Instalación sincronizada de la chaqueta en las vías de tren de alta velocidad activas
El reto de ingeniería de instalar techos de red de 75 m de luz sin interrumpir las operaciones del tren: montaje modular en tierra, elevación hidráulica sincronizada, expansión térmica en un rango anual de 70 °C y aislamiento de vibraciones de los trenes que pasan a 350 km/h debajo de la estructura.
Por qué instalar un techo de estación sobre las vías en vivo cambia todo
Un techo de una estación de tren de alta velocidad no es sólo una estructura de gran luz. Es una estructura de gran luz que debe instalarse mientras los trenes continúan corriendo debajo de él. Esta única restricción transforma todos los aspectos de la ingeniería, fabricación y metodología de instalación.
En un sitio de construcción convencional, el techo de la rejilla se monta en el aire: las torres de encimera temporal se erigen en el suelo, las secciones de la rejilla se elevan por grúa y se juntan a la altura, y la encimera se elimina después de que la rejilla logre una geometría auto-suporta. Este método es imposible en las pistas activas. Las torres de encimera no se pueden colocar en la pista. Las grúas no pueden mover cargas sobre líneas de catenario en directo. Y el operador ferroviario no suspenderá el servicio durante las semanas o meses que requiere el ensamblaje aéreo convencional.
La solución es: instalación de jacking sincronizadaEl techo de la red se monta completamente en el suelo adyacente a las vías, luego se levanta como una unidad completa o en grandes secciones pre-ensambladas a su posición final utilizando un sistema de jacks hidráulicos sincronizados. El ascensor puede tardar horas en lugar de semanas. Durante el levantamiento, la estructura se apoya en múltiples puntos por cilindros hidráulicos que son controlados por ordenador para mantener un desplazamiento vertical uniforme dentro de una tolerancia de ±5 mm. Cualquier ajuste diferencial más allá de esta tolerancia desencadena la corrección automática, evitando la generación de fuerzas internas desequilibradas que podrían dañar la red durante el levantamiento.
Esta no es una técnica estándar. Requiere un análisis de ingeniería del comportamiento de la estructura durante el ascensor un caso de carga temporal que muchos fabricantes nunca consideran. La red debe diseñarse no solo para sus condiciones de soporte permanentes (desarrollado en columnas del perímetro) sino también para sus condiciones de soporte temporal (desarrollado en puntos de conexión que pueden estar en diferentes posiciones). Las fuerzas de los miembros durante el ascensor pueden exceder las fuerzas permanentes, lo que requiere refuerzo temporal o ubicaciones de puntos de elevación modificadas. El sistema de conexión debe ser dimensionado para el peso total de la red más el revestimiento más las cargas de viento durante el período de elevación.
Ingeniería de los techos de las estaciones HSR
Los techos de la red de 75 m de luz, el movimiento térmico a través de rangos de temperaturas extremas y el aislamiento de vibraciones de los pasajes de tren de alta velocidad.
La red ferroviaria de alta velocidad de China opera a velocidades de hasta 350 km/h. Una estación de esta red no es simplemente un edificio es una infraestructura que debe coexistir con un sistema dinámico que genera pulsos de presión aerodinámica, vibraciones del suelo y interferencias electromagnéticas. La estructura de techo de acero sobre las vías de plataforma debe abordar desafíos de ingeniería que ningún otro tipo de edificio encuentra en la misma combinación.
Requisitos claros para la cobertura de la plataforma
Una plataforma de estación de tren de alta velocidad normalmente sirve de 2 a 6 pistas, con anchos de plataforma de 10-15 m por grupo de pistas. El techo debe cubrir toda la anchura de la plataforma sin columnas interiores las columnas obstruirían el movimiento de los pasajeros, interferirían con las puertas del borde de la plataforma y crearían riesgos de seguridad cerca del borde de la pista. Para una estación de 4 vías con plataformas insulares, el lapso de transcursión claro requerido es típicamente de 60-75 m. Para las estaciones más grandes con 6 vías, el lapso puede alcanzar de 90 a 100 m.
A estructura de la red de esfera enbolsada La red distribuye la carga del techo al perímetro apoya típicamente las columnas de construcción de la estación en el lado del rincón y las columnas de pie en el borde de la plataforma sin soportes intermedios sobre las vías. El sistema de esfera a perforación es preferido sobre las conexiones soldadas para los techos de la estación porque la soldadura de campo sobre vías activas introduce riesgos de incendio en el sistema de catenario aéreo y requiere permisos de trabajo caliente que restringen aún más la ventana de construcción.
Expansión térmica a través de un rango anual de 70°C
Muchas estaciones de tren de alta velocidad en China se encuentran en regiones con climas continentales extremos. Las estaciones del noreste (Harbin, Changchun) experimentan temperaturas de invierno de -30 °C; las estaciones del noroeste (Urumqi, Lanzhou) experimentan temperaturas de superficie de verano de 50 °C en techos de metal oscuro.
El acero tiene un coeficiente de expansión térmica de 12×10−6 por °C. Para un techo de red de 75 m de luz que experimenta un cambio de temperatura de 70 °C, el movimiento térmico teórico en el extremo libre es:
ΔL = α × L × ΔT = 12 × 10−6 × 75.000 mm × 70 °C = 63 mm
Un movimiento de 63 mm no es una preocupación teórica es un desplazamiento real que debe ser acomodado por las conexiones de soporte. Si ambos extremos de la red están fijos, este movimiento térmico genera una fuerza axial de aproximadamente 1.900 kN en la cuerda de la red suficiente para romper las columnas de soporte o las conexiones de fractura. La solución es diseñar un extremo de la red como fijo (resistiendo a las fuerzas horizontales del viento y las sismicas) y el otro extremo como deslizante, utilizando agujeros de tornillos con ranuras alargadas o rodamientos deslizantes recubiertos de PTFE que permiten que la red se expanda y contraiga libremente.
Para los techos de estaciones más largos (más de 100 m a lo largo del eje de la vía), también se debe adaptar el movimiento térmico a lo largo del eje de la vía. La rejilla de cada articulación de expansión se apoya en una línea de doble columna, con cada segmento deslizándose de forma independiente sobre sus propios rodamientos.
Vibración aislamiento de los trenes de alta velocidad
Cuando un tren de alta velocidad pasa por una estación a 350 km/h, genera un pulso de presión aerodinámica una onda de compresión seguida de una onda de rarefacción que golpea el techo de la plataforma. Este pulso tiene una magnitud de aproximadamente 500-1000 Pa (equivalente a 0.05-0.10 kN/m2) y una duración de 0.5-1.5 segundos. El pulso aplica una fuerza transitoria hacia arriba y luego hacia abajo a la estructura del techo.
Si bien la magnitud de esta fuerza es pequeña en comparación con la carga muerta del techo, su naturaleza dinámica es la preocupación. Si la frecuencia natural del techo está cerca de la frecuencia del pulso, la amplificación de resonancia puede multiplicar la respuesta por un factor de 2-4.
Más significativamente, la vibración terrestre de los pasajes del tren se propaga a través de la estructura de la plataforma y en las columnas de soporte del techo. Esta vibración, típicamente en el rango de 5-30 Hz, puede combinarse con los modos de vibración de orden superior del techo. El resultado es una oscilación del techo perceptible que puede desalojar los paneles de techo, hacer ruido a las luces y crear una experiencia inquietante para los pasajeros que esperan.
Abordamos las vibraciones inducidas por el tren a través de:
- Verificación de frecuencia natural: La frecuencia fundamental de la red se calcula en el modelo estructural y se verifica como superior a 3 Hz (bien claro de la banda de excitación de 1-2 Hz de los pulsos de presión y de la banda de vibración del suelo de 5-30 Hz)
- Los rodamientos de aislamiento por vibración: Los rodamientos elastómicos o deslizantes en la interfaz de techo columnar desacoplan el techo de las vibraciones de tierra, reduciendo la vibración transmitida en un 60-80% en el rango de 5-30 Hz
- Ancraje de elementos no estructurales: Los sistemas de techo, las luces y las señales están anclados para resistir los niveles de aceleración previstos en sus puntos de montaje, evitando el temblor y el desprendimiento
- Profilamiento aerodinámico: Para las estaciones donde los trenes pasan a toda velocidad sin parar, el borde del techo está aerodinámicamente perfilado para reducir la magnitud del pulso de presión que golpea la superficie del techo
Gestión del viento y control estructural durante el ascensor
Un techo de cuadrícula montado en el suelo y levantado en posición por jacks sincronizados es, durante el ascensor, una estructura en una configuración de soporte inestable. A diferencia de su condición permanente donde la cuadrícula descansa en rodamientos perimetrales continuos durante el ascensor la cuadrícula se sostiene en puntos de conexión discretos que pueden estar a 20-30 m de distancia. El análisis estructural para esta condición temporal es tan crítico como el análisis para la condición permanente.
El viento es la carga que rige durante el levantamiento. Un techo de red de 75 m × 120 m montado en el suelo presenta un área de vela de 9.000 m2 incluso un viento moderado de 6 m / s genera 20-30 kN de fuerza horizontal en la estructura montada. Esta fuerza crea desplazamiento lateral en los puntos de conexión, generando momentos de flexión en los miembros de la red que fueron diseñados para la carga de gravedad vertical, no la carga de viento horizontal. El levantamiento está programado para una ventana cuando se pronostica la velocidad del viento por debajo del límite de seguridad precalculado, típicamente 6-8 m / s para una red de este tamaño.
Durante el levantamiento, el monitoreo en tiempo real proporciona tres capas de verificación de seguridad. Primero, los sensores de desplazamiento en cada punto de conexión de pista de posición vertical a una resolución de ±1 mm, con corrección automática de sincronización si algún conexión de conexión se desvía más allá de la tolerancia. Segundo, los sensores de inclinación en el perímetro de la red detectan cualquier rotación de la estructura durante el levantamiento la rotación indica una carga desigual, lo que podría indicar una distribución de la fuerza del viento que el sistema de sincronización no puede corregir. Tercero, los medidores de tensión en los miembros críticos monitorean los niveles de tensión durante el levantamiento, comparando los valores reales con los valores previstos del modelo estructural para la condición de soporte temporal. Cualquier tensión que exceda el 80% de la capacidad prevista desencadena una revisión de ingeniería inmediata.
Una vez que la red alcanza su posición permanente y se conecta a los rodamientos de soporte, el sistema de monitoreo pasa del control del ascensor al monitoreo de la salud estructural. Los medidores de tensión permanecen en su lugar durante los primeros 12 meses de operación, registrando la respuesta de la estructura a los ciclos térmicos, los pasos del tren y los eventos del viento. Estos datos verifican que la estructura tal como se construyó funciona como el modelo diseñado predijo la confirmación final de que la ingeniería fue correcta.
La capa sincronizada: cómo un techo de 75 metros sube sin detener los trenes
Etapa 1: Asamblea de suelo
El techo de la red se monta a nivel del suelo en un área de montaje plana adyacente a las vías. Esta área debe ser lo suficientemente grande como para acomodar la huella completa de la red (75m × longitud de la estación) y debe soportar el peso combinado de la red más el equipo de conexión. Los nodos de esfera con boleta, los tubos de acero y las placas de sellado se ensamblan de acuerdo con el sistema de identificación de nodos modelo 3D. Las conexiones se bolitan y se verifican con par en el suelo, donde el acceso es fácil y el control de calidad es directo No hay trabajadores a 20m de altura, no hay restricciones meteorológicas en las operaciones de boleta, no hay tiempo de grúa consumido por el trabajo de conexión.
Etapa 2: Colocación de los jack y configuración de la sincronización
Los jacks hidráulicos se colocan en los puntos de elevación determinados por el análisis estructural. Estos puntos se seleccionan para minimizar las fuerzas de los miembros durante el elevador. Pueden coincidir con los puntos de soporte permanentes o pueden estar en diferentes lugares donde el soporte temporal es más eficiente. Los jacks están conectados a un sistema de sincronización computarizada que monitorea el desplazamiento en cada jack a una resolución de ± 1 mm. El sistema está programado con la altura de elevación objetivo y la tolerancia de establecimiento diferencial aceptable (generalmente ± 5 mm entre los jacks adyacentes). Si algún jack se desvía más allá de la tolerancia, el sistema se detiene y corrige automáticamente antes de continuar.
Etapa 3: El ascensor
El ascensor se realiza durante una ventana de posesión de la pista preestablecida típicamente un bloque de mantenimiento durante la noche de 2-4 horas cuando se reduce o se suspende el servicio del tren. La red se levanta a 0,5-1,0 m/min, alcanzando su elevación final de 15-25 m sobre el nivel de la plataforma en 30-60 minutos. Durante el levantamiento, el monitoreo del viento es continuo; si la velocidad del viento supera el límite de seguridad precalculado (generalmente 8-10 m/s para una red parcialmente apoyada), el ascensor se detiene y la estructura se fija en su elevación actual hasta que las condiciones mejoran.
Etapa 4: Conexión permanente
Una vez que la rejilla alcanza la elevación final, se traduce horizontalmente (si es necesario para el posicionamiento final) y se baja en rodamientos de soporte permanentes. Las conexiones permanentes se completan bolsadas o soldadas dependiendo del diseño de conexión y se elimina el sistema de conexión. Todo el proceso desde el montaje en tierra hasta la conexión permanente puede durar varias semanas de preparación, pero el ascensor crítico en sí ocupa solo horas, y la interrupción de la pista se minimiza o elimina por completo.
Proyectos de estaciones de tren que hemos entregado
Hub de HSR
Estación de tren de alta velocidad de Xuzhou Este
Un importante centro HSR en la línea Beijing-Shanghai. Techo de red de gran luz que cubre múltiples vías de plataforma, diseñado para el movimiento térmico a través de un rango anual de 65 ° C y aislamiento de vibraciones de los pasajes de trenes de 350 km / h.
China del noreste
Estación de Daqing Oeste
Estación ferroviaria en una región con temperaturas extremas de invierno que alcanzan -30°C. Techo de red de acero diseñado para un rango térmico anual de 75°C, con rodamientos deslizantes y articulaciones de expansión que acomodan el movimiento estacional.
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