導(dǎo)電動懸浮EDS示意

圖3 永磁懸浮PMS示意

1.2 磁浮系統(tǒng)特點

磁浮交通系統(tǒng)是一種與軌道無接觸的地面交通系統(tǒng)，磁浮列車的懸浮及導(dǎo)向功能是懸浮側(cè)架上的電磁鐵產(chǎn)生的電磁力進(jìn)行主動控制的，因而磁浮列車在運行時不存在與軌道間的接觸問題，也避免了傳統(tǒng)輪軌列車依靠輪軌接觸實現(xiàn)牽引帶來的弊端。相比于傳統(tǒng)的輪軌列車，磁浮列車具有以下特點[1、3]：

(1)行駛安全性好，磁浮列車采用抱軌運行的方式，不存在脫軌問題，安全可靠。

(2)噪聲低，運行平穩(wěn)，列車不與軌道直接接觸，沒有輪軌撞擊和摩擦，振動和噪聲小，乘坐舒適性好。

(3)轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)，適應(yīng)于城市狹窄地域，線路適應(yīng)能力強(qiáng)。

(4)運行速度高，加減速性能好，提速空間很大，最高速度可達(dá)500 km/h。

(5)磁場強(qiáng)度低，遠(yuǎn)低于家用電器，電磁污染小。

目前，磁浮列車按照運營速度可分為高速磁浮列車及中低速磁浮列車，高速磁浮列車最高運行速度可達(dá)500 km/h以上，比輪軌高速列車的速度還要快，主要適用于長達(dá)干線和城際交通；中低速磁浮列車最高運營速度一般在100 km/h左右，適用于城市軌道交通。

2 國內(nèi)外磁浮列車發(fā)展現(xiàn)狀

磁浮列車技術(shù)的研究與開發(fā)可以追溯到20世紀(jì)60、70年代，主要集中在德國和日本，前者致力于開發(fā)高速EMS磁浮列車，后者既著力于高速EDS磁浮列車，也發(fā)展適合城市軌道交通用的低速EMS磁浮列車。

2.1 高速磁浮列車

目前，高速磁浮列車主要以德國TR系列以及日本MLX系列磁浮列車為代表。

20世紀(jì)60年代，德國Krauss Maffei公司采用短定子直線電機(jī)列車驅(qū)動技術(shù)，研制出了一個80 kg重的磁浮列車模型TR01號，并以此為基礎(chǔ)，先后研制出TR02、TR03號實驗列車，并于1979年推出了采用獨立電磁鐵控制的Transrapid 05磁浮列車。TR05號磁浮列車被用在漢堡國際交通博覽會900 m長的線路上以75 km/h速度表演運行，極大地推動了德國磁懸浮高速運輸系統(tǒng)的發(fā)展[4]。1999年德國完成了用于實際的應(yīng)用型列車TR08，如圖4(a)所示。2003年開通的中國上海高速磁浮是世界上第一條采用該技術(shù)的世界上第一條商業(yè)運營線路，如圖4(b)所示，至今已成功運營十余年。德國在常導(dǎo)電磁懸浮EMS高速列車的研發(fā)上居于世界領(lǐng)先地位。

1972年，日本國鐵JNR(Japanese National Railways)研制出短定子直線電機(jī)驅(qū)動的ML100型磁浮列車。1977年，建成長7 km采用倒T型軌道的宮崎試驗線。1979年，不載人ML500型試驗車在宮崎線上創(chuàng)造了517 km/h的世界紀(jì)錄。1993年，由政府出資的山梨試驗線建成。1997年，日本超導(dǎo)準(zhǔn)商業(yè)運行磁浮車MLX01在該線上達(dá)到了550 km/h的運行記錄(圖4(c))，迎面會車相對速度達(dá)到1 003 km/h，創(chuàng)下地面交通世界紀(jì)錄。日本超導(dǎo)磁浮列車與常導(dǎo)磁浮列車不同之處在于其必須達(dá)到一定速度才能懸浮，意味著不能做到靜懸浮狀態(tài)，這也一定程度上制約了發(fā)展。

(a)德國TR系列

(b)上海高速磁浮

(c)日本MLX系列

2.2 中低速磁浮列車

日本航空公司JAL(Japan Airlines Corporation)著力研制常導(dǎo)中低速磁浮列車HSST(High Speed Surface Transport)，以用于市區(qū)到機(jī)場的快速交通。1975年，日航成功研制出采用電動懸浮方式的HSST-01型磁浮試驗車輛，后繼推出了HSST-02、HSST-03磁浮列車進(jìn)一步優(yōu)化列車的懸掛及控制性能。1989年，日本研制成功HSST-05型試驗車輛，開始轉(zhuǎn)向應(yīng)用型磁浮技術(shù)。1991～1995年，日本在新建成的大江線上實驗了面向應(yīng)用的HSST-1005型磁浮車，其最高運行速度達(dá)到130 km/h，通過長時間的測試試驗表明日本HSST磁浮鐵路系統(tǒng)己經(jīng)具備進(jìn)入實用階段的條件。2005年，日本修建了TKL線，用于愛知世博會期間愛知到名古屋之間的旅客運輸，所用的Linimo型磁浮車即沿用HSST-100L的技術(shù)(圖5(a))。TKL線的成功運營，標(biāo)志著中低速磁浮列車技術(shù)進(jìn)入商業(yè)運營階段。

我國對于磁懸浮技術(shù)的研究，始于20世紀(jì)80年代，以國防科技大學(xué)、西南交通大學(xué)和中科院電工所等單位為代表，主要集中于研制常導(dǎo)電磁懸浮EMS型磁浮列車。1989年，國防科大成功研制我國第一臺磁浮模型樣車。1994年，西南交大成功研制出4座位，自重4 t，懸浮高度8 mm的磁浮實驗列車[5]。1995年，研制成單轉(zhuǎn)向架磁浮列車系統(tǒng)，可載40多人。在北京控股公司的資助下，1999年磁浮列車中試基地在長沙國防科大落成，包括一段204 m試驗線路和一輛CMS-03型磁浮車。2000年，西南交通大學(xué)研制成功世界上第一輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實驗車。2006年，青城山中低速磁懸浮試驗線在四川省都江堰市建成并聯(lián)調(diào)成功，全長419.925 m，最高時速在80～160 km/h之間。2010年，唐山中低速磁懸浮軌道試驗線建成，全長1 547 m，能夠全面檢測列車在城市軌道直線、彎道、大坡度等情況下行駛的優(yōu)越性。2016年，我國第一條自主設(shè)計、自主制造、自主施工、自主管理的中低速磁懸浮運營線——長沙中低速磁浮工程正式通車運營(圖5(b))。2017年底，北京中低速磁浮S1線開通試運營(圖5(c))。

(a)日本HSST系列

(b) 長沙磁浮列車

(c) 北京S1線磁浮列車

3 磁浮軌道梁的發(fā)展與分析

考慮到低置結(jié)構(gòu)對環(huán)境的影響較大，而隧道造價高，普遍認(rèn)為磁浮線路適合以高架橋梁形式修建。在整體磁浮系統(tǒng)中，軌道梁造價約占整體的60 %，承受列車荷載并引導(dǎo)磁浮列車前進(jìn)，作為主要的承重和傳力結(jié)構(gòu)，軌道梁結(jié)構(gòu)設(shè)計就顯得尤為重要。

目前，磁浮高架軌道梁發(fā)展還處于初級階段，結(jié)構(gòu)體系、施工技術(shù)等還不完善，建成的磁浮線路采用的橋梁型式較為簡單，以簡支梁和小跨度連續(xù)梁為主。箱型界面由于其抗扭剛度大，動力特性好等優(yōu)勢，被高架磁浮線路廣泛采用。德國Emlsand高速磁浮試驗線軌道梁主要采用兩種型式：一是跨徑25 m和31 m的簡支或雙跨連續(xù)梁，有預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁和鋼梁兩種；二是跨徑12 m的簡支預(yù)應(yīng)力混凝土梁。上海浦東高速磁浮在參考德國試驗線軌道梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用鋼混混凝土復(fù)合梁、鋼復(fù)合梁、橋上軌道梁等結(jié)構(gòu)型式，梁型主要包括簡支梁及簡支變連續(xù)兩種形式，橋墩大多采用加有橫系梁的門式框架結(jié)構(gòu)[6]。對于中低速磁浮軌道梁而言，由于其獨特的抱軌運行模式，日本名古屋愛知中低速磁浮線軌道梁跨度主要分布在15～30 m之間，截面為一般箱型截面；我國唐山低速磁浮線采用的為圓弧底板箱形截面，在支點位置處再對箱體底板進(jìn)行加寬的結(jié)構(gòu)形式；湖南株洲中低速磁浮試驗線以20 m簡支梁為主，主梁采用為矩形截面。

對于磁浮軌道梁剛度，國內(nèi)外規(guī)范均采用“撓跨比”作為評價指標(biāo)，但是具體限值有所區(qū)別。表1給出了部分現(xiàn)行磁浮及鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范中的橋梁豎向撓跨比限值，可以看到各現(xiàn)行規(guī)范對橋梁豎向撓跨比限值相差很大，與普通鐵路橋梁及高速鐵路簡支梁橋相比，磁浮線路軌道梁要求嚴(yán)格的多；而高速磁浮軌道梁與中低速磁浮軌道梁相比，高速磁浮軌道梁的剛度要求更高；國外高速鐵路豎向剛度的要求比我國規(guī)定的更嚴(yán)。

表1 部分現(xiàn)行規(guī)范中橋梁豎向撓跨比限值

綜上所述，目前磁浮軌道梁在結(jié)構(gòu)設(shè)計和選型方面有如下特點：梁型以跨度20～30 m的簡支梁及小跨度連續(xù)梁居多，主梁截面以箱型為主，具體形式各國存在差異，軌道梁材料以混凝土為主，且目前磁浮軌道梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)并不完善，各國存在較大差異。圖6所示為國內(nèi)外部分磁浮線軌道梁截面構(gòu)造型式。

4 我國的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析

目前，我國商業(yè)運行的磁浮線路包括2003年建成的上海高速磁浮以及2015年、2017年建成長沙、北京兩條中低速磁浮線路。上海高速磁浮采用德國TR列車技術(shù)，連接浦東國際機(jī)場和龍陽路站，總長31.17 km，單線運行時間8 min，最高運行速度為431 km/h，是世界上速度最快的商業(yè)營運列車。長沙磁浮快線是我國第一條自主設(shè)計、施工的磁浮線路，連接黃花機(jī)場和長沙南站，全長18.55 km，最高運行速度為100 km/h，單線運行時間20 min。北京S1線，作為北京磁浮交通運營示范線，由蘋果園到門頭溝石門營，全長10.2 km，最高速度為120 km/h，單程運行10 min，已于2017年底開通試運行。

(a)唐山磁浮試驗線

(b)日本名古屋-愛知線

(c)德國Emlsand磁浮線

(d)上海浦東磁浮線

然而，作為世界上唯一一條商業(yè)運行的高速磁浮線路，上海浦東磁浮線一直處于大幅虧損狀態(tài)，滬杭高速磁浮項目被無限期擱置，高速磁浮的全球推廣顯得異常艱難。相比而言，時速100 km左右的中低速磁浮由于安全舒適、環(huán)保、快捷、便于維修養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點更適合城市軌道交通。除北京、長沙外，國內(nèi)許多城市也對磁浮技術(shù)表現(xiàn)出濃厚興趣，相繼規(guī)劃建設(shè)磁浮線路。

在看到中低速磁浮廣闊應(yīng)用前景的同時，也要注意磁浮交通存在的不足。當(dāng)前磁浮列車多以三節(jié)車輛編組且車身較短，與地鐵列車相比，在運量上存在劣勢，后期應(yīng)著重提高載客量方面的研究，以及相應(yīng)而來懸浮系統(tǒng)控制及線路適應(yīng)性問題。磁浮軌道梁結(jié)構(gòu)設(shè)計研究以及相應(yīng)規(guī)范還不完善，需要加大對磁浮軌道梁現(xiàn)場試驗以及軌道梁控制限值的研究。