高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术(研究生课程讲稿)

1高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术同济大学桥梁工程系轨道交通桥梁研究室2020年4月28日“十一五”国家科技支撑计划“高速磁浮交通技术创新及产业化研究”2引言1磁浮大跨度桥梁设计关键技术研究2高速磁浮跨黄浦江桥梁方案研究3三塔斜拉桥方案介绍4主要内容高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术3引言1高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术4本课题研究跨越黄浦江的大跨度高速磁浮桥梁关键技术、主要设计参数和设计指南、可行的技术方案，为准备修建的上海浦东机场到虹桥机场磁浮交通线做好必要的技术准备。磁浮交通桥梁刚度要求高，变形限值要求非常严格，与道路桥梁和铁路桥梁相比，有其独特的技术要求。1.1概述高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术51.1概述高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术磁浮上海机场联络线沿A15公路南侧跨越黄浦江，大桥位于现有闵浦大桥南侧；考虑施工可行性、减小相互影响为前提，尽量靠近闵浦大桥，减少用地；两桥中线间距离约85m，桥面净距约50m；N磁浮跨黄浦江桥梁工程6要建造跨越黄浦江的磁浮大跨桥梁，目前没有现成的设计标准可循，也没有已建成的大跨桥梁的经验可供借鉴，磁浮交通大跨桥梁设计、建造技术存在着许多人们尚未认识且有待研究的东西。因此开展大跨度磁浮桥梁设计关键技术的前期研究无论是对上海磁浮交通线的建设，还是对磁浮交通技术的发展与推广均具有重要的理论意义和工程实际应用意义。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.1概述7磁浮列车是一种利用电磁力实现车辆支撑、牵引和导向的交通运输工具，其结构形式既具有常规轮轨接触式铁路交通的特点，又有独特的结构形式和系统工作原理：非接触式的电磁悬浮、导向系统、非接触式的牵引和制动。磁悬浮列车没有传统火车的车轮，靠巨大的电磁力（吸引力或排斥力）支撑而悬浮在导轨上，运行时除了空气摩擦阻力外，没有传统的轮轨摩擦阻力和其它阻力，能达到传统陆地交通工具空前未有的速度（时速可达500km／h）。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.2磁浮交通简介8磁浮列车利用电磁吸力或斥力悬浮和导向车体，采用直线电机牵引列车。按电磁力的产生方式，目前磁浮列车己采用的电磁悬浮模式可分为：①永磁悬浮PMS（PermanentMagnetSuspension），代表车型有德国M-bahn；②常导电磁悬浮EMS（ElectromagneticSuspension），以可控电磁铁为主形成磁吸式系列，代表车型有德国Transrapid、日本HSST、韩国Komag，悬浮气隙稳定在8~12mm，最多为20mm（如真空管道列车）；高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.2磁浮交通简介9③超导电动悬浮EDS（ElectrodynamicSuspension）；研究表明，超导磁体具有自身稳定调控能力，其悬浮状态的实现一般无需外界控制系统。低速时抬车力小，故车辆加辅助轮，高速时车体可达100～300mm的悬浮高度，代表车型有日本研制的MLU001、MLU002、MLU002N及MLX01型；④高温超导HTS（HighTemperatureSuperconductor）悬浮；（5）混合电磁悬浮，以上四种基本悬浮方式的组合，如PMS与EMS组合。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.2磁浮交通简介10高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.2磁浮交通简介磁浮列车悬浮方式与结构示意图11高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.2磁浮交通简介磁浮列车悬浮方式与结构示意图12高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.2磁浮交通简介美国中低速磁悬浮车辆概念图13高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.2磁浮交通简介国防科大CMS-03A工程样车西南交大中低速磁浮列车14高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.2磁浮交通简介日本超导磁悬浮试验车上海磁悬浮15高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.2磁浮交通简介德国磁浮列车TR08结构原理图16目前已修建的磁浮交通桥梁的数量有限，其结构形式主要是小跨径的简支梁，只有日本山梨试验线修建了跨度超百米的用于超导系统的尼尔森体系系杆拱桥，而常导磁悬浮系统的超百米跨度桥梁的建设在世界上尚无先例，迄今为止人们对大跨磁浮交通桥梁建造技术的认识和实践均处于初级阶段。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.3磁浮轨道梁简介17轨道梁的特点可以概括为以下几点:1.一般均采用高架结构;2.以小跨度为主;3.刚度大、整体性好;4.重视改善结构耐久性，便于检查、维修。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.3磁浮轨道梁简介18高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.3磁浮轨道梁简介德国高速磁浮轨道梁变迁19常规的中小跨径轨道梁高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术上海浦东磁浮示范运营线轨道梁1.3磁浮轨道梁简介20高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术上海浦东磁浮示范运营线轨道梁——12.384m预应力砼梁1.3磁浮轨道梁简介常规的中小跨径轨道梁21高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术上海浦东磁浮示范运营线轨道梁——2×24.768m钢砼复合梁1.3磁浮轨道梁简介常规的中小跨径轨道梁22上海线跨越浦东运河等有通航等级河道时采用了桥上轨道梁结构，结构为迭合式体系。桥上轨道梁为6.192m的钢筋砼板梁，下部支撑结构为三跨连续钢梁，主跨跨径45m。板梁与下部钢梁间采用连接型钢及高强螺栓、焊钉连接。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术上海浦东磁浮示范运营线轨道梁——迭合钢梁横断面桥上轨道梁结构1.3磁浮轨道梁简介23日本山梨实验线小形山尼尔森拱桥迄今为止，最大跨度磁悬浮交通桥梁是日本山梨实验线上的小形山桥，该桥为单跨、双线提篮式尼尔森体系系杆拱桥，跨长为136.5m，拱肋矢高为23m，中距为15m，宽跨比约为1/9,拱肋、系杆以及桥面的横梁均采用钢结构，横梁间距为15m，与采用轻质混凝土材料轨道梁为纵梁组成桥面系，吊杆采用斜吊杆，倾斜角为60度。小形山桥位于山梨试验线的端头附近，行车的速度将小于正常的试验运行速度。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术大跨度磁浮交通桥梁1.3磁浮轨道梁简介24德方建议将带有高精度功能面的轨面结构架设在常规桥梁结构上(称其为迭合梁结构)，以跨越大的障碍。目前适合于磁浮列车运行的迭合梁结构在国内外均无先例，至今未见有关该结构研究的公开报道。针对磁浮迭合梁结构的研究方法、需满足的变形控制指标及限值、结构型式、变形影响因素、结构主要设计参数合理取值范围以及德方提供的经验公式能否满足磁浮迭合梁动力设计等问题都巫待研究并解决。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.4磁浮大跨度桥梁——迭合梁（梁上梁）结构25高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术磁浮迭合梁由上层轨面结构、下层桥梁结构及上下层连接机构三部分组成，其中，1.上层轨面结构，即轨道梁，提供功能区的三个功能面并将功能区的受力通过连接机构传递给承重梁；2.下层桥梁结构（大跨度桥梁），为上层轨道梁提供支承，保证列车的安全、平稳运行；3.连接机构是上下层结构之间的连接及传力机构。1.4磁浮大跨度桥梁——迭合梁（梁上梁）结构26高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.4磁浮大跨度桥梁——迭合梁（梁上梁）结构27高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术1.4磁浮大跨度桥梁——迭合梁（梁上梁）结构28磁浮大跨度桥梁设计关键技术研究2高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术29高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术2.1高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术研究内容跨越黄浦江的磁浮大跨度桥梁技术标准要求：列车过桥速度不低于350km/h，并考虑双线列车桥上交会的情况，本课题研究是在上述标准的前提下展开的，对更高的车速（420km/h）只做一般性的探索。30①大跨度桥梁车桥相互动力作用以及变形对列车走行性影响的机理研究；②大跨度桥梁关键设计参数限值的研究；③通过设计关键技术研究和桥梁方案研究，总结提炼磁浮交通大跨度桥梁设计指南；④大跨度桥梁主梁伸缩缝装置的研究；⑤桥梁抗风和横风对列车走行性的影响。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术2.1高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术研究内容31(1)．大跨度桥梁车桥相互动力作用以及变形对列车走行性影响的机理研究；本项研究是后续研究的基础。主要研究磁浮大跨桥梁（梁上梁结构形式）车辆与桥梁动力相互作用机理和大跨桥梁变形对列车走行性影响：如车辆过桥时对桥梁激振力的幅值和主要作用的频率；桥梁变形对列车走行的影响以及影响耦合作用的主要因素等。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术2.1高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术研究内容32高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术研究过程要涉及到大型计算软件的编制，应用大型计算机的仿真计算模拟车辆过桥时车、桥动力响应的状况，同时进行一些必要的既有桥梁的动力试验，检验所采用的理论和计算结果的正确性。33在第一部分理论研究的基础上，进一步研究影响磁浮桥梁设计中关键设计参数限值要求的本质问题和限值的依据，然后综合各种影响因素，分析确定大跨度桥梁关键设计参数限值。(2).大跨度桥梁关键设计参数限值的研究2.1高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术研究内容34主要内容有：1.大跨度桥梁主梁的竖向、横向挠跨比设计参数限值的确定；2.主梁竖向、横向梁端折角限值的确定；3.主梁的扭转变形和的频率限值的研究；4.主梁动力放大系数及动力响应变化规律等。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术35(3).通过设计关键技术研究和桥梁方案研究，总结提炼磁浮交通大跨度桥梁设计指南指南主要内容包括以下几个部分：1.大跨度桥梁的构造要求（包括轨道梁形式等）；2.大跨度桥梁的关键设计参数标准；3.大跨度桥梁桥梁刚度和动力性能检算要求和技术。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术2.1高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术研究内容36大跨度桥梁梁端伸缩变形较大，导致主梁梁端、轨道梁的移动以及电磁线圈模数取整的问题，甚至影响电磁作用力作用的方向，因此要研究伸缩缝处合理构造和处理方法，保证电磁作用力不受梁端变形的影响。中小跨径轨道梁由于伸缩变形小，不存在这样的问题(4).大跨度桥梁主梁伸缩缝装置的研究高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术2.1高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术研究内容37该项研究主要内容包括：1.轮轨桥梁伸缩缝构造的调研；2.伸缩缝对磁浮列车电磁力影响的变化规律；3.磁浮桥梁伸缩缝合理伸缩量值确定；4.保证车辆走行安全的伸缩构造的提出。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术38(5).桥梁抗风和横风对列车走行性的影响研究相邻桥梁（闵浦大桥和拟建磁浮交通桥梁）尾流效应对新建桥梁和既有桥梁的影响。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术2.1高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术研究内容392.2.1.磁浮轨道梁刚度控制的几个主要指标(1)主梁竖向挠跨比，横向挠跨比（控制桥面挠曲变形程度，保持平顺性）；(2)主梁竖向、横向最小频率限值（避免产生过大的动力响应）；(3)主梁上方的轨道梁梁端最大折角限值。2.2中小跨度磁浮桥梁关键设计参数高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术402.2.2磁浮《线路设计规范》相关规定/1/4000zfL竖向挠跨比限值：(1)挠跨比：在列车静活载作用下：在日温差荷载作用下：/1/6500tfL/1/5400bfL上缘升温下缘升温高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术41/1/15000yfL横向挠跨比限值：在横向静活载（3.9kN/m)作用下：在日温差荷载作用下：/1/5800ytfL高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术421.1()VfL式中：V为车速(m/s)；L为梁跨跨长（m）；f为频率（Hz）。(2)大跨度主梁最小频率限值磁浮《线路设计规范》规定：没有说明对竖向、横向或扭转基频适用。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术43(3)轨道梁梁端最大折角限值规定为：单端竖向转角限值不大于8/10000rad，两端转角之和限值不大于16/10000rad；该规定是列车静活载折角最大限值、还是和温度荷载共同下折角最大限值，规范没有明确说明。高速磁浮大跨度桥梁设计关键技术轨道梁梁端折角示意44竖向（z方向）横向（y方向）挠跨比列车引起1/4000挠跨比列车引起1/15000温度引起-1/6500~1/5400温度引起1/5800梁端折角（两侧之和）/(rad/10000)