由于地下段(包括盾构、暗埋和敞开段)的结构空间有限,轨道结构运输和架设设备空间受限,隧道内轨道梁的体量应尽可能小,重量应尽可能轻,因此可采用板梁和π形梁方案。板梁可采用6.192m跨度连续板梁,π形梁可考虑9.288m或12.384m跨度。
相比较于9.288m跨度轨道梁,12.384m跨度轨道梁重量虽然有所增加,但支座总量相对较少,减小了支座安装和维护的工作量。考虑到隧道内伸缩缝的间距一般为25m左右的要求,对轨道梁采用跨缝布置时可减少隧道沉降影响,因此在磁浮隧道设计时有必要考虑管片宽度与磁浮轨道系统模数之间的关系。
由于盾构和暗埋段没有日照的影响,轨道梁在不均匀温度场作用下的温度变形可以忽略,在轨道梁设计时可仅考虑轨道结构的整体升温或降温,轨道梁高度仅受变形和动力性能控制;但在敞开段仍应充分考虑日照下不均匀温度场对梁体变形的影响。隧道内和敞开段轨道梁断面如图3-32所示。
图3-32 隧道内和敞开段轨道梁断面
道岔为高速磁浮列车的换线设备。根据列车最高侧线通过速度的不同,道岔分为高速道岔(最高侧线通过速度196km/h)和低速道岔(最高侧线通过速度98km/h);根据磁浮道岔换线方向的数目,可以分为两开道岔(图3-33)和三开道岔。
图3-33 两开低速道岔
道岔主要由道岔梁、基础、驱动和锁定系统、电气控制系统组成。低速道岔的总长为78.432m(图3-34),高速道岔的总长为148.608m(图3-35),道岔的侧线线形为缓和曲线+圆曲线+缓和曲线,缓和曲线理论线形为回旋曲线。高速磁浮系统道岔的主体结构为由若干支点支承的连续钢梁,通过与钢梁下部连接的横梁上的电机驱动实现钢梁的弹性侧弯,并通过安装在横梁上的锁销机构保证道岔的最终线形,从而实现列车的换线。
低速道岔的主体结构是一根连续可弹性弯曲的钢道岔梁,由变频电机驱动钢梁实现在直线和侧线位之间的转换,钢梁下共设置6个墩柱(图3-36),其中0号墩柱上设置道岔基座(固定支座),1~5号墩柱上设置了作用在基础底板上的道岔移动横梁,可以在横桥向沿固定导轨移动,在3号墩、5号墩上设有横移驱动装置。低速道岔结构断面如图3-37所示。除0号墩外,其余支座上均设置锁定装置,以保证道岔钢梁可以弯曲到设计的曲线位置,另外在道岔末端与正线轨道梁之间设置了作为过渡装置的垛梁,在道岔梁端近梁顶面处也同样设置了防止道岔回弹的锁定装置。
图3-34 国产磁浮低速道岔(全长78.432m)
图3-35 国产磁浮高速道岔(全长148.608m)
图3-36 低速道岔梁跨布置(单位:m)
图3-37 低速道岔结构断面
道岔的线形是通过大变形的弹性侧弯实现的,道岔梁的设计除了在满足一般轨道结构的强度、刚度和动力性能要求之外,还需满足大变形弹性侧弯的要求。在道岔结构分析时需要将其作为几何非线性问题考虑,并对道岔直线和侧线位分别加以验算,且须特别重视道岔的疲劳性能。由于道岔转辙中弹性侧弯的柔性要求与列车通过状态所需的刚度要求之间存在矛盾,道岔的动力性能一直是磁浮轨道系统的薄弱环节,为了减小列车通过时的车_岔振动,在上海磁浮线道岔梁跨中间设置了阻尼装置(图3-38)。
图3-38 上海磁浮线道岔跨中阻尼装置
如前所述,轨道梁是常导高速磁浮直线电机系统定子的载体,这就意味着系统对土建结构提出了机电产品的精度要求,即在各种荷载(包括静荷载、列车荷载、环境温差和基础沉降等)作用下的轨道变形仍须控制在悬浮和导向间隙的允许偏差之内。
磁浮轨道梁与传统桥梁结构的差异反映于应用的边界条件。从设计方法上来说,高速磁浮轨道梁的设计与公路和铁路桥梁无异,需遵循桥梁工程设计的一般准则,同时高速磁浮轨道梁的设计又有其自身特点。虽然列车与轨道之间没有机械接触,但是由于轨道是列车与线路之间荷载传递的关键界面,除了结构性能需要满足的强度要求外,车辆的悬浮平稳性对轨道结构的变形和几何精度提出了非常严格的控制要求。