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1.3 国内研究进展

常导高速磁浮系统对轨道结构有很高的变形和精度要求。在上海磁浮线工程可行性研究阶段,德方首先向中方推荐整体式钢轨道梁。整体式钢轨道梁具有整体性好、刚度大及功能区的精度高等优点,但在制造过程中需要对功能面进行机加工,以保证三个功能面(滑行面、侧向导向面和定子面)达到系统的公差要求。对于曲线上的轨道梁,需要用大型专用六轴数控机床对整梁进行机加工。考虑到国内尚无如此大规模的六轴数控机床,若从德国进口,供货受限且无法满足工程进度要求,而且钢结构的造价和后期维护成本相对较高,故上海磁浮线建设过程放弃了整体式钢轨道梁。

在谈判僵局中,德方向中方介绍了TVE试验线上唯一的一根复合式轨道梁,经过了解,其技术并未完全成熟。但经过中方评估,其经验可借鉴,综合考虑我国的施工能力、工程进度要求及经济性等因素,最终确定全线除特殊节点外,均采用复合式轨道梁。

尽管德方转让了复合式轨道梁技术,但是受试验线条件限制,获得的经验非常有限,以至于中方在上海磁浮线轨道结构设计时不得不面对设计标准、曲线拟合、工厂制造、现场施工、温度变形控制、沉降控制和大跨越结构等一系列复杂问题。在技术人员的努力下,这些问题得以解决,为上海磁浮线的成功提供了必要的保障。

复合式轨道梁(图1-25)的主体承重结构通常采用跨径为24.768m或30.96m的单跨简支梁结构。轨道功能区以3096mm为一个系统单元,称为功能件,每个功能件上安装3个定子铁心。轨道梁制作完成后,对预埋在承重梁中的连接件的连接面进行机加工,然后利用高强螺栓将功能件固定在连接件上。

图1-25 上海磁浮线复合式轨道梁

上海磁浮线最小平曲线半径为650m,最小竖曲线半径为45000m。在平面与竖曲线上,均需通过对连接件机加工实现线路线形的“以直代曲”。

为了实现车辆从直线到圆曲线的平稳过渡,在缓和曲线段,横坡需根据一定的规律发生变化。由于定子是通过其顶面上的燕尾销与功能件上的燕尾槽相连接并通过高强螺栓固定于功能件下部的π型钢上,如果采用0.1°/m横坡扭转率,则每个功能件的3个定子须分别按不同的横坡、纵坡和方位角进行铣槽,而且对于不同的曲线半径,铣槽的间距也不同,这无疑会大大增加机加工难度和工作量,不利于功能件的标准化制造。根据当时国内的加工水平和工程进度要求,上海磁浮线以功能件为“以直代曲”的最小单元,即同一功能件上的3个定子在同一平面上。为了实现功能件的标准化生产,并给生产加工一定的公差余量,上海磁浮线采用了0.06°/m的最大横坡扭转率。

德方选线技术指导书确定的标准跨度为30.960m,但对于上海磁浮线,综合考虑施工能力、运输吊装、环境协调和经济等各方面因素,将标准跨度定为24.768m,单根轨道梁的重量不超过190t,方便运输和架设。

虽然复合式轨道梁在上海磁浮线取得了成功,但它仍然存在不足之处。首先,复合式轨道梁需要在恒温车间进行整梁的机加工和功能件的装配,且需在沿线建立设有大型恒温机加工车间的制梁厂。其次,复合式轨道梁自重较大,也带来了大件运输和吊装难度大等问题,这将大大提高工程造价,不利于磁浮交通系统在中长距离线路上的实施。

基于上述问题,自“十五”开始,技术人员就针对长大干线需求开展新型轨道结构研究。2004年7月,在上海磁浮线和前一阶段研究成果的基础上,当时的上海磁浮交通工程技术研究中心线路轨道研究团队提出了轨道梁进一步优化的系统方案,从轨道结构参数、几何精度要求、制造、运输和吊装等各个方面,力求系统地解决轨道梁在中长线应用中大件运输、现场精调定位等关键技术问题,从而降低轨道结构的综合成本。

2009年,提出适用于长大干线的桥上梁轨道结构。该体系下层采用常规的桥梁作为承重结构,上层架设小跨度的轨道梁,相邻承重梁之间以跨梁过渡,以减小基础变位对线路线形的影响。此外,桥上梁结构还为声屏障、牵引供电、运控设备的安装提供平台,为线缆敷设提供通道,为系统的运维、应急救援和紧急情况下乘客的疏散提供条件。虽然该结构方案尚未在工程中实施,但是在上海磁浮线开展了模拟试验(图1-26)。

图1-26 桥上梁结构的模拟试验

为了推动高速磁浮技术在我国的发展,在上海磁浮线建设过程及后续的科研工作中,主要从以下几个方面开展了工作。

1)建立标准体系

轨道结构技术标准主要依据德国提供的《磁浮高速铁路系统设计系列指导书》和中国铁路有关规范。其中德方提供的《线路设计计算基础》是轨道结构设计的基础性文件,它包括磁浮列车荷载的取值、环境影响因素及系统对轨道结构的变形要求等,而这份文件的编制依据主要是德国或欧洲有关规范和磁浮列车的技术测试报告,并与中欧地理环境条件相适应。因此,该指导书与国内有关规范配套使用并用于国内工程项目设计时,存在一些不匹配之处,主要体现在两方面:结构的目标可靠指标与国内规范要求有差异;源于环境的荷载取值方法也不相同。

2)研究设计要求

在线路设计方面,磁浮列车的速度远高于一般轨道交通列车,且舒适度要求高,因此对线路设计的要求比一般轨道交通要高。磁浮列车具有良好的小半径曲线适应能力,线路横坡角可以达到12°。同时,磁浮列车的爬坡能力强,最大坡度可达10%,这是一般轨道交通无法比拟的,在线路设计中应充分发挥磁浮系统的这一优势。

在结构设计方面,主要是与列车相关的基本可变荷载,需要根据新车的具体情况进行确定。变形控制条件和动力特性控制条件,需要根据车轨系统动力学分析确定(主要包括动力系数和自振频率)。磁浮列车高速运行导致的车轨系统振动,使轨道梁的动力问题十分突出,甚至可能成为设计控制因素。

TVE试验线没有大跨越要求,也没有桥梁和隧道作为初级支承结构的实践。在德国技术转让的系统规格书中,对于桥梁结构也没有相应的规定;对于隧道虽然提出了断面面积的规定,但由于没有工程实践,还需要进一步的验证;而对于隧道内的限界,则没有提出明确的规定,也需要研究。

此外,德方转让技术仅针对上海磁浮线的建设,有一些参数无法直接应用于未来的新线建设中,需要进一步的修正。

3)轨道结构体系和型式

“十一五”期间,为了进一步满足长大干线的需求,以磁浮沪杭线为背景,开展了后续的轨道结构研究,如叠合梁、桥上梁、隧道内轨道结构、移车台梁等。

通过多年来的不懈努力,目前可以采用的轨道结构型式有复合式轨道梁、整体式梁、叠合梁和桥上梁等。从型式方面来说,都可以满足要求,但在实际工程中,不可能以某一种梁型解决轨道结构的全部问题,应因地制宜地选择轨道梁型式。

4)试验、实测与仿真分析

上海磁浮线建设期间,围绕轨道梁组织了大量的试验研究,解决了结构连接、材料性能、温度效应和预应力控制技术等关键技术问题。

在上海磁浮线建成后,利用这一试验平台组织了车轨动力实测、空气动力学测试、舒适度测试和噪声测试等,积累了大量宝贵的技术资料。

与此同时,围绕轨道梁性能、车轨关系等也持续展开了仿真分析研究,并与试验和实测结果互相印证,确保我国磁浮轨道结构技术发展始终处于世界前列。

5)提高经济性

轨道结构系统在高速磁浮项目中常常占到40%左右的成本,降低轨道结构的造价,提高工程的经济指标,对于工程建设至关重要,是国产化与创新研究工作的重要内容。

通过近20年研究工作,我国已经系统地掌握了常导高速磁浮线路轨道系统技术,为未来磁浮技术进一步的工程应用打下了坚实的基础。 tZ2CGjzcnNk8eC78BHW+NHEC6100d0fCZEfOyTSllx4t/xrcHxZI72Vf34+Kl9QV

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