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        U梁在鳳凰磁浮文化旅游項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

        2021-08-05 02:01:30李金光鄧娟紅
        關(guān)鍵詞:箱梁設(shè)計(jì)

        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(jì)院有限公司,長沙 410200)

        1 項(xiàng)目背景

        鳳凰磁浮文化旅游項(xiàng)目全長9.121 km,共設(shè)5座車站,設(shè)計(jì)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(gè)“磁浮+文化+旅游”項(xiàng)目。該項(xiàng)目旅游屬性強(qiáng),對(duì)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(jìn)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(diǎn)是工程量省,造價(jià)低;缺點(diǎn)是軌道結(jié)構(gòu)安裝不便,建成后維修養(yǎng)護(hù)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(hù)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(xiàng)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(yùn)營的有日本愛知磁浮線,韓國仁川機(jī)場(chǎng)線,國內(nèi)的長沙磁浮快線和北京S1線。試驗(yàn)線主要有上海中低速磁浮試驗(yàn)線、唐山中低速磁浮試驗(yàn)線,日本大江中低速磁浮試驗(yàn)線和南車株機(jī)中低速磁浮試驗(yàn)線,統(tǒng)計(jì)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(yàn)線梁型情況統(tǒng)計(jì)

        表2 國內(nèi)外中低速磁浮線梁型情況統(tǒng)計(jì)

        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(shí)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(hào)線在塞納河上高架橋,智利圣地亞哥地鐵4、5號(hào)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(hào)線,阿聯(lián)酋迪拜地鐵高架段,沙特阿拉伯麥加輕軌等項(xiàng)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(hào)線采用U梁以來,近年來采用U梁逐漸呈上升趨勢(shì)[6-8],如上海地鐵8號(hào)線、南京地鐵2號(hào)線、重慶地鐵l號(hào)線、廣州地鐵2號(hào)線、臺(tái)北內(nèi)湖木柵線延伸段、青島地鐵11號(hào)線和13號(hào)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(shì),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(duì)比分析

        對(duì)幾種梁型進(jìn)行對(duì)比分析,如表4所示。

        表4 梁型對(duì)比分析

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

        2.2 U梁與項(xiàng)目周圍環(huán)境融合度

        本項(xiàng)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(fēng)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(jì)獨(dú)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(duì)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(bào)道,國內(nèi)外采用U梁軌道交通線路,如青島地鐵11號(hào)線,沙特麥加輕軌,迪拜輕軌等項(xiàng)目,當(dāng)?shù)孛癖娖毡閷?duì)U梁的外觀表示滿意,其中,青島地鐵11號(hào)線被譽(yù)為青島最美地鐵線路。同時(shí),利用BIM建模把U梁模型植入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景中,與項(xiàng)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(jì)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(shí)U梁將管線設(shè)備等藏于腹中,更加美觀簡(jiǎn)潔[9-11]。

        2.3 U梁設(shè)計(jì)與視點(diǎn)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(diǎn)狀況不同,視覺所獲得的景象信息不同。本項(xiàng)目有2個(gè)主要視點(diǎn):一是靜態(tài)視點(diǎn),從橋下仰視、從較遠(yuǎn)處遠(yuǎn)視或從觀景平臺(tái)俯視;二是動(dòng)態(tài)視點(diǎn),在列車上觀賞,車內(nèi)視點(diǎn)處于高速運(yùn)動(dòng)中,無法辨認(rèn)橋梁細(xì)節(jié),僅從宏觀上感受。本項(xiàng)目充分考慮U梁翼緣對(duì)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(xiǎn)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(yùn)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(hù)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(hù)和運(yùn)營安全?;诙囿w動(dòng)力學(xué)原理與有限元法,利用多體動(dòng)力學(xué)軟件Simpack建立三維車-軌-橋耦合振動(dòng)仿真模型,對(duì)磁浮列車過橋時(shí)U梁及軌道結(jié)構(gòu)豎向和橫向振動(dòng)進(jìn)行分析,研究F軌、軌下彈性支承與橋梁支座參數(shù)對(duì)U梁和軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)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(xiàng)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(jì)規(guī)范》和GB50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)梁部設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,如表5所示。中低速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)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(jì),建立有限元模型進(jìn)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(jì)規(guī)范和地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比

        2.5 U梁采用先張法和后張法施工工藝對(duì)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(duì)比分析選擇合適的施工工藝。

        針對(duì)沙特阿拉伯麥加輕軌先張法U梁,青島地鐵11號(hào)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(jìn)行對(duì)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(jì),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(jìn)行對(duì)比分析;再進(jìn)一步對(duì)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(duì)比

        沙特麥加輕軌U梁采用美國規(guī)范AASHTO LRFD 2007設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)荷載為A+型車,6+6輛編組,設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km,設(shè)計(jì)地震烈度相當(dāng)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(jì),標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(jìn)行對(duì)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(duì)比結(jié)果如表6所示。

        2.5.2 青島地鐵11號(hào)線和13號(hào)線U梁施工工藝對(duì)比

        由表3可知,青島地鐵11號(hào)線和13號(hào)線一是外部荷載相同,均采用B型車,4列編組,設(shè)計(jì)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(jí)相同;三是建設(shè)時(shí)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(duì)比

        青島地鐵11號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)跨30 m,直線段線間距5 m,跨中為等截面設(shè)計(jì)(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(shí),部分鋼束向上彎起[15-16]。

        圖3 青島地鐵11號(hào)線跨中斷面(單位:mm)

        青島地鐵13號(hào)線采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支U梁(圖4),標(biāo)準(zhǔn)跨度 30 m,梁形和青島地鐵11號(hào)線相同,梁端底板同樣采用加寬和加厚處理[17-18]。 對(duì)比結(jié)果見表7。

        圖4 青島地鐵13號(hào)線跨中斷面(單位:mm)

        表7 青島地鐵11號(hào)線和13號(hào)線先張法和

        從以上2個(gè)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(shí),壓漿質(zhì)量事故。同時(shí),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(huì)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(jì),梁整體剛度無突變,更適合對(duì)剛度變化敏感的磁懸浮列車,因此,本項(xiàng)目推薦采用先張法工藝[19-20]。

        2.6 鳳凰磁浮文化旅游項(xiàng)目U梁截面設(shè)計(jì)

        通過優(yōu)化設(shè)計(jì),本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)跨采用25 m,直線段線間距為4.6 m,跨中為等截面設(shè)計(jì),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(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)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(xiàng)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(jì)于2021年年底建成。

        圖5 鳳凰磁浮文化旅游項(xiàng)目U梁斷面(單位:mm)

        3 結(jié)論

        (1)旅游軌道交通工程對(duì)景觀要求較高。本項(xiàng)目通過優(yōu)化U梁設(shè)計(jì),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(jìn)行磁懸浮列車與U梁匹配設(shè)計(jì)及車-軌-橋耦合分析,通過不斷優(yōu)化U梁斷面,實(shí)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(duì)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(xiàng)目中應(yīng)用可行,且經(jīng)濟(jì)合理。

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