CN112458897B - 一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统，大跨度斜拉桥包括大桥主梁、桥塔、过渡墩、辅助墩，大桥主梁的桥面上沿大桥主梁的长度方向设有多个轨道梁，顺桥向定位系统包括多个轨道梁支座、成对的水平缆索和相应的索夹连接装置，轨道梁支座、水平缆索和索夹连接装置均沿大桥主梁的长度方向设置，轨道梁支座设于大桥主梁和轨道梁之间，成对的水平缆索分别设于轨道梁的两侧并与大桥过渡墩、辅助墩和桥塔通过索夹连接装置连结，水平缆索和轨道梁之间通过索夹连接装置连接。与现有大桥伸缩缝技术相比，本发明在由于温度、风荷载等作用下的大桥主梁梁端间隙大位移变化时，保证轨道梁及定子铁芯间的间隙变化控制在列车运行容许范围内。

Description

一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体涉及一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥主梁上轨道梁顺桥向定位系统。

背景技术

由于温度升降、风荷载等作用，大跨度桥梁结构在梁端存在较大位移。该位移不能强制约束，否则会产生过大的内力，导致结构破坏，因此大跨度桥梁端部均设置伸缩缝装置，以适应变形的要求。

高速磁悬浮线路的轨道梁上设置了一系列不连续的定子铁芯，为磁浮列车提供竖向支撑力和纵向驱动力，定子铁芯之间有一个允许缝隙范围(100mm左右)。在建设完工初期，同一轨道梁上的定子铁芯间距是固定的，而随着轨道梁之间发生纵向变形，定子铁芯间的间距也不断变化，常规高架磁浮线路轨道梁间的间隙变化应控制在规定范围之内。

对于以大跨度桥梁结构作为高速磁悬浮线路支撑的情况，磁浮轨道梁需要放置在大桥主梁的桥面上，而大跨度桥梁的大桥主梁自身因温度或风荷载作用导致的纵向伸缩位移远大于定子铁芯容许的间隙变化量，这就需要考虑调节措施。因为磁浮轨道梁的特殊性，目前的铁路和公路伸缩装置只是保证桥梁间隙位置的桥面结构连续，均无法适用于磁浮大桥的轨道梁间隙调节。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统，对于大跨度桥梁结构支承的高速磁悬浮轨道梁线路，在大桥主梁发生由于温度、风荷载等作用下的主梁梁端间隙大位移变化时，保证定子铁芯间的间隙变化(或轨道梁顺桥向间隙变化)控制在容许范围内。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统(其它结构形式大跨度桥梁可以参照运用此技术系统)，所述大跨度斜拉桥包括大桥主梁以及桥塔、过渡墩和辅助墩，设置与一般斜拉桥类似，所述大桥主梁上沿大桥主梁的长度方向(即顺桥向)设有多个轨道梁，桥塔、过渡墩和辅助墩的具体设置与现有的大跨度斜拉桥相一致，所述顺桥向定位系统包括多个轨道梁支座、成对的水平缆索和成对的索夹连接装置，所述轨道梁支座、水平缆索和索夹连接装置均沿大桥主梁的长度方向设置，所述轨道梁支座设于大桥主梁和轨道梁之间，成对的水平缆索分别设于轨道梁的两侧，所述水平缆索和轨道梁之间通过索夹连接装置进行连接，同时，水平缆索也通过索夹连接装置与过渡墩、辅助墩和桥塔塔柱连结。水平缆索通过索夹连接装置将桥上所有的轨道梁连接起来，并与大桥桥塔、辅助墩和过渡墩连接，从而使大桥主梁上的轨道梁纵桥向位置不随大桥主梁由于温度变化、纵向风荷载等作用发生的大桥主梁两端大位移变形而变化。

所述轨道梁支座包括横向固定纵向滑动支座以及横向纵向均滑动支座两种类型，每个轨道梁的梁底和大桥主梁的桥面之间共设置两个横向固定纵向滑动支座和两个横向纵向均滑动支座。在轨道梁的顺桥向采用可沿纵向滑动的滑动支座，除提供轨道梁的竖向支撑外，更主要的是保证轨道梁顺桥向的自由移动。每根轨道梁的梁底在横桥向采用一个横向固定纵向滑动支座，一个横向纵向均滑动支座，可提供轨道梁的竖向支撑，并限制轨道梁的横向位移，同时保证轨道梁不随大桥主梁的纵向位移而进行同步纵向位移。轨道梁不跟随大桥的纵向位移而进行同步纵向位移正是本发明目的和核心所在，这两种类型的支座均为已有技术，可直接采用市售产品或根据已记载的技术进行装配。

所述索夹连接装置包括依次连接的垫板、锚板、耳板和索夹本体，所述垫板和轨道梁连接，所述索夹本体贯穿设有容纳水平缆索的腔室。索夹连接装置为本发明的组成部分，但为已有技术，可根据本发明的受力要求设计制造。

所述索夹本体由两个相同的半索夹一左一右构成，所述耳板邻近索夹本体的一端突出设有一上一下对称的连接耳，两个连接耳之间形成与半索夹相适配的凹陷，所述连接耳的自由端置于两个半索夹的连接处，所述索夹连接装置还包括设于两个半索夹连接处并用于连接半索夹和连接耳的高强预应力杆(即高强螺栓)，使索夹本体能依靠半索夹与水平缆索之间的摩擦阻力在水平缆索上固定住。索夹连接装置可通过索夹本体和桥塔、过渡墩(或过渡墩伸出桥面结构)和辅助墩(或辅助墩伸出桥面结构)采用焊接等方式进行连接，或利用高强预应力杆进行连接，或采用其他现有常用的方法进行连接。

所述垫板和轨道梁之间设有多个锚栓。

所述锚板的厚度自垫板向耳板方向逐渐减小。

所述轨道梁自上而下依次包括同轴设置的顶部、腹部和底部，所述顶部的横向宽度大于腹部的横向宽度，所述底部的横向宽度大于腹部的横向宽度，所述顶部和腹部之间倾斜连接，所述腹部和底部之间倾斜连接，所述腹部的侧面自上而下远离轴线设置，所述垫板紧贴腹部设置。

所述水平缆索的横截面呈圆形，直径为60-100mm，根据受力大小确定。

所述水平缆索的弹性模量为2.00×10⁵-2.10×10⁵MPa，优选为2.05×10⁵MPa，所述水平缆索的线膨胀系数为1.1×10^-5-1.3×10^-5，优选为1.2×10^-5。水平缆索施加初张力，以保证对轨道梁的顺桥向约束作用。

所述水平缆索由多根热镀锌钢丝沿桥主梁的长度方向平行缠绕而成。

所述热镀锌钢丝的标准为Φ5mm，单根面积21.237mm²，标准强度1670MPa，安全系数2.5。

国内外尚无解决大跨度桥梁桥上轨道梁和大桥主梁梁端大位移变形技术，与现有的大桥伸缩缝技术相比，本发明是将大跨度桥梁的伸缩位移与标准的轨道梁的位移分开，即轨道梁随大桥主梁竖向、横向变形而发生跟随变形(竖直方向和水平方向为横桥向)，但不跟随大桥主梁进行纵向位移，使轨道梁与轨道梁之间的间隙基本保持初始安装状态不变，水平缆索与每根轨道梁的一端固结(采用索夹)，用于保证轨道梁间的缝隙变化一致，同时采取措施(利用索夹连接装置将水平缆索和过渡墩、辅助墩及桥塔固结)使过渡墩、辅助墩墩顶位移和桥塔横梁顶部位移控制在容许范围内，因此保证了轨道梁定子铁芯间的缝隙在允许范围内，从而保证轨道梁端部的缝隙变化恒久满足运营要求。

附图说明

图1为顺桥向定位系统的结构示意图；

图2为部分顺桥向定位系统的结构示意图；

图3为顺桥向定位系统的横截面结构示意图；

图4为索夹连接装置的结构示意图；

图5为耳板、索夹本体、高强预应力杆及水平缆索的俯视结构示意图；

图6为水平缆索的横截面示意图；

图7为第一种位移示意图；

图8为第二种位移示意图；

图9为工况1的水平缆索的轴力图；

图10为工况2的水平缆索的轴力图；

图11为工况3的水平缆索的轴力图。

图中：1-大桥主梁；2-轨道梁；201-顶部；202-腹部；203-底部；301-横向固定纵向滑动支座；302-横向纵向均滑动支座；4-水平缆索；5-垫板；6-锚板；7-耳板；701-连接耳；8-索夹本体；9-高强预应力杆；10-锚栓。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1、2、3所示，一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统，大跨度桥梁包括大桥主梁1、过渡墩、辅助墩和桥塔(图中省略，具体设置方式可参照现有的斜拉桥)，大桥主梁1上沿大桥主梁1的长度方向设有多个轨道梁2，顺桥向定位系统包括多个轨道梁支座、成对的水平缆索4和成对的索夹连接装置，轨道梁支座、水平缆索4和索夹连接装置均沿大桥主梁1的长度方向设置，轨道梁支座设于大桥主梁1和轨道梁2之间，成对的水平缆索4分别设于轨道梁2的两侧并与过渡墩、辅助墩和桥塔通过索夹连接装置连结，水平缆索4和轨道梁2之间通过索夹连接装置进行连接。

如图2、3所示，轨道梁支座包括横向固定纵向滑动支座301和横向纵向均滑动支座302，每个轨道梁2的梁底和大桥主梁1的桥面之间共设置两个横向固定纵向滑动支座301和两个横向纵向均滑动支座302，横向固定纵向滑动支座301和横向纵向均滑动支座302一左一右沿横桥向设置。

如图3所示，轨道梁2呈模型飞机形状，自上而下依次包括同轴设置的顶部201、腹部202和底部203，轨道梁支座和底部203连接，顶部201的横向宽度大于腹部202的横向宽度，底部203的横向宽度大于腹部202的横向宽度，顶部201和腹部202之间倾斜连接，腹部202和底部203之间倾斜连接，腹部202的侧面自上而下远离轴线设置。如图3、4、5所示，索夹连接装置包括依次连接的垫板5、锚板6、耳板7和索夹本体8，垫板5紧贴轨道梁2的腹部202呈倾斜设置，垫板5和腹部202之间设有多个锚栓10，锚板6的厚度自垫板5向耳板7方向逐渐减小，索夹本体8由两个相同的半索夹一左一右构成，贯穿设有容纳水平缆索4的腔室，耳板7邻近索夹本体8的一端突出设有一上一下对称的连接耳701，两个连接耳701之间形成与半索夹相适配的凹陷，连接耳701的自由端置于两个半索夹的连接处，索夹连接装置还包括设于两个半索夹连接处并用于连接半索夹和连接耳701的高强预应力杆9。

如图6所示，水平缆索4的横截面呈圆形，直径为60-100mm，水平缆索4的弹性模量为2.00×10⁵-2.10×10⁵MPa，取2.05×10⁵Mpa，水平缆索4的线膨胀系数为1.1×10^-5-1.3×10^-5，取1.2×10^-5，水平缆索4由多根热镀锌钢丝沿大桥主梁1的长度方向平行缠绕而成，热镀锌钢丝的标准为Φ5mm，单根面积21.237mm²(单根的热镀锌钢丝的横截面虽然是圆形，但不是理论的圆形，具体面积工程上查表可得)，标准强度1670MPa，安全系数2.5。

当采用本发明的顺桥向定位系统时，需要考虑两方面的问题：(1)由于水平缆索与过渡墩、辅助墩和桥塔固结，为保证轨道梁与轨道梁之间定子铁芯能满足系统要求，需要采取措施使过渡墩、辅助墩的墩顶位移以及桥塔的横梁顶部位移控制在容许范围内。(2)水平缆索的面积及初始张拉力的确定。

控制桥塔的横梁顶部位移的措施包括提高桥塔下塔柱刚度、桥塔下塔柱立面采用人字形等。为保证水平缆索始终承受一定拉力，水平缆索需要根据最不利受力工况确定初始张拉力。

水平缆索主要承受轨道梁传递的摩擦力以及列车制动力。

滚动摩擦系数取为0.03，二期恒载为(98.6+4.32+4+50)＝156.92kN/m(双侧轨道梁)，一根轨道梁传递给水平缆索的摩擦力为0.03×156.92×12.384/2＝29.15kN。

大桥桥面顺桥向位移有两种，分别如图7和图8所示，一种是主跨中心为温度零点的伸长和缩短；另一种是整个桥面刚体沿顺桥向位移。对于这两种位移轨道梁传递水平缆索的摩擦力不同，并考虑其他工况，水平缆索的受力情况分别计算如下。

a.工况1－如图7所示，大桥桥面顺桥向以主跨中心为温度零点的伸长

全桥共有72根12.384m长的轨道梁(单线)，故对于图7所示情况(箭头代表位移方向，降温时缆索受力，升温时反向)，水平缆索所承受的最大轴力约为：807kN，水平缆索的轴力图如图9所示。

b.工况2－如图8所示，整个桥面刚体沿顺桥向位移

对于图8所示情况(箭头代表位移方向，为受风荷载作用)，此工况下水平缆索的轴力图如图10所示，水平缆索所承受的最大轴力约为：1049kN。

c.工况3－列车制动荷载

轨道梁传递给水平缆索的制动力荷载：根据磁浮规范，列车的纵向惯性力为8.92kN/m，列车的总长为202.608m，则制动力荷载为8.92×202.608＝1807.26kN。此工况下水平缆索的轴力图如图11所示。水平缆索所承受的最大轴力约为：1807kN。

根据工况1～3的计算结果可知，当承受列车制动荷载时，水平缆索的受力最大。据此初步拟定主缆面积。需采用Φ5mm热镀锌钢丝绞线根数为：1807×1000/1670×2.5/21.237＝127根，取用200根，安全系数取2.5，则水平缆索面积为4247mm²(根据钢丝根数，查表可得水平缆索的面积和直径)，水平缆索直径为82mm。

为保证水平缆索始终承受一定拉力，水平缆索需要根据最不利受力工况确定初始张拉力，由于在升温情况下，由于水平缆索的伸长会导致张拉力损失，故水平缆索初始张拉力为最不利受力+张拉力损失。

整体升温30度，水平缆索长度891.648m，则水平缆索温度伸长量：

Δl＝1.2×10^-5×891.648×30＝0.321m

伸长量引起的拉索张力损失为：2.05×10⁵×4247×0.321/891.648＝313kN

故初始张拉力为：313+1807＝2120kN。

全桥顺桥向定位系统共需要4根水平缆索，每根水平缆索由200根Φ5mm热镀锌钢绞线组成，每根水平缆索的初始张拉力为2120kN。

本发明保证了轨道梁端间隙保持一致，并限制在定子铁芯的容许间隙范围内，从而保证了磁浮系统运行的需要。采用了本发明的大跨度斜拉桥梁在各种工况下左桥塔横梁位移对比见表1。

表1各种工况下左桥塔横梁位移对比(mm)

其中，“标准组合”是指按桥梁规范计算，“拟长期组合”也是指按桥梁规范计算。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统，所述大跨度斜拉桥包括大桥主梁(1)以及桥塔、过渡墩和辅助墩，所述大桥主梁(1)上沿大桥主梁(1)的长度方向设有多个轨道梁(2)，其特征在于，所述顺桥向定位系统包括多个轨道梁支座、成对的水平缆索(4)和成对的索夹连接装置，所述轨道梁支座、水平缆索(4)和索夹连接装置均沿大桥主梁(1)的长度方向设置，所述轨道梁支座设于大桥主梁(1)和轨道梁(2)之间，成对的水平缆索(4)分别设于轨道梁(2)的两侧并与过渡墩、辅助墩和桥塔通过索夹连接装置连结，所述水平缆索(4)和轨道梁(2)之间通过索夹连接装置进行连接；

所述轨道梁支座包括横向固定纵向滑动支座(301)和横向纵向均滑动支座(302)，每个轨道梁(2)的梁底和大桥主梁(1)的桥面之间共设置两个横向固定纵向滑动支座(301)和两个横向纵向均滑动支座(302)；

所述索夹连接装置包括依次连接的垫板(5)、锚板(6)、耳板(7)和索夹本体(8)，所述垫板(5)和轨道梁(2)连接，所述索夹本体(8)贯穿设有容纳水平缆索(4)的腔室。

2.根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统，其特征在于，所述索夹本体(8)由两个相同的半索夹一左一右构成，所述耳板(7)邻近索夹本体(8)的一端突出设有一上一下对称的连接耳(701)，两个连接耳(701)之间形成与半索夹相适配的凹陷，所述连接耳(701)的自由端置于两个半索夹的连接处，所述索夹连接装置还包括设于两个半索夹连接处并用于连接半索夹和连接耳(701)的高强预应力杆(9)。

3.根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统，其特征在于，所述垫板(5)和轨道梁(2)之间设有多个锚栓(10)。

4.根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统，其特征在于，所述锚板(6)的厚度自垫板(5)向耳板(7)方向逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统，其特征在于，所述轨道梁(2)自上而下依次包括同轴设置的顶部(201)、腹部(202)和底部(203)，所述顶部(201)的横向宽度大于腹部(202)的横向宽度，所述底部(203)的横向宽度大于腹部(202)的横向宽度，所述腹部(202)的侧面自上而下远离轴线设置。

6.根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统，其特征在于，所述水平缆索(4)的弹性模量为2.00×10⁵-2.10×10⁵MPa，所述水平缆索(4)的线膨胀系数为1.1×10^-5-1.3×10^-5。

7.根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统，其特征在于，所述水平缆索(4)由多根热镀锌钢丝沿大桥主梁(1)的长度方向平行缠绕而成。

8.根据权利要求7所述的一种高速磁悬浮大跨度斜拉桥梁上轨道梁顺桥向定位系统，其特征在于，所述热镀锌钢丝的标准为Φ5mm，单根面积21.237mm²，标准强度1670MPa，安全系数2.5。

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