预应力混凝土真空管道的制作方法

1.本发明涉及真空管道磁悬浮交通技术领域，具体涉及一种预应力混凝土真空管道。


背景技术：

2.对于地面交通来说，轮轨列车速度达到400km/h基本已经达到安全和成本的极限。通过优化可进一步达到500km/h运行速度(空气阻力占总阻力的92％)，一旦超过这一速度限制，就需要真空管道提供低气压环境以减小空气阻力。真空管道中车体安装强磁体，轨道安装磁感线圈，通过电磁作用提供强大的悬浮力和牵引力，同时消除轮轨技术机械摩阻力，速度可达到1000～4000km/h，速度更快，能耗及运营成本更低。
3.低真空超高速磁浮管道需要保持管道内长大空间长时间的真空度，为了降低维持真空状态能耗，管道结构自身及连接部位密封要求极高。由于管道内部处于近似真空状态，管道外表面环形均匀分布一个大气压强的大气压力，巨大的大气荷载使真空管道内侧产生较大的拉应力。
4.列车在真空管道中超高速运行时，管道内稀薄的空气产生气动阻力仍然是列车运行的主要阻力，真空管道断面在经济合理的情况下会产生“阻塞”效应，使车体运行时挤压前方空气较大热量，同时提供列车动力的电磁线圈工作时也会持续发热，管内稀薄的空气对流散热性能较差，使管内热量不断累计，温度持续升高。
5.磁悬浮列车车身两侧安装的强磁体会随着列车运行对一定范围内的金属产生涡流效应，形成电磁阻力。车底取消车轮与钢轨，车身两侧安装的强磁体与对应电磁线圈产生竖向、横向及纵向引力与斥力，牵引列车悬浮向前高速运行，因此真空管道不仅对结构纵向刚度有要求，同时横向刚度还需满足轨道变形要求，与传统轨道受力方式有较大区别。
6.目前，从国内外已公开的技术资料来看，低真空超高速磁浮管道基本采用大直径圆管结构，如图1，或截面为平底直墙圆顶的管道结构，如图2，管道内底部设计纵向连续平面结构作为行车轨道，可以在保证管道气密性的同时满足结构刚度的要求。但现有管道结构目前仍具有以下技术缺陷：
7.1、真空管道钢管纵、横向结构设计与管道受力不匹配。
8.采用大直径圆管结构时，真空管道外部圆形钢管为主要承力结构。由于钢管为完全对称截面，因此管道横向、竖向抗弯性能基本一致。列车在真空管道内运行时，横向荷载仅为车体两侧强磁铁的水平斥力，竖向荷载包括真空管道与行车轨道自重、列车自重、车体两侧强磁铁的竖向斥力等，竖向荷载远大于横向荷载。钢管壁厚以竖向荷载为最控制条件设计时，横向刚度较富裕，材料强度没有充分利用，结构经济性较低。
9.2、真空管道内混凝土行车轨道设计还需优化。
10.即使不采用真空管道圆形钢管，采用如图2的截面结构形式，真空管道中行车轨道设置在管道内中下部，安装磁阻线圈的轨道结构侧壁与底板厚度并未根据实际受力需求设计，而是直接采用混凝土将磁阻线圈与钢管之间完全填充，增加混凝土用量的同时增加真
空管道结构自重，导致钢管厚度进一步增加，增加成本。
11.3、钢管梁金属材料会产生大量涡流阻力，运营经济性较差。
12.现有真空管道采用钢材这种强导电材料作为主要承力结构，为了提高管道经济性，钢管梁截面会严格按照运行限界及阻塞比的要求尽量减小截面尺寸。此时钢材管道距离列车安装的强磁体距离较近，在列车高速运行时会产生较大的涡流阻力，磁感线圈会产生较大热量，运营安全性、经济性不好。
13.4、混凝土行车轨道侧壁及底板过厚，不利于管道内散热。
14.混凝土行车轨道侧壁及底面安装大量磁感线圈，在为车辆运行提供动力时持续发热。现有混凝土行车轨道侧壁与底板直接与钢管填充联合，厚度较大。混凝土材料本身导热性能较差，热量长期无法散出导致线圈表面温度升高，影响线圈材料绝缘性能和使用寿命，同时管道内温度不断累积，钢管产生较大温度应力和温度变形，影响列车运行平顺和管道结构使用安全。
15.5、现有真空管道施工、运输困难。
16.现有真空管道外部钢管与内部混凝土行车轨道采用填充联合的方式连接，需现场浇筑为一个整体，施工速度慢、施工精度及质量难易保证。施工完成后的管道截面刚度极不平衡，出现上部钢管刚度较弱，下部钢管与混凝土联合部位刚度很强，结构运输、起吊、安装时极易倾覆、翻转，施工难度大，施工保护措施成本高。


技术实现要素：

17.本发明的目的是提供一种预应力混凝土真空管道，以解决现有低真空超高速磁浮管道存在的整体稳定性较差、轨道侧壁及底板过厚、不利于管道内散热等问题。
18.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
19.预应力混凝土真空管道，所述真空管道的横截面呈倒梯形，包括预应力混凝土空腔管梁，所述预应力混凝土空腔管梁外表面包裹有封闭结构；
20.所述预应力混凝土空腔管梁内底部两侧对称设置有竖向的混凝土侧壁，所述混凝土侧壁沿所述真空管道长度方向布置，所述混凝土侧壁的内侧设置有电磁线圈；
21.所述混凝土侧壁的外侧与对应的所述预应力混凝土空腔管梁内侧之间设置有横向水平支撑，所述横向水平支撑垂直于所述真空管道长度方向布置。
22.进一步地，所述预应力混凝土空腔管梁外表面的底部设置有鱼腹式横肋结构，所述鱼腹式横肋结构的底面呈圆弧形；
23.所述鱼腹式横肋结构垂直于所述真空管道长度方向，并沿所述真空管道长度方向间隔布置；所述鱼腹式横肋结构外表面包裹有封闭结构。
24.进一步地，所述预应力混凝土空腔管梁沿所述真空管道长度方向分为多个节段，每个节段的所述预应力混凝土空腔管梁内设置有沿所述真空管道长度方向布置的纵向孔，多个节段的所述预应力混凝土空腔管梁的所述纵向孔内贯穿设置有纵向预应力钢束。
25.进一步地，所述鱼腹式横肋结构内设置有沿所述真空管道长度方向布置的纵向孔，多个所述鱼腹式横肋结构的所述纵向孔内贯穿设置有纵向体外预应力钢束。
26.进一步地，所述预应力混凝土空腔管梁的顶板内设置有垂直于所述真空管道长度方向的横向预应力钢束。
27.进一步地，所述预应力混凝土空腔管梁的腹板内设置有垂直于所述真空管道长度方向的竖向预应力钢束。
28.进一步地，所述预应力混凝土空腔管梁的顶板开设有顶板孔，所述顶板孔沿所述真空管道长度方向间隔布置，相邻的所述顶板孔之间为横向连接。
29.进一步地，所述预应力混凝土空腔管梁的腹板开设有腹板孔，所述腹板孔沿所述真空管道长度方向间隔布置。
30.进一步地，所述预应力混凝土空腔管梁底部两端设置有局部加厚区域，所述局部加厚区域外表面包裹有封闭结构。
31.进一步地，所述混凝土侧壁的外侧和对应的所述预应力混凝土空腔管梁内侧均设置有预埋钢板，所述预埋钢板沿所述真空管道长度方向通长布置；
32.所述横向水平支撑两端通过对应的预埋钢板连接到所述混凝土侧壁和所述预应力混凝土空腔管梁上。
33.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
34.1、本发明的预应力混凝土真空管道，有效的减小轨道结构的截面尺寸，在荷载一定的条件下减轻结构自身自重，降低结构壁厚，减少钢筋混凝土数量，减小下部结构尺寸，提高整体工程经济性。
35.2、本发明的预应力混凝土真空管道，梁截面形状及材料布置均匀连续，有效改善传统管道横向刚度不均衡的状况，在大气压、荷载及温度影响下结构受力均匀。同时增设纵、横、竖向预应力钢束，在保证结构安全性的同时可以进一步优化结构尺寸，提高材料利用率。
36.3、针对磁浮轨道交通横向刚度较高要求，本发明的预应力混凝土真空管道底部设置了鱼腹式横肋，根据结构受力要求有效增加管道横向刚度，管道横断面设计合理高效，经济型较高。
37.4、本发明的预应力混凝土真空管道，将管梁底板与行车轨面有效结合，提高了真空管道的净面积。因此在保证阻塞比满足要求的情况下可进一步减小梁高，降低管道梁的成本。
38.5、本发明的预应力混凝土真空管道为薄壁结构，横向水平支撑为纵向不连续的点状支撑，电磁线圈工作时产生的热量可以快速通过预应力混凝土空腔管梁传递至封闭结构散发至外界空气中，减小管道内温度累计，延长电磁设备使用寿命，管梁顶板、腹板增设的孔洞结构进一步提高管内散热速度，提高管道经济性和安全性，并克服现有钢管梁金属材料会产生大量涡流阻力、运营经济性较差的问题。
39.6、本发明的预应力混凝土真空管道可直接利用现有成熟的制梁工艺和设备，即可采用工厂预制施工方法，也可采用现场浇筑施工，制梁工艺简单高效灵活，降低施工难度和工程造价。
40.7、本发明的预应力混凝土真空管道截面为倒梯形形状，与现有真空管道在断面面积与孔隙率相当的情况下，可有效降低管道高度，解决现有真空管道运输、起吊、安装时极易倾覆、翻转、施工难度大、施工保护措施成本高的问题，同时在列车运行时结构整体稳定性更优。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
42.图1为现有技术中截面为大直径圆管的真空管道断面图。
43.图2为现有技术中截面为平底直墙圆顶的真空管道断面图。
44.图3为本发明实施例1的预应力混凝土真空管道断面图。
45.图4为本发明实施例1中横向水平支撑与混凝土侧壁连接部位局部放大图(图3中的a部大样图)。
46.图5为本发明实施例1的预应力混凝土真空管道纵向剖面图。
47.图6为本发明实施例1的预应力混凝土真空管道纵向预应力钢束布置断面图。
48.图7为本发明实施例2的预应力混凝土真空管道断面图。
49.图8为本发明实施例3的预应力混凝土真空管道断面图。
50.图9为本发明实施例3的预应力混凝土真空管道侧面图。
51.图10为本发明实施例3的预应力混凝土真空管道顶面图。
52.图11为本发明实施例3的预应力混凝土真空管道纵向预应力钢束布置断面图。
53.图12为本发明实施例3的预应力混凝土真空管道竖向预应力钢束布置断面图。
54.图13为本发明实施例3的预应力混凝土真空管道横向预应力钢束布置断面图。
55.图14为本发明实施例4的预应力混凝土真空管道断面图。
56.图中标识为：
57.1-封闭结构，2-预应力混凝土空腔管梁，3-混凝土侧壁，4-鱼腹式横肋结构，5-横向水平支撑，6-腹板孔，7-顶板孔，8-横向连接，9-第一纵向预应力钢束，10-第二纵向预应力钢束，11-第三纵向预应力钢束，12-纵向体外预应力钢束，13-横向预应力钢束，14-竖向预应力钢束,15-电磁线圈，16-局部加厚区域，17-预埋钢板。
具体实施方式
58.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
59.在本专利的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖向”、“水平”、“横向”、“纵向”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。术语“第一”、“第二”等的描述，仅是为了在区别结构的目的下更清楚的描述结构特征，不应被理解为对关系、顺序、重要度等的限制。
60.在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”等应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连
接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
61.在具体实施方式的描述中，将真空管道长度方向定义为纵向，将垂直于真空管道长度方向定义为横向。
62.如图1所示的现有真空管道结构，其截面呈圆形，且真空管道中行车轨道设置在管道内中下部，直接采用混凝土将电磁线圈与圆形钢管之间完全填充，增加混凝土用量的同时增加真空管道结构自重，增加成本。另外，这样的结构形式截面通透性差，不利于管道内散热，现场浇筑施工难度也较大。如图2所示的现有真空管道结构，其截面为平底直墙圆顶，虽在结构受力上不同于圆形截面的真空管道结构，但其结构在自重、成本、通透性、散热能力等方面也存在明显缺陷。
63.为克服上述缺陷，本技术提供了一种预应力混凝土真空管道，作为磁浮列车的走行真空管道梁，可替代之前由混凝土实体块联合封闭圆管结构及半混凝土半钢管组合结构。如图3，所述真空管道的横截面呈倒梯形，包括预应力混凝土空腔管梁2，预应力混凝土空腔管梁2外表面包裹有封闭结构1。预应力混凝土空腔管梁2的顶板较宽，底板较窄，两侧的腹板从顶板斜向过渡到底板，腹板与顶板、腹板与底板的衔接部分呈圆弧形，其中腹板与顶板的衔接部分厚度较大，改善了弯曲部分的受力刚度。封闭结构1与预应力混凝土空腔管梁2严格密闭包裹，为预应力混凝土空腔管梁2内部创造密封条件，封闭结构1选用具有较好的材料力学强度、气密性能、耐高温、耐腐蚀性能的材料，如耐候钢、不锈钢、玻璃纤维、碳纤维复合材料等。预应力混凝土空腔管梁2内底部两侧对称设置有竖向的混凝土侧壁3，混凝土侧壁3沿真空管道长度方向纵向布置，内外侧面相互平行，为矩形截面，混凝土侧壁3的内侧设置有电磁线圈15。预应力混凝土空腔管梁2的底板和混凝土侧壁3组成列车运行轨道板。混凝土侧壁3的外侧与对应的预应力混凝土空腔管梁2内侧之间设置有横向水平支撑5，采用钢材、耐候钢或不锈钢等具有一定材料强度的材料沿管道纵向均匀设置。横向水平支撑5垂直于真空管道长度方向横向布置，自上而下间隔布置多层，纵向均匀布置，从侧面看呈点状布置，这样不连续的点状支撑使得真空管道内部形成了镂空区域，有利于管内的散热。
64.如图3和图5，在一些实施例中，预应力混凝土空腔管梁2外表面的底部设置有鱼腹式横肋结构4，鱼腹式横肋结构4的底面呈圆弧形，前后两面互相平行。鱼腹式横肋结构4垂直于真空管道长度方向，并沿真空管道长度方向纵向间隔布置。鱼腹式横肋结构4可与预应力混凝土空腔管梁2底板一体制作，在其底部形成横向加固支撑。为满足真空管梁气密性要求，鱼腹式横肋结构4外表面也包裹有封闭结构1，与其他部分的封闭结构1组成完整的封闭体。
65.如图6，在一些实施例中，预应力混凝土空腔管梁2沿真空管道长度方向分为多个节段，每个节段的预应力混凝土空腔管梁2内设置有沿真空管道长度方向布置的纵向孔，多个节段的预应力混凝土空腔管梁2的纵向孔内贯穿设置有纵向预应力钢束。纵向预应力钢束分区设置，预应力混凝土空腔管梁2顶板内为第一纵向预应力钢束9，预应力混凝土空腔管梁2腹板内为第二纵向预应力钢束10，预应力混凝土空腔管梁2底板内为第三纵向预应力钢束11。在一些实施例中，鱼腹式横肋结构4内也设置有沿真空管道长度方向布置的纵向孔，多个鱼腹式横肋结构4的纵向孔内贯穿设置有纵向体外预应力钢束12。为满足真空管梁
气密性要求，鱼腹式横肋结构4外表面的封闭结构1一并包裹纵向体外预应力钢束12。
66.如图8、9、10、14，在一些实施例中，预应力混凝土空腔管梁2的顶板开设有顶板孔7，顶板孔7可呈矩形，四角呈圆角，沿真空管道长度方向纵向间隔布置，相邻的顶板孔7之间形成横向连接。预应力混凝土空腔管梁2的腹板开设有腹板孔6，腹板孔6可呈圆形，沿真空管道长度方向纵向间隔布置。为满足真空管梁气密性要求，封闭结构在预应力混凝土空腔管梁2外紧密包裹，连同顶板孔7和腹板孔6也包裹在内。如图12和13，在一些实施例中，预应力混凝土空腔管梁2的顶板内还设置有垂直于真空管道长度方向的横向预应力钢束13，预应力混凝土空腔管梁2的腹板内还设置有垂直于真空管道长度方向的竖向预应力钢束14。预应力钢束14的张拉锚固方案、设备使用与常规混凝土结构相同，仅需在封锚后外包封闭结构，保证管梁在张拉位置气密性满足设计要求。在开设顶板孔7和腹板孔6的实施例中，横向预应力钢束13和竖向预应力钢束14要绕开顶板孔7和腹板孔6设置。顶板孔7和腹板孔6可减轻预应力混凝土空腔管梁2的重量，还可设置双层透视玻璃，进一步增加结构景观效果。孔洞附近需设置加强横、竖向钢束，以保证孔洞部位横、竖向刚度满足结构设计要求。
67.如图7和图14，在一些实施例中，预应力混凝土空腔管梁2底部两端设置有局部加厚区域16，局部加厚区域16外表面包裹有封闭结构1，与其他部分的封闭结构1组成完整的封闭体。预应力混凝土空腔管梁2为混凝土薄壁管状结构，横截面为倒梯形，截面拐角处设置圆弧或斜边倒角过渡。考虑到梁端支座设置空间，在预应力混凝土空腔管梁2纵向端部设置底板的局部加厚区域16，设置范围满足支座安装空间即可。
68.如图4，混凝土侧壁3的外侧和对应的预应力混凝土空腔管梁2内侧均设置有预埋钢板17，预埋钢板17沿真空管道长度方向通长布置。横向水平支撑5两端通过对应的预埋钢板17连接到混凝土侧壁3和预应力混凝土空腔管梁2上，可采用焊接等方式连接。
69.实施例1：
70.如图3-6，本实施例中，预应力混凝土空腔管梁2为封闭不开孔的完整结构，顶板两端和底板两端呈圆弧形，底板设置有鱼腹式横肋结构4，预应力混凝土空腔管梁2内设置有第一纵向预应力钢束9、第二纵向预应力钢束10、第三纵向预应力钢束11，鱼腹式横肋结构4内设置有纵向体外预应力钢束12，封闭结构1包裹在预应力混凝土空腔管梁2、鱼腹式横肋结构4和纵向体外预应力钢束12外。横向水平支撑5自上而下设置三层，长度自上而下逐渐变短。
71.实施例2：
72.如图7，本实施例与实施例1的区别是，在预应力混凝土空腔管梁2底板两端设置局部加厚区域16，封闭结构1包裹在预应力混凝土空腔管梁2、鱼腹式横肋结构4、纵向体外预应力钢束12和局部加厚区域16外。
73.实施例3：
74.如图8-13，本实施例与实施例1的区别是，在预应力混凝土空腔管梁2上开设顶板孔7和腹板孔6，第一纵向预应力钢束9布置在顶板孔7和腹板孔6之间，第二纵向预应力钢束10布置在腹板孔6下方，第三纵向预应力钢束11布置在底板。横向预应力钢束13布置在横向连接8上，竖向预应力钢束14布置在相邻的腹板孔6之间。
75.实施例4：
76.如图14，本实施例与实施例3的区别是，在预应力混凝土空腔管梁2底板两端设置
局部加厚区域16。
77.本发明的预应力混凝土真空管道，将封闭结构、管梁结构与轨道结构结合成一体，各结构功能明确，传力路径清晰，管梁构造简单，有效减轻了整孔梁的重量；纵、横、竖向预应力钢束的设置增加管道纵、横、竖向刚度，充分发挥材料强度，进一步拓展混凝土材料在超高速磁浮制式轨道交通领域的应用范围；混凝土薄壁型断面形式增强管道散热能力，减小管道内温度累计，延长电磁设备使用寿命；可直接利用现有成熟的制梁工艺和设备，即可采用工厂预制施工方法，也可采用现场浇筑施工，制梁工艺简单高效灵活，降低施工难度和工程造价。
78.以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。