张亚丽
中国铁设土建院桥梁一所 天津 300308
摘要：北京市中低速磁浮交通示范线（S1线）为我国最早开始设计并开工建设、第二条通车的中低速磁悬浮运营线路，设计经验少，桥梁结构作为主要支承结构，具有刚度大、模数布跨、线路曲线半径小、坡度大的特点；S1线桥梁还具有线间距变化大且频繁、跨越节点多、特殊结构复杂、景观要求高等特点和难点，经设计研究，确定了关键技术标准，创新了桥式结构，设计了成套的系列中低速磁浮桥梁结构形式，研发了支座等产品。
关键词： S1线 中低速磁浮 技术标准 创新 成套 系列 结构形式
一、前言
中低速磁悬浮线路是新兴的先进交通技术，具有爬坡能力强、转弯半径小、乘坐安全舒适、适应性好等特点。北京市中低速磁浮交通示范线（S1线）于2011.4开工建设，2017.12通车运营。S1线为我国最早开始设计并开工建设的中低速磁悬浮运营线路，也是世界上继日本丘陵线、韩国仁川机场线、长沙磁浮快线后，第四条运营的中低速磁悬浮线路。
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图1 中低速磁浮工作原理
中低速磁浮交通系统由悬浮系统、直线电机驱动系统、测速定位系统组成，在轨道梁上设轨排、F轨、接触轨等，保证车辆平稳可靠悬浮、有效驱动与制动。中低速磁浮交通系统对承载结构的刚度、强度有较高的要求，决定了承载结构的优先选择是桥梁。针对S1线，开展了大量的标准研究、创新设计和产品研发等工作，确保桥梁结构安全可靠、经济适用、技术先进、美观环保。
二、工程概况
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图2 S1线工程平面示意图
S1线西起门头沟石厂站，东至石景山区苹果园站，沿途跨越长安街西延、西六环、永定河、石景山、首钢旧址等北京地标性建筑，为生态景观交通线路。正线为双线，全长10.21km，除石景山隧道外均为高架结构；石门营车辆段出入段线等单线桥梁长约3.51km。
三、S1线桥梁设计研究
桥梁结构作为中低速磁悬浮线路的主要支承结构，具有刚度大、模数布跨、线路曲线半径小、坡度大的特点，S1线桥梁还具有线间距变化大且频繁、穿越北京城区，跨度布置复杂、景观要求高等特点和难点，针对确定关键技术指标、创新桥式结构、设计成套的系列中低速磁浮桥梁结构形式开展设计研究。
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图3 磁浮列车
3.1关键技术指标研究
S1线为我国首条设计和动工的中低速磁浮运营线，设计经验少，技术指标有待确定，以《中低速磁浮交通设计规范》为基础，参考长沙科大、唐山试验线的试验数据，研究比较多种国内外相关规范，确定S1线的设计荷载和技术控制指标，以保证工程的安全性与经济性。主要技术标准汇总如下：
1、设计速度：最高运行速度100km/h。
2、线路情况：正线最小半径为200m，纵坡为53‰；单线梁最小半径为75m，最大纵坡为56‰。
3、轨道：采用F轨，轨顶到梁顶1.4m，为保证轨排的标准化，要求桥梁模数布跨，跨度一般情况下为6m的整数倍，且轨排伸缩节最大伸缩量为40mm。
4、动力特性要求
为了避免由于车-轨道梁的耦合振动导致的车轨共振，轨道梁一阶固定频率要求，L≤80m简支梁桥梁竖向自振频率n0＞64/L，L为计算跨度。
6、桥梁设计荷载
（1）六辆编组，静荷载满载为25 KN/m，空车荷载为15kN/m。
（2）列车竖向动力系数在上凸曲线时最小值为-0.6m/s2；在下凹曲线时最大值为+1.15m/s2。动力系数应按下列公式计算：
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式中
V——设计速度（m/s）
Rh——平曲线半径（m）
Rw——竖曲线半径（m），上凸取正，下凹取负。
α——横坡角（度）
β——纵坡角（度）
g——重力加速度
（3）桥梁在曲线上时，考虑列车竖向静活载产生的离心力：
F y =25×аy /g
正线：аy≤1.3m/s2
道岔：аy≤1.5m/s2
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离心力按水平向外作用于设计轨面以上0.75 m处。
（4）侧向导向力考虑两种形式：
1）悬浮磁铁侧向力：最大拉力值为悬浮能力的20%，作用点位置同离心力。
2）动态侧向力：Py，sk=±[1+V（km/h）/500（km/h）]kN/m，V的单位为km/h，作用点在设计轨面以下0.06 m处。
（5）小半径约束力：为转向架之间的列车刚体与曲线线路产生的相互约束的力，发生于缓和曲线范围内，数值不大于10kN。
（6）桥上列车制动力或牵引力应按列车竖向静活载的13%计算。
（7）地震动峰值加速度为0.20g，地震基本烈度为8度。
7、结构变形要求
（1）梁部
1）竖向静荷载作用下，梁体的竖向挠度限值单跨 < L/3800，多跨 < L/4600。
2）温度荷载下梁体的竖向挠度限值单跨 < L/6200，多跨 < L/7600。
3）静活载作用下梁端的竖向转角不大于1% 。
4）水平力作用下梁体的水平挠度不大于L/2000。
5）轨道梁工后徐变上拱值不大于5mm。
6）梁体横向倾覆稳定系数不小于1.3。
（2）下部结构
1）墩顶在活载及附加力作用下顺桥方向弹性水平位移小于10mm。
2）墩顶在活载、侧向导向力、离心力、风力和温度的作用下横桥向弹性水平位移引起的梁端水平折角不大于1‰ 。
4）桥墩基础工后最大均匀沉降量30mm，相邻墩台沉降量差最大5mm。
3.2创新结构形式
1、区间双线梁
S1线受道岔和车站影响，线间距为4.6～6.46m，且频繁变换，位于北京城区，跨越道路、河流等节点多，如果采用单线小U梁并置的结构形式，存在刚度小、桥面附属布置困难、梁型转换频繁等问题，因此创新提出“梁上梁”的结构形式，即轨道梁上设置π型承轨梁。
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2、车辆段单线梁
车辆段单线梁最小曲线半径为75m，在唐山磁浮试验线U型梁的基础上，创新采用小口杯型箱梁，提高了抗倾覆性。梁高为1.8m，顶板宽度1.4m，底板宽度1.7m。
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图7 唐山磁浮U型梁 图8 S1线小口杯型箱梁
3.3标准跨度梁设计研究
统筹全线，确定桥式结构的设计原则，最大限度对梁型、墩型等进行归类标准化，减少设计和施工难度，开展系列性设计研究。
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图9 区间桥梁实景
1、跨度
S1线平均墩高为8m以上，适宜跨度可以选用24m和30m。24m承重梁高1.5m，30m梁高1.8m，桥面上承轨梁高1.4m，从整体效果看，24m梁和10m左右的桥高更匹配，更纤细美观一些；从轨道伸缩节角度来看，24m跨度采用J1型接头，构造简单，对行车舒适度影响小，30m跨度采用J2型接头，增加造价和施工难度，影响行车舒适性；从经济指标看，24m梁略经济。因此标准跨度采用24m，跨越一般道路、河流等时，以30m等跨度调节。
桥梁跨度比较表 表2
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2、轨道梁截面形式
轨道梁可选择的横截面形式包括整体箱梁、组合小箱梁或T型梁、钢混结合梁、槽型梁等，中低速磁浮车辆活载较小，考虑美观、跨越能力强、结构受力明确等，采用单箱单室箱型截面。
对不同腹板斜率（高宽比：3.5:1、2.5:1、直腹板）的箱型截面进行比选，主要考虑以下因素：（1）线间距变化幅度较大，范围为4.6m～6.46m，且梁上Π型承轨梁较宽，为1.4m，应尽可能让承轨梁和车辆荷载作用在腹板范围，从而改善顶板及悬臂受力；（2）箱梁支座布置较宽，要求桥墩顶帽较宽，桥墩采用大“Y”型结构，“Y”型斜率和箱型梁腹板斜率协调，线性流畅。（3）斜腹板2.5:1时，箱宽大，腹板间顶板跨度大，影响受力和美观。因此采用斜腹板高宽比为3.5：1，并加大腹板和悬臂倒角。
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图10 腹板斜率2.5:1 图11 腹板斜率3.5:1
3、梁高
对1.5m、1.8m、2m等梁高进行试算，考察箱梁受力、刚度、徐变、景观等指标，并考虑检修人员在箱梁内通行便宜，确定梁部高度，跨度≤24m时梁高1.5m，跨度>24m时，梁高1.8m，不同梁高的梁在桥墩处线形顺接。
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4、简支和连续
S1线位于8度地震区、保证轨排接缝标准化，增加行车舒适、下部结构尺寸均匀等因素，推荐采用24m简支梁。线路位于小半径曲线时，研究了不同曲线半径对梁受力的影响。
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考虑提高抗扭刚度、减小曲线外侧的挠度、使曲线内外侧支座受力均衡等因素，简支梁和连续梁布跨原则为平曲线半径R>300m时采用简支梁，R≤300 m时采用连续梁。
3.4特殊节点桥梁设计研究
S1线沿途跨越多处地标性建筑，特殊节点桥梁多且复杂，针对其结构、景观、施工等方面进行系列研究和技术攻关，其中大跨度节点桥梁的受力、挠度和徐变上拱等的变形控制、自振频率、景观造型等为设计研究重点。
1、跨越较大道路、桥梁节点
小半径或小角度跨越较大道路、河流时连续梁、T构等结构形式，曲线线形流畅优美。如（36+54+36）m连续箱梁、（54+54）m T构、（61.8+61.8）m T构等。
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图14大跨度连续梁 图15 2-61.8mT构
2、（50+74+50）m梁
跨越长安街西延、西六环采用（50+74+50）m连续连续刚构或连续梁，满足净空要求，简洁宏伟。
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图16 跨长安街西延 图17 跨西六环
3、66m简支系杆拱桥
跨越西六环辅路等3处采用66m系杆拱桥，拱肋采用平行叠拱形式，拱肋采用变截面镂空哑铃型截面，靓丽雅致。
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图18 66m简支系杆拱
4、跨永定新河景观桥
跨永定新河景观桥采用78m钢拱+（3-84）m钢拱+54m钢槽型梁+38.4m钢格构梁等新结构，顶推施工，技术先进、造型美观。
系列钢桥梁部结构一致，38.4m钢格构梁采用纵横梁体系，高3360mm，54 m钢槽型梁梁顶为抛物线和三次曲线，端部高3360mm，跨中高6660mm，84m钢拱桥采用钢箱拱肋、H型镂空刚性吊杆，矢高11150mm，桥上建筑由高到低，如游龙蜿蜒。
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图19、20 （78+84+84+84+54+38.4）m系列钢桥
5、道岔梁
中低速磁浮交通的道岔形式包括单开道岔、三开道岔、单渡线、交叉渡线等，S1线正线主要设置单渡线道岔，单渡线长53.546m，道岔梁采用5-17m刚构连续梁，很好地满足了道岔区的需求。
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图21 5-17m道岔区刚构连续梁
3.5桥面综合设计研究
对桥面轨道梁、轨排、接触轨、电力和通信电缆、信号机、CCTV机、疏散平台、栏杆、景观灯带、防雷接地、防排水系统、道岔结构、检修通道等进行精心和合理布置。
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图22 桥面布置设计
3.6景观设计研究
系统开展全线桥梁的结构景观设计研究，全面提升桥梁美学水平，桥梁建筑风格力求现代、简约、和谐、流畅，利用结构自身所表现的力学美，达到鲜明纯粹又完美溶于环境。
S1线平曲线、线间距频繁变化，跨越河流、道路等构筑物频率较高，首先对结构进行流线衔接和归类设计，使全线轻巧柔美、和谐流畅。桥梁曲梁曲做，利用悬臂或箱宽变化使梁体平面流线顺畅，矮梁增加0.3m梁靴保证立面线型美观，横截面设计中，箱梁斜腹板倾斜角度与“大Y”型桥墩一致，并用大弧度拟合，对各种结构充分归类，形成标准化设计。
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图23 区间标准跨度效果图
其次注重造型及细节设计，如梁式桥采用大悬臂板箱梁、兰花状桥墩，整体造型优美典雅；单线梁采用小口杯型梁、X型桥墩，造型如婷婷玉立的郁金香；66m钢管混凝土系杆拱桥的拱肋进行艺术造型处理，美观别致。
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图24 区间双线桥式 图25 车场线单线桥式 图26 66m系杆拱拱肋处理
重点对地标性桥梁进行结构景观设计研究，跨永定新河景观桥取法颐和园山水长桥神韵，采用54m钢槽形梁+3-84m钢拱桥+54米钢槽形梁，梁上建筑从无到有，从低到高，如游龙蜿蜒，采用38.4m钢格构梁跨越丰沙铁路，连接石景山，辅以“门”形桥墩，以“亲近自然”为理念，尽量做到不喧宾夺主，降低桥体体积，将其设计为轻盈简洁的体型，营造出一种桥体依附于山水间的意境。在跨河部分采用低调的系杆拱方案作为平缓过度，削弱了桥体的冲击力，将桥体掩映于一片湖光山色之间，“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”。
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图27 跨永定河系列钢桥效果图一 图28 跨永定河系列钢桥效果图二
3.7研发具有广阔市场前景的新产品
针对磁浮轨道梁承受较大横向水平力，并对结构沉降有严苛要求的特点，研发了中低速磁浮桥梁用球型钢支座、拉力调高支座以及铰轴滑板支座三种新产品。
四、结语
S1线已通车运营，桥梁状况良好，应对中低速磁浮线路进行长久有效地观测，以实践验证桥梁的控制指标。
中低速磁浮线路目前存在两种结构形式，即长沙磁浮的双工字梁并置的形式、S1线“梁上梁”的结构形式，各有特点。“梁上梁”结构，较容易满足轨道和车辆的刚度要求、对构筑物跨越的要求、景观要求、以及运营单位的检修养护要求，但圬工体量偏大。而双单线梁并置方案则相反。随着我国磁悬浮铁路的发展，势必研发出更多新型的桥梁结构形式。。